基于无人机低空倾斜摄影测量的乡村空间管理精细化研究

刘蕊 安逸飞 李卫伟 曹浩 杨易晨

摘要：在美丽乡村建设和高质量发展要求的建设背景下，基于无人机低空摄影测量技术，支持乡村空间规划和乡村空间管理工作，探索快速、高效、经济、方便的精细化技术方法。本文以浙江宁波余姚梁弄镇横坎头村、北京密云河西村、北京顺义汉石桥村为例，分阶段介绍基于无人机低空摄影测量技术为基础，结合地面摄影测量、地面三维激光雷达扫描等技术手段，应用各类数据处理软件和空间信息管理软件的配合应用，探索乡村空间管理精细化内容。

关键词：无人机摄影测量；乡村空间；乡村规划；乡村管理；精细化

中图分类号：TU    文献标识码：      文章编号：

无人机倾斜摄影测量技术在近几年的探索和应用过程中取得了很多成果，具有专业应用多样性、再开发利用兼容性、数据精度多层性等特征；在专业应用层面涉及城市规划、国土测绘、建筑建模、城市管理、土地利用、轨道交通、应急指挥、矿山调研、价值估算等，地表可见空间层面元素都有很多学者进行研究；在开发应用层面可以跟多种专业软件结合，如国土空间的GIS、建筑的BIM、VR和AR的虚拟展示等软件进行兼容，实现调查研究——空间建构——项目管理——估算报价——监督评估——再调研的闭环链中，具有较好的兼容性；在精度层面，根据高、中、低空飞行器的不同，形成不同的数据精度^[2]，在600m以上的高飞行采集具有效率高、pos信息精准的特点，在300—600m飞行采集具有颜色真实和高分辨率的特点，在300m以下的低飞行采集其具有颜色真实、分辨率高、精度较高的特点。

本文重点针对无人机低空倾斜摄影测量（后续简称为低空摄测）为主要技术方法的乡村空间管理精细化研究，分为若干研究层面和若干案例，其一，以宁波梁弄镇横坎头村－－浙江抗日根据地旧址基于无人机低空摄测的三维模型建构+地面摄影测量，侧重于乡村重要单位的三维框架模型精细化和影像精细化；其二，以北京市密云河西村基于无人机低空摄测+地面摄影测量+地面激光雷达扫描在河西村的科学规划和河西村清镇寺保护的精细化数据获取，侧重于实现乡村空间三维模型空地耦合的激光雷达数据，侧重在数据的精细化；其三，以北京市顺义汉石桥村基于地面摄影测量+地面激光雷达扫描结合ENVI和GIS，侧重数据的精细化和管理平台的精细化。

一、无人机低空摄影测量技术

（一）技术路线

无人机低空摄影测量技术在民用无人机高速发展的阶段给城乡规划专业带来了很大的助力，而低空摄测主要是300m以下的空间信息和数据采集，可用4軸、6轴、8轴旋翼机设备操作便捷。无人机低空摄影测量通过对二维图像的拼合建立三维虚拟全景（VR），后者是基于倾斜摄影技术的三维模型重建，通过二维图像的空三运算建立数字正射影像DOM、数字表面模型DSM和数字高程模型DEM^[2]。

当前乡村空间建构实践应用有两条技术路线，其一是可以采用无人机三维激光雷达扫描+地面三维激光雷达扫描的建构方法，但是只能形成空间的框架模型；其二是基于无人机倾斜摄影扫描+地面三维激光雷达扫描+人工影像采集的建构方法（如图1），既能形成框架模型，又能够形成更为真实的现实模型。

（二）采集方法

采用多旋翼无人机搭载倾斜影像相机或是自带云台的相机的方式在低空空域对建筑聚落或建筑群进行多角度拍摄，摄影测量的目的就是通过改变相机的角度测量目标物的大小、形状和空间位置的技术。多是应用在三维模型的制作、建立地形数据库、为各种地理系统或建筑系统提供相应数据支持。针对乡村形态的管理方式来说就是利用多旋翼无人机搭载相机或激光雷达的方式对聚落进行拍摄，与传统方式相比利用无人机的方式更加快捷高效，并且可以通过无人机自带的GPS系统pos数据对相机悬停拍照的位置进行标记处理，获取到完整的地理信息坐标从而建立起完整的数据库体系对之后的规划或底资料整理提供高精度数据支持。

在数据采集阶段，首先需要深入了解所取得的样地，需要查询样地是否在禁飞区，周边地形环境是否满足飞行条件，周边是否有机场或敏感设施，并且飞行的区域要避开人员密集或信号复杂的场所，并对飞行当天的气象条件进行了解，确定满足了安全飞行的条件。

在满足安全飞行的条件之后进行无人机飞行航线的规划，规划飞行航线重要的就是了解所在区域周边环境，周边的地形是左右航线划归的重要一环，如果周边有过高建筑或山地就需要在设定时候考虑到山体遮挡以及信号丢失的问题，在确定之后就可以进行航线划归了，无人机的间隔拍照率也就是拍照重叠率就极为重要，对于大多数地区扫描来说无人机摄影测量的扫描横向以及纵向重叠率应均大于80%，否则会造成数据缺失或者模型拼接出错的问题。

（三）数据处理

数据处理的关键技术流程在业内的主导方式为影像数据准备——多视影响匹配——空中三角测量——多视影响密集匹配——构建不规则三角网——纹理映射——实景三维模型成果。同步可以通过影像数据准备——多视影响匹配——空中三角测量——核线重采样——影像自动匹配——生成DEM——生成单幅DOM——影像拼接裁剪——DOM成果^[3]（如图2）。

在具体操作中首先开展数据准备，获取无人机的POS数据，提高相片所在位置的精确角度，拼接处无人机的飞行拍摄轨迹。在获取到无人机pos数据的同时可以通过Context Capture等三维建模软件提取无人机拍照中的KML数据，KML数据的作用众多但针对摄影测量来说可以导入谷歌地球了解到无人机照片的地理信息坐标。同时这些地理信息坐标也被附在了每张相片上。其二，多视影像匹配。在获取到无人机拍摄相片的数据后就可以对无人机数据进行预处理也就是将无人机航拍的带地理信息坐标数据的相片导入Context Capture软件进行处理。其三，空中三角测量。形成可查看可测量的简单模型，用作控制点的绑定与添加，控制点就是在无人机数据采集时为了提高数据的精度从而在固定地点测取的该点地理信息坐标，将这些控制点的数据再与无人机数据进行耦合可以极大地提高测绘出数据的精度，满足测绘使用要求。其具体流程是将倾斜影像带有的POS数据作为初始外方位元素，然后通过自动选点、自动相对定向、构建自由航带网等技术实现相对空中三角测量^[4]，之后通过控制点的半自动量测，标注控制点。通过光束法区域网联合平差实现绝对空中三角测量，并将整个模型纳入到指定的坐标系统中^[5][6]。其四，多视影响密集匹配——构建不规则三角网——纹理映射——实景三维模型成果实际上基于软件的程序算法，在对三维简单模型添加完控制点之后就是对该样的进行实体模型建造，根据需求依此建立区域三维3mx格式模型、三维obj格式模型、二维TIF格式模型以及las点云模型，并将这些模型进行实体处理提高精度，并可以导入GIS、SU、SCENE等软件进行后期处理再利用，为研究提供高精度数据支持。其五，在趋向于DOM成果是，密集影响匹配后，在软件中可操作显示出点云构TIN、白模生成、纹理映射、生产制作正射影像、数字高程模型及数字地表模型^[7]。

（四）数据整理提取

数据整理提取及应用方面相对多元丰富，可以通过三维可测算的高精度模型了解所在地区地理信息数据、地表建筑信息、道路路网水源管网等基础信息，利用las点云模型对所在区域内植被进行普查检测，利用点云单木分割的方式获取到坐在地区数模的数量、叶面积指数、胸径大小等信息。利用所出的TIF模型对该地区地理信息数据进行绘制，获取地形图、地表建筑材质、所在地形位置数据等信息，可谓是利用无人机倾斜摄影技术提供过层次数据，解决多层次难点。在乡村空间管理方面则具体以下面四个层次为例进行说明。

二、无人机低空摄测三维框架模型精细化和影像精细化

无人机低空摄影测量模型精细化就是基于基本技术的基本技术开展的，以宁波梁弄镇横坎头村－－浙江抗日根据地旧址为例，初步指导坎头村重要文物建筑和文物保护单位的信息采集。

余姚梁弄镇横坎头村为传统江南地区古村落，有浙江抗日根据地旧址，是省级文物保护单位，本身为清代木结构民居，南厢楼向东为正楼七间，正楼向西为北厢楼，正楼厢楼三间均有檐廊相通。1992年正式定名为浙东革命根据地纪念馆，具有极高的建筑美学价值、历史价值、文化价值和社会价值^[8]。本次是利用无人机摄影测量技术对浙东抗日旧址进行倾斜摄影，首先就是在了解周边无敏感设施以及不是人员密集场所之后结合该村落普遍建筑高度进行航线测绘，为了可以对建筑山墙以及雀尾等建筑或建筑节点进行精确测绘，所以高度应该在保证安全飞行的同时降低飞行高度，并且在倾斜摄影的时候应该增加倾斜航线中倾斜角度的大小因为在无人机飞行高度固定的情况下，航拍的角度越高倾斜面拍摄的范围就越大，同时航拍时航线离航拍物距离越远，所以为了提高航拍精度以及数据的同时对航拍的倾斜角度进行调整，并增加航拍相片的精度。此次测绘就将重写率设定为85%，将高度设置为30米，对该建筑群进行拍摄，并将无人机飞至100米处对该建筑群进行正射拍照，对该古村落进行高空球形全景拍摄。然后应用Context Capture进行内业处理，形成三维空间模型（如图3）。通过模型的真实场景再现，清晰的实时观览文保建筑的情况，同时能够清晰地识别到后楼院落的杂乱问题，有实证根据地进行监督、管理和开展文保工作。

三、无人机低空摄测三维数据精细化

采用多旋翼无人机和手持三轴云台相机分别采集低空和地面的多视角影像，通过Context Capture软件对来自地面、低空的多视角影像分别进行空中三角测量和区块合并，形成基于多角度拍摄影像组织生成的三维影像精细化模型，引用地面激光雷达扫描仪，应用Scenc软件和realworks软件建立空间点云模型，地基点云和空机点云融合形成模型的数据精细化。

以北京市密云河西村为例，河西村地形四面环山，为古代长城内军屯之地，同时河西村也是具有古老文化，大量传统建筑古迹的古村落，具有深厚的文化底蕴以及历史风貌，本次是对河西村基础数据采集以及三维实景模型制作，所以针对本次需求制定了实际方案。

针对村庄的数据采集较为高效的方式就是利用无人机搭载倾斜五镜头相机的方式对该村村域内进行大面积、低空、高精度倾斜摄影，对地势起伏较大的片区进习手动飞行与无人机地面站航点飞行相结合的方式进行数据采集，由于当地大量建筑为传统古村落样貌，所以楼高平均为5—6米的单层硬山顶建筑，所以对扫描来说应该降低无人机飞行高度，达到提高拍摄精度的作用，因为古迹众多，无人机由于飞行高度原因很难达到人视角拍摄所以应该结合地基拍摄也就是通过地基激光雷达扫描与空基倾斜摄影相结合的方式进行数据采集，并针对这一特点，进行空基与地基相结合的三维建模方式。

在内业处理阶段由于结合了地基采集数据可以将数据应用于古建筑测绘，三维建模贴图，在外业技术后利用全景软件将二维全景相片处理成可以VR展示的全景体感模型（如图4），利用Context Capture和PIX4D软件将倾斜摄影数据制作成三维点云模型以及可测绘三维实体模型。建立高精度的矢量模型用于保护研究以及乡村数据资料集的制作。达到不但对古村落建模也同样对单体古建筑进行精细建模，利用VR软件将STL格式文件进行转换可以制作出通过头戴式VR设备进行沉浸式体验。

四、无人机低空摄测三维管理平台精细化

无人机低空摄测三维管理平台是基于无人机搭载倾斜相机对项目地进行航线设定拍摄，再手动飞行无人机對重要的细节进行不同高度不同角度的倾斜摄影拍摄，达到重要节点精细建模。后续生成项目的DOM成果，导出TIFF格式，用于三维管理平台的基础数据，再用ENVI、GIS空间地理信息处理软件，将栅格化TIF文件进行矢量化处理，然后分类处理，分为各类图斑，进行指标管理和三维空间数据管理。

同步利用空基激光雷达对建筑外立面进行点云扫描，并且利用FARO地基激光雷达对建筑内部以及外围进行定点扫描，这样可以直接获取到古建筑内部结构以及檐下木构架结构的精细点云数据。在扫描后将空基激光雷达数据与地基激光雷达技术数据同时导入real work软件进行耦合处理，这样在获取到内部高精度数据同时也获取到建筑外部尤其是顶部高精度数据，做到数据结合的无缝衔接。将耦合后的点云数据进行结膜处理，将点云模型变成实体原比例三维模型，这个模型就是三维管理平台的激光雷达数据。

运用最大似然法对正射影像（DOM）进行监督分类，通过ENVI、GIS空间地理信息处理软件，将栅格化TIF文件进行矢量化处理，然后分类处理，分为各类用地图斑，提取图斑进行对比分析，建设对比图斑包括了合法与非法的建设点，需要根据实际情况对其筛选与分类，对乡村建设进行监督管理^[9]。

上述方法在北京市顺义杨镇多村进行操作，如在汉石桥村宅基地施工和建设过程中，将建构筑物三维模型和GIS管理平台数据库对应，关联建设内容的属性信息，将现状和平台数据信息对比，对应变化，同时分类录入数据库。在使用无人机航测过程中，对比发现的问题和违规建设点，并督促拆迁进度，这些工作通过技术手段为美丽乡村的管理提供依据。

通过倾斜摄影技术构建乡村空间三维模型，简化了一系列乡村现场工作流程。同时，运用GIS，ENVI平台实现了农房建设数据的高效处理与科学管理，同时便于数据的分类存储、查阅、交换与共享^[9]。此外，实景三维模型可为村庄规划、村庄风貌、村庄环境、村庄机理、古建保护等提供数据支持，逐步推进“数字乡村”“智慧乡村”的建设。

五、小结

无人机低空倾斜摄影测量在城乡规划领域已经有了多方面的应用和技术研究，但是基于乡村空间管理精细化研究工作开展较少，多基于个别的传统村落。本文探索在我国大多数乡村中应用乡村空间管理平台，将更加有效地分析我国乡村的发展趋势。同时，结合我国百年大计实现之际和新百年开展之际，进行精细化管理是“美丽乡村建设”和“高质量”发展的趋势，能够对乡村空间进行实时的和定时的空间数据获取和分析，有利于乡村开展有序规划、建设和管理工作。

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Fine Research on Rural Space Management Based on UAV Low-altitude Tilt Photogrammetry

LIU Rui， AN Yifei， LI Weiwei， CAO Hao， YANG Yichen

（Department of Urban Construction， Beijing City University， Beijing 100083， China; Beijing Institute of Cultural Heritage， Beijing Institute of Archaeology， Beijing 100009， China）

Abstract： Under the construction background of beautiful rural construction and high-quality development requirements， based on the unmanned aerial vehicle low-altitude photogrammetry technology， we support the rural space planning and rural space management work， and explore the fast， efficient， economical and convenient refined technical methods. With Hengkantou Village， Liangnong Town， Yuyao， Ningbo， Zhejiang Province， Miyun Hexi Village， Beijing， and Hanshiqiao Village， Shunyi， Beijing as examples， this article introduces the combined application of various data processing software and spatial information management software， and explores the refinement of rural spatial management content based on drone low altitude photogrammetry technology， combined with ground photogrammetry， ground 3D LiDAR scanning and other technical means.

Key words： UAV photogrammetry; rural space; rural planning; rural management; refinement

（責任编辑：侯净雯）

收稿日期：2022-09-25

作者简介：刘蕊（1979-），女，河南人，副教授，硕士，主要研究方向：历史文化遗产保护、城市规划与设计、村庄规划设计。

安逸飞 （ 1996 － ） ，男，北京人，摄影测量员，本科，主要研究方向： 无人机三维建模、激光雷达点云技术、无人机航测技术。

基金支持：本研究受北京高校卓越青年科学家项目（JJWZYJH01201910003010）。