楊 陽

唐曉嵐*

詹巧巧

賈艷艷

李哲惠

1 背景

1.1 無人機航拍航測技術(shù)

無人機航拍航測技術(shù)是以無人機為空中平臺，搭載一個或多個遙感設備，通常在1 000m以下高度從多個角度記錄航拍圖像與影像信息，最后利用計算機處理、制作和儲存數(shù)字化成果的新技術(shù)[1]。1917年，第一架由無線電控制的無人機“Ruston Proctor Aerial Target”登上歷史舞臺，當時無人機的研發(fā)主要應用于軍事航空領域。隨著現(xiàn)代數(shù)字化技術(shù)與無人機技術(shù)的發(fā)展，各種小型、高精度、低成本的遙感器和無人機被不斷研發(fā)出來，無人機系統(tǒng)的各項性能不斷完善，并逐步被應用于偵查監(jiān)視、救災搶險和民用遙感領域[2]。近幾年，國內(nèi)的大疆等無人機民營企業(yè)及無人機科研技術(shù)的崛起，使無人機航拍航測技術(shù)越來越受到各行各業(yè)的青睞。

1.2 無人機航拍航測技術(shù)的應用普及

早期的無人機航拍航測主要應用于地質(zhì)測繪、天氣預報、森林火災監(jiān)測、海洋監(jiān)測，以及冰川消融等科學研究[3-4]，隨著技術(shù)的發(fā)展與普及，這一技術(shù)已得到較大幅度的推廣應用。在礦產(chǎn)和地質(zhì)等工程領域，人們能夠直接利用無人機遙感的矢量地形數(shù)據(jù)制成高精度地物模型，用以精細調(diào)查發(fā)現(xiàn)相關(guān)問題[5]。在水利工程中，無人機可以為大型水利工程提供安全監(jiān)測，調(diào)查土壤侵蝕程度，完成水土保持工作[6]。在森林管理領域，無人機搭載激光雷達可以獲取植被生長勢信息，提高森林監(jiān)測的準確性[7]。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領域，無人機低空航拍可以獲取農(nóng)作物的生長和營養(yǎng)狀況信息，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供技術(shù)支撐[8]。無人機還可以為電力電網(wǎng)的定期及應急巡視等安全監(jiān)測提供有力支持[9]。此外，目前中國已有北京、上海、武漢等多個大城市開展了基于無人機航拍航測技術(shù)的三維地圖研究和生產(chǎn)工作[10]，無人機航拍航測在城市空間規(guī)劃、輔助決策與可視化等方面得到了相應的應用。

1.3 無人機航拍航測技術(shù)在風景園林專業(yè)中的應用

無人機航拍航測的遙感影像數(shù)據(jù)可以準確地對調(diào)查場地進行分析，為園林方案的規(guī)劃設計提供資料依據(jù)[11-12]。在園林綠化中，采用無人機遙感影像和數(shù)字圖像分割技術(shù)可以實現(xiàn)植物三維綠量的定量分析[13]。在景觀生態(tài)學領域，也有學者將這一技術(shù)用于分析景觀格局的時空變化[14]。此外，無人機航拍航測在古典園林的三維激光掃描測繪中也有了一定的應用[15]。

圖1 研究技術(shù)路線

1.4 應用無人機航拍航測展開傳統(tǒng)聚落調(diào)查的目的

傳統(tǒng)聚落是我國建筑文化的重要歷史遺存，記錄、保存好傳統(tǒng)聚落數(shù)據(jù)資料具有非常重要的意義。住房和城鄉(xiāng)建設部、文化部、財政部曾在《關(guān)于做好2013年中國傳統(tǒng)村落保護發(fā)展工作的通知》中提出將建立“一村一檔”作為傳統(tǒng)聚落保護發(fā)展的重要任務之一；馮驥才教授也認為每個傳統(tǒng)聚落都應有自己的檔案。從現(xiàn)實情況來看，現(xiàn)階段急需采取多種方式方法，從不同層面搜集、整理和保存這些數(shù)據(jù)信息，摸清我國傳統(tǒng)聚落的家底。

傳統(tǒng)聚落的調(diào)查通常采用田野調(diào)查法[16]，即深入調(diào)查地，以人工參與觀察和訪談的方式收集資料，通過對這些資料進行定性分析，進而去理解和解釋一些問題。這種方式通常耗費大量的人力、物力、財力和時間，使得野外調(diào)查往往停留在人工階段，系統(tǒng)性、綜合性較弱，難以滿足傳統(tǒng)聚落檔案資料建立等工作的新時代要求。在5G時代、大數(shù)據(jù)和智慧城市的大背景下，傳統(tǒng)聚落的保護急需高新數(shù)字技術(shù)作為支撐，引領行業(yè)發(fā)展，推動信息的數(shù)字化、互聯(lián)網(wǎng)化和全民共享性。

基于上述反思，本研究旨在運用無人機航拍航測技術(shù)解決上述問題，研究技術(shù)路線如圖1所示。研究的主要目的如下：1)分析無人機低空航拍航測技術(shù)在傳統(tǒng)聚落調(diào)查中的優(yōu)勢與應用前景；2)以南京市老門東為例，通過無人機航拍航測獲取多種數(shù)字化成果；3)以案例為支撐，將無人機航拍航測技術(shù)與傳統(tǒng)田野調(diào)查法相比較，闡述無人機調(diào)查的優(yōu)勢與運用價值；4)對該技術(shù)的推廣普及從4個方面提出相應的建議。

2 無人機航拍航測技術(shù)的設備與方法

無人機航拍航測系統(tǒng)主要由無人機平臺、飛行控制系統(tǒng)、數(shù)字遙感設備和數(shù)據(jù)處理軟件4個部分組成。常見的無人機平臺種類繁多，按飛行方式可分為固定翼型、旋翼型和復合型，最常用的無人機平臺是小型多旋翼無人機。飛行控制系統(tǒng)一般利用常規(guī)線性控制和單獨導航的方法完成無人機的飛行過程，對飛行穩(wěn)定性、數(shù)據(jù)傳輸和遙感數(shù)據(jù)獲取起著關(guān)鍵作用。數(shù)字遙感設備主要包括小型機載激光雷達、多光譜照相機和高光譜影像儀等數(shù)字遙感設備。數(shù)據(jù)處理軟件目前主要有Agisoft photoscan、Bentley Context Capture、Pix4Dmapper、MicMac、Menci APS和Altizure。

無人機航拍航測前應首先關(guān)注天氣氣象并檢查無人機的設備性能；其次選擇合適的調(diào)查地點、飛行操控位置，確定無人機航測路線；然后起飛，利用遙感設備采集遙感影像數(shù)據(jù)；最后通過計算機數(shù)據(jù)處理軟件進行后期數(shù)據(jù)分析。

3 新時代背景下無人機應用于傳統(tǒng)聚落調(diào)查的優(yōu)勢及前景

3.1 優(yōu)勢分析

無人機低空航拍航測具有以下優(yōu)勢：1)調(diào)查資料快捷方便，非專業(yè)人員通過短期快速學習也可以操控飛行系統(tǒng)；2)設備系統(tǒng)具有低成本性，且調(diào)查時人力成本投入較少；3)操作機動性、靈活性和安全性強，在光照不足的陰天或是夜間，也可以完成航拍航測任務；4)數(shù)據(jù)獲取周期短、時效性強，數(shù)據(jù)采集完成后可以立即導入計算機處理；5)可多角度獲取高分辨率數(shù)據(jù)，彌補了衛(wèi)星遙感和普通航空攝影受云層、高層建筑物遮擋的缺陷；6)具備科研優(yōu)勢，具有無人機野外調(diào)查經(jīng)驗的人員今后可以成為本行業(yè)的優(yōu)勢人才。

3.2 應用前景

無人機航拍航測技術(shù)應用于傳統(tǒng)聚落調(diào)查保護的前景主要包括以下幾個方面。

3.2.1 利于數(shù)字化系統(tǒng)性地收集調(diào)查地資料

田野調(diào)查的資料一般多為人工的、凌亂的、發(fā)散的照片與文字記錄材料，后期需要細心分門別類地整理。因人工調(diào)查的片面性和主觀性，容易造成數(shù)據(jù)資料豐富的假象。無人機航拍航測技術(shù)有助于從中觀、宏觀層面系統(tǒng)性地收集調(diào)查地數(shù)據(jù)，對傳統(tǒng)聚落的山水格局、植被資源、水文水系、空間形態(tài)、街巷肌理、公共空間、民居建筑、水利設施，以及防御設施等信息展開全方位、多視角調(diào)查，也可以對居民的風俗習慣、節(jié)日活動、傳統(tǒng)技藝進行實時航拍記錄。這些數(shù)據(jù)資料能夠為傳統(tǒng)聚落生態(tài)、歷史、文化和美學價值的保護形成持續(xù)記錄的數(shù)字材料。

3.2.2 推動資料形成網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫、數(shù)字博物館

無人機航拍航測的遙感數(shù)據(jù)與非遙感數(shù)據(jù)之間具備一定的兼容性，可以實時存儲于數(shù)據(jù)管理平臺和云系統(tǒng)中，形成網(wǎng)絡大數(shù)據(jù)庫。2017年起，住房和城鄉(xiāng)建設部已研究運用這項技術(shù)構(gòu)建我國國家級傳統(tǒng)村落數(shù)字博物館，目前已有22個省的200多個國家級傳統(tǒng)村落完成數(shù)字化入館工作。這些數(shù)字化資料便于進一步加強傳統(tǒng)聚落的傳播展示，有助于傳統(tǒng)聚落的更新、復興與改造活化。

3.2.3 突破傳統(tǒng)檔案思路便于多部門共享合作

無人機遙感獲取的數(shù)字化資料能夠突破傳統(tǒng)檔案管理的思路，改變以往照片等紙質(zhì)化材料難以共享的狀況。這些信息數(shù)據(jù)可以便捷應用于傳統(tǒng)聚落保護發(fā)展的各類相關(guān)規(guī)劃、政策和管理制度的制定，為各地住房和城鄉(xiāng)建設廳(局)、文物局、文化遺產(chǎn)管理局，以及文化和旅游局等部門的工作提供支持。

3.2.4 為旅游開發(fā)實時動態(tài)監(jiān)測提供技術(shù)支撐

通過旅游開發(fā)為傳統(tǒng)聚落的保護與更新提供資金支持已經(jīng)成為一種重要方式。然而，多數(shù)旅游開發(fā)的項目存在破壞性利用的問題，主要原因在于旅游項目選擇、設施布置、計劃安排等方面與保護管理之間存在矛盾。無人機航拍航測能夠給相關(guān)監(jiān)管部門的管理工作提供實時動態(tài)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，解決人工普查費時、費力、費財和滯后性等問題。

圖2 無人機低空航拍航測的設備及航線(A-DJI Mavic pro 2無人機；B、C-無人機控制軟件Altizure及其操作界面；D-無人機航拍航測的拍攝點及航線)

圖3 老門東傳統(tǒng)聚落的無人機調(diào)查(A-無人機起飛現(xiàn)場；B-老門東正射影像圖；C-老門東數(shù)字高程圖；D～F-無人機采集的高分辨率圖像)

4 無人機航拍航測在傳統(tǒng)聚落調(diào)查中的應用

4.1 研究區(qū)概況

老門東傳統(tǒng)聚落位于南京市老城南端，因坐落在中華門東側(cè)而得名。自明代開始，這里就發(fā)展成為江南地區(qū)的商貿(mào)經(jīng)濟中心，清朝年間，眾多文人墨客在此修建宅院，老門東逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榫用窬幼〉亍，F(xiàn)存的老門東傳統(tǒng)聚落范圍主要為南京市規(guī)劃局公布的《三條營歷史文化街區(qū)保護規(guī)劃》和《雙塘園歷史風貌區(qū)保護規(guī)劃》所涵蓋的地區(qū)，東至江寧路、西靠中華門、南抵明城墻、北起長樂路(圖2D)。老門東基本保存了原歷史舊貌的街巷肌理，由主街兩邊伸出次級街巷，構(gòu)成“非”字形，具有多、長、直、窄的特點。建筑延承的是明清時期磚木結(jié)構(gòu)的建筑風貌，為院落民居形式。蔣壽山故居、上江考棚舊址、周處讀書臺和傅善祥故居等多處歷史建筑遺址散布其中。

自20世紀80年代起，老門東經(jīng)歷了“改造”“復興”“保護”3次重要的規(guī)劃改造[17]。然而，目前改造后的老門東依然存在不足之處，如商業(yè)化的旅游開發(fā)模式，使老門東存在著違章搭建現(xiàn)象，破壞了整體風貌。因此，本文選取老門東傳統(tǒng)聚落為研究對象，采用無人機航拍航測這一新技術(shù)方法，開展研究區(qū)調(diào)查，為后期的保護規(guī)劃及管理工作提供數(shù)字化資料。

4.2 航拍航測調(diào)查的方法

本次調(diào)查使用的是我國大疆創(chuàng)新科技有限公司生產(chǎn)的Mavic pro 2無人機，航拍航測區(qū)域面積范圍約為260m×300m。調(diào)查時間為2019年7月某日14：00左右，當天天氣晴朗，風速1～2級，PM2.5優(yōu)。飛行預設的相對高度為200m，共布置了21條航線(橫向10條、縱向11條)，相機傾斜角為45°，航向重疊率設定為70%，旁向重疊率為45%，飛行速度為5m/s，航拍間隔時間5s。使用Altizure軟件控制無人機在規(guī)劃航線上執(zhí)行飛行任務，共獲取297張高清原始遙感圖像(圖2)。

4.3 航拍航測調(diào)查的數(shù)字化成果

在軟件Pix4Dmapper中，由遙感圖像進行正射拼接得到研究區(qū)正射影像圖(圖3B、D～F)和數(shù)字高程圖(圖3C)。根據(jù)遙感數(shù)據(jù)進行空三加密運算，生成測繪區(qū)的點云數(shù)據(jù)，再依據(jù)圖像紋理的自動映射，構(gòu)建出老門東傳統(tǒng)聚落的高品質(zhì)數(shù)字地表模型(圖4)。數(shù)字地表模型可以結(jié)合ArcGIS軟件進行三維瀏覽，通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)(VR)對老門東進行三維實景的沉浸體驗。

圖4 老門東傳統(tǒng)聚落數(shù)字地表模型

表1 外業(yè)數(shù)字測圖技術(shù)規(guī)程中地物點平面位置精度要求(GB/T 14912—2005)

5 無人機航拍航測與傳統(tǒng)田野調(diào)查方法相比的優(yōu)勢與運用價值

在本案例中，將無人機航拍航測與傳統(tǒng)田野調(diào)查法相比較，就調(diào)查方式、精度效果、調(diào)查成果及運用價值方面展開具體分析。以案例為支撐、以對比為核心，闡述無人機低空航拍航測調(diào)查的優(yōu)勢與運用價值。

5.1 調(diào)查方式

此次無人機航拍航測老門東野外作業(yè)共由2名專業(yè)人員展開，總時長約為2h，后期由1名數(shù)據(jù)處理人員進行計算機數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)處理總時長約為5h。早前，在對老門東展開田野調(diào)查時，需5～10名人員依據(jù)調(diào)查目的展開不同角度的野外調(diào)查，如古樹名木資源調(diào)查、水體水系調(diào)查、街巷肌理調(diào)查等，時間通常為半天至一天，野外調(diào)查完畢后，仍需2～4名人員花費約1周時間整理不同類別的調(diào)查資料，并錄入計算機。從調(diào)查方式上看，無人機航拍航測在調(diào)查時間、人力消耗和數(shù)據(jù)獲取便捷性上具有一定優(yōu)勢。

5.2 精度效果

以無人機調(diào)查的老門東數(shù)字地表模型為基礎，構(gòu)建空間三維坐標系，選擇12處地物點做坐標位置精度分析。結(jié)果顯示，平面位置X坐標的中誤差為0.017，Y坐標的中誤差為0.093，二者均小于0.15，滿足外業(yè)數(shù)字測圖技術(shù)規(guī)程(GB/T 14912—2005)中不同比例圖紙的精度要求。Z坐標的中誤差為0.071，滿足1:500高程地形圖中平地0.5m等高距的1/3精度要求，同時也滿足1:1 000、1:2 000外業(yè)數(shù)字測圖技術(shù)規(guī)程要求(表1)。在數(shù)字地表模型中選擇了6處不同位置的主體建筑(具體位置見圖3B)，測量了主體建筑物的長度、寬度與高度，并與使用地面便攜式測距儀在現(xiàn)場相同位置測得的數(shù)據(jù)進行比對，用以驗證數(shù)字地表模型是否滿足建筑物的測量精度要求。結(jié)果顯示，建筑物長度中誤差為0.030，寬度中誤差為0.088，高度中誤差為0.019，三者均小于0.15，滿足不同外業(yè)數(shù)字測圖技術(shù)規(guī)程高精度測量的需求?；诘匚稂c坐標位置及建筑物測繪精度分析，此次無人機航拍航測的老門東數(shù)據(jù)滿足野外數(shù)字測繪數(shù)據(jù)的高精度需求。

5.3 調(diào)查成果

無人機低空航拍航測的老門東數(shù)據(jù)成果，按照表達形式可以分為數(shù)字化文字、二維圖紙、三維模型、照片、視頻影像、統(tǒng)計數(shù)據(jù)圖表及報告等。而早期田野調(diào)查獲取的老門東成果，則主要是以文字記錄材料、報告、照片和視頻為主。無人機低空航拍航測可以直接得到老門東的正射影像圖、數(shù)字高程圖、數(shù)字地表模型，以及數(shù)字線劃圖等數(shù)據(jù)成果。其中，正射影像圖內(nèi)含遙感色彩數(shù)據(jù)，能夠在ENVI、Erdas軟件中進行地物信息的監(jiān)督識別。在數(shù)字地表模型中，對三維點云進行描繪、切片等處理可以得到建筑單體的平面、立面、剖面等數(shù)字線劃圖成果，這些是傳統(tǒng)田野調(diào)查方法難以便捷獲取的資料。

5.4 運用價值

目前用于無人機機載的遙感設備愈加多元，獲取的遙感信息種類大幅增加，航測數(shù)據(jù)的精度與范圍大幅增長，數(shù)據(jù)類型更加多元化。此次無人機調(diào)查的老東門遙感數(shù)據(jù)，可在今后與多種信息管理軟件相結(jié)合，對研究區(qū)的自然資源信息、社會歷史信息、建筑基礎信息、物理環(huán)境信息，以及游客行為信息展開分析與記錄。對于遙感數(shù)據(jù)的深度挖掘，可以擺脫傳統(tǒng)田野調(diào)查文字記錄、照片視頻記錄等人工調(diào)查資料的局限性，得到更多的信息數(shù)據(jù)。例如，將所得的研究區(qū)數(shù)字地表模型用于山水格局、街巷和水系格局的分析，可以得到區(qū)域規(guī)劃層面的信息成果；將所得的研究區(qū)物理環(huán)境數(shù)據(jù)用于微氣候的模擬分析，可得到區(qū)域的熱環(huán)境、風環(huán)境等數(shù)據(jù)；將所得的老門東數(shù)字高程圖導入ArcGIS軟件，可以進行研究區(qū)高程、坡度、坡向和日照等數(shù)據(jù)的分析。

6 無人機航拍航測技術(shù)應用的推廣普及

當前無人機系統(tǒng)的應用仍在一定程度上受制于技術(shù)水平、政策法規(guī)及社會環(huán)境等因素的制約?；跓o人機低空航拍航測技術(shù)的應用前景分析、實際調(diào)查，以及與傳統(tǒng)田野調(diào)查方法的比較分析，本研究希望這一新技術(shù)能夠發(fā)揮出更多重要作用，并對該技術(shù)的推廣普及提出以下幾點建議。

1)技術(shù)發(fā)展。目前，我國市場上約有400家無人機制造商，中國已成為全球最大的無人機生產(chǎn)國，無人機的性能優(yōu)勢愈發(fā)凸顯。不過，由于眾多傳統(tǒng)民居聚落分布于我國不同地形地貌、不同氣候和不同尺度條件下的客觀環(huán)境之中，用于山區(qū)丘陵地、寒冷地、大面積地域等復雜作業(yè)環(huán)境的無人機系統(tǒng)仍需進一步改進其升降、負載、續(xù)航、避障、增穩(wěn)和通信等性能，并提升機載遙感設備性能，以技術(shù)提升滿足更多實際需要。

2)政策保障。近年來，有關(guān)無人機的政策文件頻出，數(shù)量逐年遞增，例如《民用無人機空中交通管理辦法》《民用無人駕駛航空器系統(tǒng)駕駛員管理暫行規(guī)定》《低空空域使用管理規(guī)定(試行)》等。然而這些文件多為與人機操作、交通管制相關(guān)的規(guī)定，對于無人機的普及教育、培訓規(guī)范、數(shù)據(jù)版權(quán)等相關(guān)規(guī)定較少。因此，相關(guān)部門應適時完善無人機行業(yè)的標準、法規(guī)與政策，推進無人機技術(shù)與遙感信息數(shù)據(jù)的全民共享。

3)部門支持。各地各級地方職能機構(gòu)、科研單位應結(jié)合無人機技術(shù)培訓，提升專業(yè)人員的知識技術(shù)水平。采取切實有效的措施，多層面鼓勵、吸引和支持管理部門、高等院校、科研院所、社會企業(yè)等單位，全面、系統(tǒng)、深入地開展無人機的應用實踐?；跓o人機+大數(shù)據(jù)+互聯(lián)網(wǎng)理念，推出優(yōu)秀的科研成果、研究案例和經(jīng)驗總結(jié)，為不同領域提供智庫支持。

4)學科建設。在5G時代、大數(shù)據(jù)和“智慧城市”大背景下，風景園林學科的發(fā)展急需高新數(shù)字技術(shù)作為支撐。目前本學科人員使用較多的是無人機簡單的航拍技術(shù)，而航測技術(shù)由于操作復雜，后期數(shù)據(jù)處理所需的專業(yè)知識多且深，并未普及?？傮w而言，無人機的技術(shù)應用處于一種初級滯后階段，因此建議將無人機航拍航測技術(shù)作為一門新興課程納入風景園林學科的課程改革，以學科建設推動技術(shù)應用。

注：文中圖片均由作者繪制。