无人机倾斜摄影的三维重建技术在乡村景观设计中的应用

邱 峰 刘微微

建设美丽乡村是我国乡村振兴政策的重要目标。在传统乡村景观设计中，设计师通常需要进行多次现场调研，内容包括村庄基本情况、周边概况和场地条件等。由于场地范围较大，调研时要投入大量人力和物力，导致设计周期较长，前期投入成本较高。

随着数字技术的发展，民用无人机逐渐进入消费市场。利用无人机倾斜摄影获得带有坐标的多图像影像，可获取空间尺寸数据并构建三维空间模型，还原真实场地情况。一些研究者已在乡村振兴项目中应用无人机技术。如吴宁博士及其研究团队利用无人机摄影技术开展了大量应用实践，用无人机自动场地巡视和古建筑三维保护等。通过无人机航拍技术，采集了浙江省部分乡村的影像和数据，有效验证了无人机倾斜摄影在乡村规划和古建筑保护领域的积极作用。

虽然许多景观设计团队用无人机进行前期设计调研，但主要用于场地观察，并未涉及三维空间模型的应用。目前，基于无人机摄影三维重建技术的乡村景观设计，仍然处于探索阶段，主要原因是缺乏专业无人机航拍人员和三维空间数据处理工程师，不重视数字化技术和新媒体技术的应用。

1 无人机倾斜摄影的三维重建技术

无人机倾斜摄影三维建模是近年来无人机技术的发展成果。该技术一方面通过无人机飞行器的高清摄影头，分别从5 个不同角度采集指定空间范围内的对象数据。采集位置和角度包括1 个垂直地面的角度和4 个与地面成15°～45°的倾斜角度。采集对象包括空间范围内一切客观存在的物体，如地貌环境、建筑、人物和交通工具等。另一方面，利用影像数据的坐标信息重构三维空间模型。对无人机拍摄的多组影像内容进行剪辑和拼接，生成数字正射影像模型（Digital Orthophoto Model，DOM）和数字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）等[1]。构建出的虚拟三维空间模型不仅有利于设计人员测量数据，而且能够作为直观的三维动态交互系统。

目前，该技术方案已经成功应用于乡村振兴项目，成为乡村景观设计中获取前期资料的一种重要辅助手段，为方案设计提供了更精确的数据资料。为获取更加完整的地物侧面纹理信息，利用无人机搭载的摄像头从垂直和倾斜等多个角度采集影像，同时增加航带间的重叠度，使重叠度达到60%以上。无人机影像和数据处理可以使用倾斜影像数据处理软件，如实景建模CC 软件。

1.1 技术优势

无人机倾斜摄影技术拍摄的影像资料能真实反映空间环境，解决无法还原场地周边环境而导致的设计方案与实际环境脱节的问题。将三维建模技术和无人机倾斜摄影技术有机结合，可以实现技术互补，获得更好的应用效果。

在乡村景观设计过程中，无人机倾斜摄影可准确测量空间尺寸。无人机拍摄的影像带有坐标数据，由影像拼接成的三维空间模型经科学计算，因此模型的误差较小。在传统景观设计过程中，场地数据由人工测量，条件和工具的限制使测量周期较长，且误差较大。利用三维空间模型测量场地数据，既方便又准确。无人机倾斜摄影甚至可采集空间范围内建筑和景观构筑物的材质和纹路，便于景观方案的设计。此外，重构三维空间模型是网格片面化拼接的模型，并非在设计软件中建立的模型，能有效避免模型储存空间过大问题。重构三维模型还可进行压缩处理，易于网络发布[2]。

1.2 实现路径

无人机倾斜摄影三维重建技术包括无人机采集数据和重构空间模型2个主要部分。无人机倾斜摄影三维重建空间技术路线图如图1 所示，详细展示了三维空间模型重建的基本流程。无人机采集数据是指使用无人机采集带有地理空间坐标的图片和数据。本文使用精灵Phantom 4 无人机进行航拍和倾斜摄影，以采集景观空间的相关数据信息并在Altizure 平台上设置无人机的自动航线。航线设置要确保采集的图像和信息完整，而且要保证相邻图像有一定重叠，为后续的三维空间重构奠定基础。

图1 无人机倾斜摄影三维重建空间技术路线图（来源：作者自绘）

将采集的影像和图片导入CC 软件。首先，要检测影像和图片的质量，剔除不合格的影像和图片。其次，根据实际情况选择坐标系和设置算法。最后，在软件中进行空中三角测量计算，提取影像数据的坐标信息进行空间匹配和排列，推算影像图片的空间位置，生成点云图。软件生成点云分布后，开始构建三维模型。在实景照片自动合成模型的过程中，会出现三维模型拉花、破面或垃圾物遮挡等问题，需利用3ds Max 和C4D 等三维软件进行修复。构建的三维模型可以导入不同平台进行展示[3]。将模型导入Acute3D Viewer 软件，可进行模型展示和测量。此外，在模型中融入其他信息内容，可形成数字化可视平台。

2 无人机倾斜摄影的三维重建技术在麻蓬村景观设计中的应用

2.1 数据采集

景观设计场地为浙江省衢州市柯城区石梁镇麻蓬村中心广场。在进行无人机倾斜摄影之前，要调查场地情况，确保无人机能够正常采集数据。探查石梁镇的禁飞区，了解到麻蓬村不属于禁飞区，但属于限高飞行区域，限制飞行高度为120 m。

确定无人机可以正常飞行后，进行场地实地调研，确定无人机航拍的具体范围和高度。根据现场调研，了解到中心广场区域的景观设施初具规模，包括亭廊、水景、植被、雕塑小品及停车场等。

通过现场调研可知，需要航拍的范围东西长80 m，南北长200 m，呈矩形形态分布。航拍区域内无高层建筑，但区域内的香樟树可能会对无人机飞行造成一定干扰，因此将无人机的最低飞行高度设置为60 m 以上。这样既可以躲避飞行障碍物，又可以获得精度较高的影像数据。

2.2 飞行航线任务规划和图像采集

无人机航拍影像的质量对三维建模的精度起着决定性作用，会直接影响三维模型的效果。航拍影像的质量受天气影响较大。在光照强烈的中午进行航拍，会导致影像曝光过度。暴雨或强风天气不但会影响无人机的安全性，导致其失控坠毁，而且会使影像模糊，质量不佳。因此，本次无人机航拍在无风无雨的天气进行，航拍时间选择在09：00。在实际起飞前，要进行飞行前准备和检测，具体操作流程如下：

1）准备和检查飞行设备。一方面要确认无人机的电池电量，若电池电量不足应及时补满，同时准备备用电池。另一方面要检查无人机设备。村庄内有大量村民和游客，为避免无人机发生意外坠毁或伤人，在飞行前要仔细检查无人机螺旋桨是否固定牢固，无人机与手柄连接是否通畅。

2）选定起飞点和降落地点。无人机的起飞点和降落点应设置在较为空旷的区域。麻蓬村中心广场的人流量较大，植被和建筑物较多，不适合无人机起飞和降落。停车场区域的车辆较少，人流量较小，空间较为开阔，具备无人机起飞和降落的条件。

3）设置航测参数。根据三维建模区域的需要，在Altizure 软件中设置无人机的飞行航拍范围、自动航拍路线数量与方向、拍摄影像的倾斜角度与物体重叠度以及无人机高度等技术参数。航拍区域内的物体较为复杂且纹理丰富，因此将本次航拍的影像重叠率设置为85%，以保证后期三维模型的精确度。

4）执行航拍飞行。相关参数设置完毕后，无人机自动执行航拍任务，由操作人员监视无人机的实时飞行情况。在飞行过程中，操作人员需要重点关注无人机的电量和任务完成程度，确保无人机顺利完成预定任务并及时返航。根据三维建模精度的需求，分别设置了60 m、80 m 和100 m 这3 种高度的航拍飞行任务，以获得较为全面的空间数据。

2.3 航拍影像三维空间重建

航拍结束后，根据采集的影像和图像数据进行三维空间重建。由于天气原因可能会造成影像的感光和色彩差异较大，要利用ACDSee 软件对影像和图片进行初筛和处理。本次飞行时间为09 : 00，接近中午时阳光较为强烈，导致部分影像和照片曝光过度，需要调整其感光度，消除曝光造成的图片差异。

在CC软件中导入筛选后的图片，检测图片的坐标信息和完整性。检测无误后打开运算引擎，设置输出格式和运算方式，开始空中三角测量（以下简称空三测量）运算[4]。软件自动对影像图片信息进行匹配、处理和运算，并结合图片的地理坐标数据自动排列。图像匹配完成后，软件视窗中会显示航片的矩阵排列模型。

在空三测量过程中，软件自动计算图片数据信息并结合定位定向系统（Position & Orientation System，POS）提供的影像地理数据，测算每张影像的密集点云数据。在同一空间参考系下，软件会推算出影像的点云位置分布状态，并在三维视图中展示麻蓬村中心广场的区域特征。

空三测量结束后，开始构建三维模型。由于计算机硬件条件限制，要进行分区域建模，以提高建模速度。无人机拍摄影像存在重叠区域，导致实景模型出现水体破面和部分建筑边缘扭曲等问题，需要将模型导入3ds Max 软件进行模型修整。

利用3ds Max 软件修复模型时，要尽量保证空间的完整性和准确性，必要时可去除多余对象，使模型简洁。将修复后的模型导入Acute3D Viewer软件，进行模型旋转和测量。

该三维模型能够反映广场空间周边的真实情况。通过模型可以看到场地范围界线清晰，景观水系依地势而建，路网结构清晰，交通较为顺畅，溪边步行道路植被较多且层次丰富。但是，停车场规划过于简单，未与周边环境形成很好的呼应，而且绿化植被较少，地面硬化较多，缺乏空间过渡。

3 无人机倾斜摄影的三维重建技术存在的问题

近年来，随着无人机技术的发展，利用无人机倾斜摄影进行三维空间重建被越来越多地应用于城市建设规划和土地测量。但是，无人机飞行和三维空间重建还存在一定问题，导致无人机倾斜摄影三维重建具有不确定和不可控的风险因素。

3.1 无人机飞行问题

无人机飞行存在法律风险和飞行安全问题。无人机飞行受到国家管控，设有禁飞区和限高飞行区，并非所有场地都可以无限制飞行。由于飞行管理限制，在无人机飞行前，要向相关部门申报，取得合法的飞行许可后才可以执行飞行任务。

在乡村进行无人机飞行时，要注意飞行安全。由于场地尺度较大，飞行高度较高，无人机与地面飞行手的联系可能出现延时或中断的问题，这会增加无人机与其他物体发生碰撞事故的风险。因此，无人机要具备智能避障功能，尽量减少安全问题的发生。

此外，无人机在极端气象条件下飞行会影响飞行效率和飞行安全。由于无人机自重较轻，因此在风雨天飞行时的稳定性较差，容易受到气流影响，使得无人机出现拍照不稳定、排列不整齐和拍摄模糊的问题，影响图像的准确性和质量。

3.2 三维模型构建问题

在三维空间重构过程中，三维数据的存储、分析和渲染技术有待提高。建立的点云分布多面体模型的坐标系不统一，导致模型的兼容性较差，无法导入部分三维建模软件。基于无人机航拍图像生成的三维点云分布和三维空间模型，数据体量较大，一般的计算机无法完成计算和渲染工作，需要使用工作站的计算机。此外，渲染后的模型面数过多，占用储存空间较大，导入其他软件时会产生卡顿或无法显示，需要借助简化工具将高精度模型变为低精度模型，导致工作效率大打折扣。

4 结语

美丽乡村建设离不开乡村景观的设计和打造，充分调研是开展乡村景观设计工作的前提条件。传统的测量方式和三维软件建模具有一定局限性，设计师需要在前期场地调研上花费大量时间和精力。无人机数据传播和处理技术的提升，能很好地解决乡村景观设计面临的问题，为新农村的建设和发展提供了一种新的思路和方法[5]。无人机倾斜摄影三维重建技术，通过无人机低空飞行采集相关图像，利用CC 软件自动建立三维空间模型，能够有效提高景观设计师的工作效率。该技术可以实现高精度的数据采集，直观且准确地反映场地现状，满足乡村景观规划设计的需求，为乡村景观的规划和设计工作提供依据。