低空多旋翼无人机航测在风景园林规划设计前期现场观测中的应用

程文宇

冯 潇*

1 背景

1.1 设计场地原始资料的缺失

在风景园林规划设计过程中，场地原始信息资料的收集是指导我们进行规划设计的前提。目前，我们可以利用谷歌地图、CAD图纸，以及业主提供场地信息等方式来获取设计现场的基础资料。但是这些手段不仅过于被动，而且谷歌地图对地理信息的变化不能做到即时更新，CAD所显示的地形图不够直观，一旦业主不能提供相对完整的原始资料，就会导致设计师对场地信息的获知变得困难重重。

1.2 传统人工测绘与载人航测的劣势

传统意义上的测绘方法是通过专业仪器对植物、水体、山石等景观要素，以及地理信息的测量，来获取场地高精度的原始数据。但其所消耗的人力物力较大、仪器成本高、工作周期长，这种方式严重影响了设计前期的工作效率。

由于航空摄影测量技术的日益发展，航测成了另一个获取场地基础资料的手段。然而，传统载人航测对气流、光照、天气等外界因素的要求较高，飞行成本较大。对于中小尺度的景观设计而言，载人航测的飞行面域广，所获得的有效范围相对较小，从而导致设计区域内航片的精度不够。可见，以上这些原因都对场地基础资料的收集产生了局限性。

1.3 无人机摄影测量的普及

按照国际上对于无人机系统(Unmanned Vehicle Systems，UVS)的定义，无人机(Unmanned Aerial Vehicle，UAV)是无人驾驶飞机的简称，是利用无线电遥控设备和自身程序装置控制，携带多种任务设备，执行多样任务，能重复使用的无人驾驶飞行器[1]。自无人机问世以来，主要应用于军事领域，以其智能化的操作方式，在通讯、侦查等方面起到了不可替代的作用。而在测绘学方面，早在1979年，人类就利用无人机系统进行了第一次飞行试验。

近些年来，随着数字化技术在测绘领域的普及，无人机开启了较低空域航测的新尝试。由于这种飞行平台是由无人机结合数码相机，与全球导航卫星系统(GNSS)共同组成的，所以成本较低，并且飞行器可以高准确性地到达预计采样点，进行高精度的摄影测量和数据采集。因此，低空无人机航测成了载人航空摄影测量的低成本替代品。如今，无人机以其卓越的综合性能和不断的技术更新，应用于民用领域的方方面面。

1)环境监测：随时对土地和水质的情况进行监测，通过与不同遥感设备的搭配获取植被空间变化、生物栖息地评价、造林方面的评估等数据成果。

2)古建保护：对于古建的修复而言，无人机的影像数据是基础资料的重要来源。

3)考古研究：运用数据处理软件对无人机航测信息进行计算，可以获取考古区的平面图以及复原该场地的地形结构。

4)交通监测：将无人机应用于道路监测系统，估算行驶时间，获得最佳行驶路线、拥堵情况等信息[2]。

1.4 无人机航测在风景园林专业中的应用

无人机摄影测量与上述众多获取场地基础资料的方式相比，不仅具有时效性强、效率高、成本低等优势，而且飞行器体积较小，所搭载的航拍设备质量较轻，遥控器操作的飞行方式相对简单。其飞行高度仅在1 000m以下，低空飞行所获取的影像像幅较小，所以无人机航测更加适用于中小尺度范围内的测量任务，由此获得的影像资料足以达到风景园林专业对于设计现场信息观测的精度标准。利用无人机航测的数据处理软件(Pix4Dmapper、MicMac和Agisoft photoscan等)不仅可以生成数字正射影像图(Digital Orthophoto Map，DOM)，数字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)，还可以构建数字地表模型(Digital Surface Model，DSM)、全景图等，为后续规划设计提供完善的场地基础资料。由此可见，在风景园林专业中，低空无人机飞行摄影与数据处理体系是获取场地原始信息最行之有效的手段之一。

2 无人机的飞行摄影系统

无人机飞行摄影系统可分为飞行平台、遥感设备和飞行控制系统3个板块。

2.1 飞行平台

无人机按照机身类型分为固定翼无人机和多旋翼无人机。固定翼无人机顾名思义机翼是固定的，所以固定翼无人机需要飞行跑道，通过螺旋桨与空气的相对作用进行起飞，具有起飞速度快、相对高度高、负载质量大的特点。多旋翼无人机可以通过遥控器的控制使其在空中随时悬停，其飞行原理是利用多个旋翼旋转所产生的升力来平衡无人机设备的自重。相比于固定翼无人机，低空多旋翼无人机灵敏度高、简单便捷、安全性高，是今后用于获取中小尺度下高精度影像数据的重要发展趋势。

2.2 遥感设备

无人机信息采集系统是通过在无人机上搭载数字遥感设备，来对设计场地进行航测记录。数码相机或机载镜头在获取正射影像(DOM)数据上具有很强的优势，但数字高程模型(DEM)在局部精度上有明显的不足。而三维激光扫描仪是近几年来测绘技术的新突破，其原理是利用激光测距来获得激光点云数据，高密度的点云可以生成高精确的数字高程模型(DEM)。结合2种类型设备的优势，将机载三维激光扫描仪和相机同时搭载在无人机上则可获得高品质的地表坐标数据和影像数据。

在风景园林专业中，无人机还可以搭载其他设备，来满足规划设计对于航测结果的不同需求。例如搭载多光谱照相机，利用植被自身的光谱特征，对比出不同的反射率，将植被进行区分，进而探究植物群落组成、空间变化等。

2.3 飞行控制系统

地面飞行控制系统是无人机航摄系统的核心部分，主要由航线规划系统、地面遥控系统和数据接收系统组成[3]。首先，确定飞行摄影测量的面域，设置飞行速度、高度，以及拍摄时间间隔，并依照《低空数字航空摄影规范》对像片重叠度的有关规定，即航向重叠度一般为60%～80%，旁向重叠度一般为15%～60%，来进行合理地航线规划[4]。一般来说，重叠度越高，数字高程模型的精度越高，数字地表模型越清晰。将规划好的飞行计划进行上传，系统会自动检测是否可行，一旦出现问题，可以按照系统提示进行相应的修改。上传成功后，无人机会按照上述规划的飞行方式对航测区进行影像采集。

为确保无人机的平稳行驶，飞行分为手动、半自动和自动3种控制模式。同时，航拍影像和无人机飞行状态可以实时传回到地面控制系统，一旦遇到突发情况，地面操作人员便可以即时对飞行路线做出相应的调整(图1)。

图1 飞行系统

3 无人机摄影测量数据处理软件

目前应用于无人机航测数据处理的软件有Pix4Dmapper、Agisoft photoscan、MicMac、Menci APS等。软件对于数据的处理过程大致相似，都是将影像自动快速拼接，生成正射影像图(DOM)和数字高程模型(DEM)等成果数据，只是在某些选项和附加功能上有些许的差异。

下面以Pix4Dmapper为例，概述软件处理航测数据的工作流程。

3.1 工作原理

Pix4Dmapper是由瑞士Pix4D公司研发的无人机数据处理软件，该软件通过导入具有一定重叠率的航拍影像和相应的POS数据，来获取高品质的正射影像图。其原理是采用改进的尺度不变特征转换(SIFT)算法，即多视图三维重建技术，在所有图像中分析寻找特征匹配点(2D keypoints)，并使用优化的二进制描述符，提高了图像匹配的速度和精度。光束法区域平差(bundle block adjustment)重构每一张影像特征点在三维空间的位置，计算点的三维坐标，从而再现事物真实的形态特性[5]。

3.2 成果数据的输出

生成点云模型后，在软件的空三射线编辑选项中，可以对点云模型的局部进行调整、裁剪，删除多余点云，提高点云模型的精度和视觉效果。由上述方法处理生成的高密度点云模型，可以进一步生成三维网格，并完成纹理映射，高度还原航测区域的原始形态[5]。设置三角网格纹理生成的相关参数，包括最大三角网格数目和纹理大小，其结果可以输出OBJ、PLY、PDF等多种格式，并且可以在常见三维景观建模软件3DMAX中打开，实现交互编辑。利用Pix4Dmapper处理数据可以生成高分辨率并带有真实地理参考的正射影像，以及具有高品质材质纹理的数字地表模型，并可以将成果转换到大地坐标中(图2)。

4 实践与分析

4.1 飞行地点及摄影测量设备

此次飞行实践依托于山西省大同市长城绿道规划项目，选取的航测地点为天镇县境内的保平堡，属于受国家保护的历史文化遗产。实践目标是希望通过对无人机航测数据的处理，得到该区域高品质的正射影像图(DOM)、数字高程模型(DEM)、数字地表模型(DSM)等，从而指导后续的规划设计。

用于航测无人机的是大疆御Mavic Pro。Mavic为四轴多旋翼无人机，机身小巧，可折叠，其重量仅为743g(图3)。摄像头采用1 200万像素4:3的1/2.3英寸CMOS。另外，配有FlightAutonomy系统，可以实现避障和精准悬停飞行。Mavic无人机适合应用在野外实验的飞行任务，有利于遥感影像的获取。

4.2 数据采集

航拍区域为矩形，飞行面域约为360m×360m，在近13hm2的范围内包含了古城墙、农田、自然植被、公路，以及停车场等要素，并且既有平坦的地形，又存在竖向变化较大的场地。拍摄时间在10：00左右，目的是尽量减少太阳照射角度对成像效果的影响。当天风力和天气状况良好，且正处于7月中旬，植被繁茂，航拍效果较好。

图2 航测数据处理流程图3 大疆御Mavic Pro无人机

4.3 飞行控制软件

Mavic通过Altizure软件来控制航摄飞行，该软件能够将飞行计划导入无人机空中飞行控制系统中，并使无人机按规划航线进行飞行。Altizure与高德地图相连，可在地图上实时显示飞行信息。此次飞行计划所预设的相对高度为115m，由于航测地区西面与山地相连，考虑到无人机的飞行安全，共布置了4条航线，其中第一条为垂直拍摄，其余4条相机的倾斜角为40°。从图4可以看出，由此产生了2条南北方向和1条东西方向的飞行路径。

此外，为了避免航拍图像所产生的疏漏，以及为获得更高品质的三维模型，将飞行计划的航向重叠率设定为75%，旁向重叠率为56%。因此，规划的每条航线的重叠度都能保证整个航拍区域的全面覆盖。Mavic在此飞行计划下，可达到的实际飞行速度为8m/s，拍照间隔6s，飞行拍照模式为等距曝光。如图5所示，每条航线用时8min30s左右。飞行结束后，共获得了218张分辨率为4 000×3 000像素的原始照片数据，部分飞行影像见图6。

4.4 影像预处理

图4 飞行航线图5 飞行计划

Mavic航拍的成像效果除了飞行平台的自身因素外，由于机身质量较轻，还易受到气流因素的影响，摇摆、加速度等变化会使影像出现运动模糊，从而带来航测误差。另外，位于航线转弯处所拍摄的不连续照片，也会对接下来的数据处理产生影响。在保证影像拼接完整的前提下，首先需要对数据进行筛选，剔除成像质量较差的影像，最终剩下有效照片193张。

4.5 数据处理

本次无人机处理数据所用的软件为Pix4Dmapper。首先，新建数据处理任务，将拍摄完成的有效影像图导入Pix4Dmapper。由于该航测区域面积较大，所获得的照片数据较多，依照4条飞行航线，将拍摄的影像图进行分类，并依次且连续地导入，平均每条航线导入48张左右照片数据。按照这种方式导入照片，可以有效地提高计算机处理数据的效率。

Pix4Dmapper通过基本数据，即航拍影像图和POS数据。根据最新的多视图三维重建技术，自动计算出照片的位置、姿态等，其内定向、相对定向及绝对定向都自动完成，无须人工加以干涉[6]。依照整理好的影像图，找到相应的POS数据，并修改成Pix4Dmapper所识别的格式。然后与上述影像图分成2组，并且一一对应地导入Pix4Dmapper中，通过勾选所要生成的数据成果及其精度，软件会自动生成航测区的点云数据。在处理过程中，Pix4Dmapper会导出相应的报告文档，方便随时检查数据情况。

4.6 构建数字地表模型

依照上述处理方法，软件从无人机航拍的影像数据中提取出带有坐标信息的点云数据，从而生成点云数字模型，进一步加载成三维网格，再现该区域的地貌特征。然后通过打散的像素点，进行纹理映射，赋予模型现状材质，来提高数字模型的品质(图7)。数字地表模型(DSM)可以缩放和旋转，导出OBJ、PLY等格式，并且可以与常见的三维建模软件进行交互编辑(图8)。

4.7 正射影像图和数字高程模型的生成

航测区的数字正射影像(DOM)和数字高程模型(DEM)是在软件数据处理结束后导出的，可以在项目文件夹中进行查看。数字正射影像为TIF文件(.tif)，是一种最佳质量的图形存贮方式，文件中分为未分幅和分幅2种(图9)。数字高程模型(DEM)包括数字高程图、点云数字模型、具有高程信息的CAD文件，以及PDF文件等(图10、11)。试验结果表明，Pix4Dmapper高效地完成了成果的输出，其质量完全满足后续设计的要求，达到了航测前所设定的目标。

图6 部分航拍影像图图7 数字模型生成过程图8 数字地表模型(DSM)

4.8 其他数据文件的生成

Pix4Dmapper生成的所有数据成果均自动保存在该项目目录下，除了以上文件外，项目文件夹中还包括了有关无人机飞行数据的一些计算文件(图12)。

5 结论与展望

本文以大疆御Mavic Pro无人机对山西省大同市天镇县境内保平堡所采集的影像资料为基础，结合影像处理软件Pix4Dmapper，针对如何高效、高品质地获得风景园林设计现场信息这一问题进行了研究。从输出的各项数据成果中可以看出，针对风景园林专业，基于无人机航测和数据处理所生成的正射影像图以及构建的数字高程模型具有操作简单、低成本、高效率等优势，并且其精度和品质足以达到设计现场地理信息收集的较高标准。在此基础上，无人机还可以搭载三维激光扫描仪，还原航测场地的更多细节和材质纹理，提高模型的精度。或者搭载多光谱照相机，通过对比不同区域植物群落的光谱特征，来分析植被的生长适宜性等信息。因此，对于设计场地基础信息的观测来说，无人机航测和三维建模体系共同组成了一个高效的数据生成平台。

图9 数字正射影像图(DOM)图10 数字高程图图11 等高线PDF文件图12 影像的重叠度(12-1)，影像之间匹配点的连接(12-2)

近几年来，无人机航测技术在地理信息采集方面得到了迅速地发展，但是其飞行平台也存在着一些不足。一系列无人机飞行法律法规的出台，无人机开始施行实名制政策，并且国家对无人机飞行的区域进行了严格的划分，全国设定了禁飞区域，可飞区域需要在飞行前向民航或者空军部门进行空域申请，虽然保障公民安全，但同时也大大降低了飞行效率；另外，对于飞行高度的限制，导致了影像相幅较小、重叠度高，这样势必增加了后期数据处理的工作量。无人机自身硬件的问题也同样影响了飞行效果。例如，飞行器重量较轻，易受到天气因素的影响，产生偏离航线、飞行姿态不稳等情况，导致影像畸变，后续建模精度不高[7]；现阶段民用小型无人机的续航能力较差，为航测造成了很大的不便，这个问题不仅存在于飞行器和遥控器，还包括与遥控器相连的地面控制设备，由于在飞行期间要始终保持网络和GPS的畅通，造成耗电十分严重。

当然，随着航测技术的日益提高，无人机飞行平台自身的性能也将会逐步完善，使其在硬件和软件方面更加趋于智能化。在未来数字化的风景园林规划设计中，无人机航测与三维建模体系在前期现场信息观测方面一定会具有非常广阔的应用前景。

注：文中除图3引自DJI大疆创新官网(http://www.dji.com/cn/mavic?site=brandsite&from=nav)外，均由作者拍摄或绘制。