无人机实景建模技术在古村镇实践课程的应用

孙帅 ，王彪 （北方工业大学建筑与艺术学院，北京 100144）

1 建筑测绘教学的意义与现实问题

古建筑测绘是建筑学本科教学体系中最重要的实践课程之一。通过实地测绘实践，不仅可以使学生加深理解古建筑营造技法的相关知识，还可以掌握最实用的古建筑测绘及制图方法，同时可以为未来的课堂教学或科研提供全新的研究素材，最直接的好处则是直接记录了一批兼具科学和文化价值的建筑遗产。虽然计算机辅助设计技术可以大大降低制图过程的时间和人力成本，但在现场的测量记录仍然存在许多问题和制约因素。

首先，从测量工具和方法来看，依然以相机、卷尺、垂球等手工测量为主，不仅测量误差较大而且现场测量十分辛苦。部分有经济实力的院校引进的手持式激光扫描仪，由于其成果数据为点云格式数据量巨大，对于小型建筑构件的测量尚可，对于大面积或大型建筑（群）则无能为力。

其次，从测量实践课程的时间安排上来看，多数院校将暑假作为教学小学期，利用5～8周的较长假期，保障建筑测量工程的顺利进行。一方面占用了学生过多的休假时间，学生的参与积极性不高，另一方面我国多数地区夏季酷热或多雨，户外测量的气候条件艰苦。多数学生疲于应付测量任务，而忽略了对建筑本身的观察学习。

第三，从测绘实践成果来看，主要以手绘图纸、现场照片、CAD图纸为主，各种成果之间缺乏横向的比较分析的可能性。以现场照片为例，人视角度照片过于碎片化，缺乏对建筑整体的记录，也很难进行系统的排列和整理；鸟瞰角度的照片，通常受限与场地现状难以获取或根本无法获取，部分偏远地区的测绘甚至无法获得最新的卫星遥感平面来辅助测绘。

2 低空无人机遥感建模技术的硬件技术优势

低空无人机（Low-altitude Unmanned Aerial Vehicle,LUAV）也称为低空无人航空器或遥控驾驶航空器，是一种由无线电遥控设备控制，或由预编程序操纵的非载人飞行器。按照任务高度进行区分，无人机包括超低空无人机（0～100m）、低空无人机（100～1000m）、中空无人机（1000～7000m）、高空无人机（7000～18000m）和超高空无人机（大于18000m）。经过多次飞行实践我们发现飞行作业高度通常在100～200m左右，可以有效满足古建筑或传统村落的测绘需求。

我国传统村落及古建筑地域分布广泛,地理环境多种多样,用无人机取代传统的人工调研、人工作业方式,可以大大提高调研效率、缩减调研人力及时间成本,具有现实意义和应用前景。目前低空无人机多搭载小型成像与非成像传感器作为机载遥感设备,具有采样周期短、分辨率高、像幅小、适应复杂地形、节省人力资源等优势，在收集、处理、分析中小尺度的农村居民点空间信息方面，具有很大的应用潜力和发展空间。需要特别指出的是,无人机测绘系统适用于高原、山地、丘陵、平原、盆地、水域等多种地形地貌,可以从更高、更广、更动态的视角,更快、更准确、更便捷地获取传统村落及古建筑本体和周边环境的空间数据信息。近一年来，低空无人机遥感建模技术开始被国内建筑、景观、规划的研究人员所关注，以高校和大型规划研究院为代表的科研单位尝试引进此项技术。

3 低空无人机遥感建模技术的软件技术优势

随着“数字地球”和“虚拟现实(VR)”技术的发展,航空摄影测量技术经历了一场由平面二维向空间三维系统的变革。其所建立的空间三维实景模型平台,兼具完善地理信息系统空间处理和分析能力、大大拓展了传统GIS信息表现形式的新兴技术。基于数字高程模型（DEM）、数字正射影像图（DOM）和数字线划图（DLG）的三维地理信息系统提供了处理、分析地理数据及相关属性信息的更直观手段,并且在叠加上相应的地理要素后就可以获得表现力丰富的三维专题地图。将这些技术应用于中小尺度空间内的景观、建筑等领域,可以有效减少规划、保护、管理的工作量,实现基础数据智能化、数据处理自动化、数据输出可视化的目标。

这样一方面可以有效收集传统村落、古建筑的空间及周边环境的海量数据,另一方面有利于未来更加便捷地使用这些数据。低空无人机遥感建模的空间模型成果，可以完整而清晰地记录并展现单体建筑物的形体、色彩、材质、风貌，整个村落建筑物的分布形态、道路分布以及与周边地形关系等空间信息。海量的纹理、材质及空间细部信息储存在完整统一的三维立体空间模型中，同时不仅仅是单一角度的航拍鸟瞰照片，具有GPS坐标的三维模型还可以进行实景测量等辅助性工作。

低空无人机测绘技术收集海量数据的便捷性，相关软件分析处理海量数据的智能性，可以把研究者和政策制定者从海量数据中解放出来，将更多精力和时间投向其内在发展规律和推动因子的研究。该理念的提出，顺应了信息技术发展的趋势，客观应对并解决研究过程中的现实问题，可以更加清晰地揭示庞杂数据库中的变化规律，并对上述空间大数据进行自动分析，辅助研究者综合评估相关空间数据变化的趋势以及分布的合理性，具有广阔的应用前景。需要指出的是，当这些空间数据的发展规律和推动因子越来越清晰时，反过来可以使相关软件平台更加完善、更加科学，这是一种良性循环和互动。

4 基于低空无人机遥感建模技术的传统村落测绘实践方法

4.1 测绘任务

由于低空无人机遥感建模技术的高度自动化，通常一个约1km2的测绘区域只需3～4周即可完成。项目组成员通常可以分为2个子团队，包括业外飞行测绘团队和业内数据处理团队，其中业外飞行测绘子团队通常包括1个无人机测绘小组和1个地面监控及人工补拍摄影组。通常测绘内容包括1:500或1∶1000地形图测图，以及.max或.mtl或.obj等常用通用格式真实纹理三维建模两项任务。具体工作内容包括飞行作业、地面控制点测量、地面像片补拍、数据处理及三维场景构建等，最终构建起智能化的完整村落及其周边环境的真实纹理三维场景。

4.2 系统选型

选用的低空无人机遥感建模系统包括低空无人机航测系统1套和无人机三维建模系统1套。考虑到测绘地点远离城市设备不易维修，测绘地区地形地貌及气象条件复杂等因素，无人机航测系统通常采用更为稳定的六旋翼或八旋翼无人机为平台。通常微型或轻型无人机1块电池的航时为20～30min，除去起飞降落等技术性动作，实际任务时间通常为15～25min，因此一架无人机通常需配备15～20块机用充电电池，以保障一个全天或两个半天的持续飞行。由于开展测图任务和三维建模的信息采集任务需要大量照片，通常相机以三拼或五拼数码相机为航摄任务载荷，提高航摄飞行效率。

4.3 人员安排

测绘任务需要至少需要3人，包括飞控人员、数据人员及布控人员等。其中飞控人员需要是中国航空器拥有者及驾驶员协会（AOPA）颁发无人机教员、无人机机长、无人机驾驶员证书的专业人员，其主要职责是制定无人机飞行计划并实际操控无人机完成飞行及荷载任务。数据人员主要职责是辅助机长进行飞行规划和数据监控，并现场对航拍数据进行初步处理。布控员的主要职责是控制点布测和无人机飞行状态观测监控。

4.4 时间计划表

序号 工作内容 时间 备注① 前期准备设备、人员协调与调试；任务地气象及地理资料收集第1～2日② 任务准备 前往任务区 第3日③现场查勘 第3～4日④ 测图作业 测图飞行 第4日⑤控制点测量 第5日⑥ 三维作业 三维飞行 第6日⑦地面像片补拍 第6～7日⑧ 工作收尾 相关区域补飞 第8日⑨撤离 第9日⑩ 数据处理 1:500测图 第6～8日 作业现场即可开展数据处理輥輯訛 三维场景建模 第10日～20日 业内数据处理团队人工调研团队同步进村，有针对性地对重点建筑物、无人机盲点进行补测

5 课程实践总结

基于低空无人机遥感建模技术的传统村落或古建筑空间三维模型并不排斥传统空间数据获取方式，手持式相机、手机等图像获取方法可以有效补充低空无人机飞行盲区。由于飞行作业高度通常在100m左右，它主要收集中小尺度空间数据，恰恰适合农村居民点的空间尺度，也为宏观的卫星影像数据和微观的人工测绘影像数据，建立起了联系的桥梁，形成“宏观—中观—微观”完整的空间大数据库（链）。

传统村落或古建筑研究领域具有信息量大、收集信息困难、人力及资金不足、后续管理不力等诸多制约条件。与侧重收集宏观地理信息的卫星影像相比较,低空无人机测绘影像不仅具有高分辨率,能提供更多的细部形状、细部纹理以及地表环境信息等数据,而且具有实时性和低成本性,传统村落或古建筑通常涉及的中小尺度地形的三维重建方面也有着独特的优势，可以快速地完成遥感数据处理、建模和应用分析,可以作为卫星遥感和有人机遥感的有益补充。与侧重收集微观建筑单体信息的传统人工测绘相比较，尤其是对于处于地形地貌较复杂空间中的村落,低空无人机测绘技术可以大大削减人工成本和时间成本。目前基于自动匹配生成离散点来构建TIN,辅以少量人机交互修改,最终生成更为准确的DEM完成三维建模的技术手段,还可以有效提高测绘精度,保证测绘进度。

通过实地飞行测绘与课程实践，低空无人机遥感建模技术可以满足城市规划、景观设计、建筑保护等研究领域的实际需求、符合其行业特征、解决其实际困难，可以为相关领域研究提供具有前瞻性的新办法、新途径；也可以进一步推动建筑、规划、风景园林专业与信息技术的交流融合；同时还是为高校探索创新的交叉学科应用领域，，让最新科学研究成果更好地为社会发展服务，更快地转化为生产力。