基于无人机倾斜摄影的山地景观规划——以新密市香山村为例

刘正威，王腾飞，靳 焕，贺 丹，雷雅凯

(河南农业大学林学院，河南 郑州 450000)

在国家加速社会主义新农村建设的背景下，大批村庄规划相继完成，乡村人居环境得到极大改善[1]。山地因其丰富的景观多样性和生物多样性，通过合理的建设逐渐发展成为与自然环境协调发展的富有魅力和活力的家园[2]。纵观目前乡村景观规划方法[3-5]，多基于历史遥感影像、历史土地利用图、地形图和大量的现场勘测数据，但山地具有较大的高差，地质结构复杂，给现场测量工作带来极大困难，并对山地乡村后期的规划产生了一定影响。

随着新农村建设的全面进行，一些地区的村庄规划过程中山区村庄和平原村庄无异，缺乏山地特色的问题逐渐凸显[6]。如何因地制宜地进行山地乡村景观规划工作成为了本研究的重点。无人机凭借其高时效性、灵活性、适用环境条件广泛等特点，逐渐成为规划设计前期场地信息观测领域的热点。诸多学者针对无人机在景观设计的行业应用[7-11]、处理过程[12]、基于第三方平台的深入处理[13]等进行了研究，但现阶段针对无人机在景观设计中的应用多集中在各类平面数据方面，对于山地复杂的地形地貌，平面的数据略显单薄。鉴于此，本文应用无人机倾斜摄影的方法，以新密市香山村为例进行基于三维实景模型的乡村景观规划。依据规划区的实际情况，梳理无人机倾斜摄影在乡村景观规划过程中的应用方法，探寻无人机倾斜摄影在乡村景观规划不同阶段最优的应用方式。

1 研究区域与方法

1.1 研究区概况

新密市平陌镇香山村位于东经113°18′34″，北纬34°26′07″(图1)，平均海拔440 m，地形高低起伏，面积约378 hm2。位于郑州市东南部，距新密市政府12 km,自然资源优美，交通便利。属暖温带大陆性气候，四季分明，年均温14.4℃。

图1 区位图

1.2 数据来源

1.2.1无人机影像获取

本研究选取具有厘米级导航定位系统和高性能成像系统的大疆Phantom 4 RTK无人机进行低空摄影测量。该无人机配备具有自动对焦功能有效像素为2 000的图像传感器，以及高精度防抖云台，最大水平飞行速度50 km/h，单次续航时间30 min。为保证数据精度，本次飞行设置旁向重叠率70%，航向重叠率80%，共获取554幅影像，无人机作业时间选取上午10时，微风天气状况良好。

1.2.2无人机影像处理

本次数据处理选用Bently公司的Context Capture Center软件和芬兰赫尔辛基Terra Solid Oy公司的Terra Solid软件处理，Context Capture Center主要用来分析来自不同视点的静态主体照片，自动读取无人机影像的POS数据，进行空三解算，通过进一步的几何校正、联合平差、点云生成、点云加密、TIN三角网格构建、纹理映射等处理，生成测区内实景三维模型、数字正射影像(DOM)、三维点云、数字地表模型(DSM)[14]。Terra Solid软件对点云进行异常值提出、点云滤波、数据拼接、点云分类输出，生成数字高程模型(DEM)[15]。无人机影像处理的具体流程如图2所示。

图2 无人机遥感影像处理流程

1.3 技术路线

研究技术路线分为3个步骤：1)无人机数据采集处理；2)数据分析，将无人机倾斜摄影处理获取的正射影像(DOM)、数字高程模型(DEM)、三维实景模型等基础数据通过ArcGIS软件进行分析，得到贴合场地现状的数据；3)基于数据分析成果的山村景观规划，形成最终的香山村规划设计成果。

2 结果与分析

2.1 无人机影像拼接成果及精度检验

通过Context Capture Center软件生成实景三维模型、数字正射影像(DOM)、三维点云、数字地表模型(DSM)，通过Terra Solid处理生成数字高程模型(DEM)，将各类数据添加至ArcGIS中，依据原有研究区域边界进行裁剪，将各种类型成果进行整理保存(图3)。

无人机遥感影像成果精度检验是无人机应用过程中必不可少的环节[16-18]。本次摄影测量通过Context Capture Center软件进行空三解算后生成的精度报告显示，共提取同名点156 688个，地面分辨率范围为0.095～0.29 m，符合项目设计的分辨率需求。

2.2 基于无人机倾斜摄影成果的场地分析

2.2.1土地利用分析

土地利用是长期人类活动与自然过程共同作用产生的结果，能有效反映当地地表资源和自然环境[19]。研究区域正摄影像解译如图4所示，各类用地分别为：道路用地面积9.836 hm2,占所有用地的2.6%；基本农田77.736 hm2，占20.56%，多分布于道路两侧；建筑用地11.783 hm2，占3.11%，均临近道路分布；林业用地277.54 hm2，占73.42%，分布于较为陡峭或人们难以到达的区域；水域面积1.106 hm2，占0.3%，分布于农田或林地中，满足灌溉用水的需求。

2.2.2地形地势分析

1) 高程分析

高程是地形地貌中最直观的表现形式，高程变化影响气候变化，进而影响植被的分布情况[20]。运用ArcGIS空间分析工具对斜摄影获取的数字高程模型(DEM)进行分析(图5)，项目区海拔191.028～536.699 m，结合用地类型分析图得出：居民沿道路分布在整个项目区内，基本农田多分布于海拔354～236 m的缓坡区域。

2) 坡度坡向分析

地形因子是研究区域的背景和骨架，对场地生态环境和景观品质起着重要的影响作用[21]。而坡度坡向则是决定地表面局部地面接收阳光和重新分配太阳辐射量的重要地形因子，直接造成局部地区气候特征差异，影响各项农业生产指标。

图3 无人机倾斜摄影成果

图4 土地利用分析

图5 高程模型(DEM)分析

坡度坡向分析如图6所示，通过统计分析得出，项目区坡向以北方和东北方向为主，占总面积的51%。

图6 坡度坡向分析

结合坡度图和用地类型分析图发现，研究区域内坡度坡向因子直接影响了农田、地表植被、建筑和道路的分布情况。

3) 汇水量分析

水体是构成特色景观的重要元素，汇水区更是关系到研究区域内山洪暴发和水系联通的重要功能，对研究区域的生态安全构建有着重要意义。提取合理的汇水区对场地的数据分析、数字化管理和自然灾害预测均能起到促进作用[22]。基于高分辨率的数字高程模型(DEM)结合通过无人机影像解译出的现状水体分布进行汇水量分析(图7)，研究区域内地表径流由山体表面逐渐汇集到低洼的山谷地区。

图7 汇水量分析

4) 生态敏感性分析

山地由于其地貌复杂、垂直高差大，在进行景观规划过程中有较大的开发难度，且山地生态系统敏感性高，在建设过程中一旦遭破坏将很难恢复[23]。研究区域作为典型的浅山区，地形起伏明显，野生植被丰富，选取高程、坡度、坡向和用地类型、汇水区域5项基本要素对场地进行生态敏感性分析。通过文献查阅和实际用地类型情况比对，研究区域内高程较高的区域生态敏感性最高，应予重点保护；坡度较大的区域直接对自然环境和地表雨水径流有重要影响，在建设开发时予以避让。

3 香山村山地景观规划设计

3.1 香山村现存问题

通过无人机正射影像结合三维实景模型分析，香山村目前以大面积的原生林地为主，由于山区地形复杂，缺少前期建设规划，农田沿地形散乱分布，山村内零星分布1～2层居民住宅建筑，土地利用效率不高；山地景观资源优势未得到很好发掘，人工天际线与自然天际线之间层次感不突出；生活污水和垃圾对自然环境造成污染；道路基础设施滞后，无路灯，缺少村民健身休闲场所。

3.2 基于三维实景模型的香山村山地景观规划设计

高低起伏的地形赋予研究区域立体的景观纬度，为居民提供了多样化的景观资源。同时也使得适用于常规平原地区的景观营造方法难以在研究区域中直接运用。在山地景观营建过程中，应顺应当地的自然地貌、山水形态进行合理规划，突显当地真山真水、好山好水的自然特质。本文利用高时效性的三维实景模型进行规划设计，期望探寻山村与山地景观相协调的实现途径。

3.2.1景观生态规划及总体布局

香山村景观生态规划在基于无人机倾斜摄影成果分析的基础上，形成“一轴一心多点”的景观生态格局(图8)。“一轴”指以研究区域内现状的主要道路为依据构成的联通村落各处的自然景观轴线；“一心”指依据中部自然地貌，对现状农田进行整合而建立的梯田景观核心，“多点”指在西北部依据现状地形设置的山地自然景观区，西部依据原有村落设置居民聚居区；西南部依据原香山庙基址设置俯瞰整个规划区域的香山庙景观核心，东南部山谷地带以其丰富的植物资源为依托设立生态体验区，东部依据其天然汇水区的自然优势营造富有山地景观特色的文旅集市，东南部依据其便利的交通和富庶的土地设立农业生产示范区，提高居民收入。通过景观规划和整合利用原有地形地貌，形成契合景观轴线、人文气息和浓厚自然气息的山地景观生态系统。

图8 香山村景观生态规划总体布局

3.2.2香山村天际轮廓线设计

对于研究区域而言，天际轮廓线是由自然山体构成的背景轮廓线和远近不同、高低不等的建筑构成的人工轮廓线2部分构成[24]。基于三维实景模型梳理现状天际轮廓线发现，现阶段村落背景轮廓线清晰，人工轮廓线零星分布、略有起伏。在本次天际轮廓线设计过程中(图9)，对背景山体轮廓线进行重点强化和勾勒，研究区域内部山地进行“留白”处理，保护原生植被，清除在具有景观标识的山丘、山脉前的遮挡物，使之在整个山体景观立面中凸显出来，同时顺应山地原生地貌的起伏变化，结合不同区域人工建筑空间位置进行分区，丰富人工天际线层次，使之形成高低错落的景致。

图9 香山村天际轮廓线设计策略

3.2.3香山村山地景观规划设计

依据《中华人民共和国城乡规划法》，本着集中利用土地，提高土地利用效率的原则，以香山村实际情况为基础，对村庄进行规划设计[25]。主要规划项目包括：依据现状地形地貌规划的生态林区、梯田景观、观赏林海、耕读农场；以原有用地为基础强化香山庙景观并设立山居别墅、山川乡落、乡村旅居、生态果园，针对研究区域内部基础设施滞后现状，设置四季书社丰富乡村居民生活，另外，对乡村道路进行规划联通、道路亮化建设、乡村特色景观强化，改善乡村产业布局，研究区域景观规划平面图如图10所示。

图10 香山村山地景观规划平面图

目前三维实景模型在风景园林规划设计中的应用多基于GIS平台，经过尝试发现，通过3D MAX的MES插件可将OBJ格式的三维实景模型转换为SketchUp、Lumion等可识别的skp格式文件。在平面规划图的基础上，结合转换过的三维实景模型，制作规划区的局部效果图(图11)，为后期的建设施工提供依据。

图11 香山村局部效果

4 讨论

本文以大疆Phantom 4 RTK无人机对新密市香山村采集的影像资料为基础，以无人机影像处理软件Context Capture Center为平台，获取研究区域内正射影像(DOM)、数字高程模型(DEM)、三维实景模型，并在此基础上对研究区域进行规划设计。研究表明：无人机倾斜摄影测量是解决乡村山地景观规划中地貌复杂、垂直高差大、生态敏感、天际轮廓线杂乱等问题的有效方法。具有精度高、时效性强、成本低廉等优点。通过三维实景模型的格式转换，为无人机在山地景观规划中的应用搭建了桥梁，为今后我国山地乡村规划提供有益的思路，该方法具可操作性和较强的使用性，对于今后的山村景观规划工作有一定的参考意义。

基于无人机三维实景模型的山村景观规划方法较之前的规划方法有明显的优势：1)无人机倾斜摄影在山地景观规划过程中的价值得到了肯定，且规划效率较之前的方法有很大的提高。2)在规划设计过程中可随时查看三维实景模型，剖析场地现存问题，可针对实际情况对规划现状进行调整，省去了繁琐的现场勘查步骤。通过对比分析发现，倾斜摄影技术在山地景观规划中应用仍存在一些问题，在香山村实景模型制作过程中，实景模型地面分辨率较李加忠等[13]所制作的三维模型要低，原因是本次实验区域地形复杂，飞行高度设定相对较高，导致照片获取量少，纹理信息获取不够充足。随着数据获取手段的进步，若与近景摄影、激光雷达数据相结合，将会有效提升三维实景模型质量[26-28]，为山村精细化景观规划和中国城镇化发展提供有效助力。