无人机低空摄影及在建筑场地调研中的应用浅析

张成龙 李哲羽

（吉林建筑大学， 吉林 长春 130000）

0 引言

随着建筑设计表现越来越便捷快速，设计工作的难度逐渐减小，建筑设计表现行业形成了突飞猛进式的发展。而作为建筑设计前期的建筑场地调研以及数据资料采集获取工作却与之进步相差甚远，并没有得到跨越式的突破。就目前我国现状而言，相关工作仍依托人工测绘及卫星图像数据获取等方式，与此不同的只是测绘、摄影设备的更新换代。

相对于传统利用大飞机和卫星获得的影像数据，无人机低空摄影是依托微型飞行器为平台，利用高清摄影设备进行实时拍摄，因此具备高效性、实时性、周期短、成本低、高质量及高分辨率等特性。在我国较多的在建筑遗产研究及保护、 国内局部物理环境的信息采样等方向的研究中应用该项技术，但在规划前期查勘、建筑场地调研等方面应用仍稍显欠缺。

通过无人机低空摄影所获取的数据信息正符合建筑场地调研中对建筑主体和建筑所在环境的现实状态信息的采集等相关需求。本文对近年无人机低空摄影技术在我国各个领域中的应用研究进行归纳总结，其中着重阐述了其在建筑领域的应用及实践研究，分析其在建筑场地调研中的需求现状，并在此基础上总结出了无人机低空摄影技术在建筑调研中应用的技术路线与具体方法，最终在实际项目中进行现场调研、信息获取以及全程跟踪记录等工作实践。

1 国内无人机摄影测量研究现状

1.1 国内相关研究综述

笔者在中国知网（CNKI）上，以“无人机低空摄影”为主题检索词进行搜索，其相关论文最早发表于2004 年，即有关“无人机低空摄影”的相关研究在我国已发展17 年，共1000 篇文献，其中期刊论文773 篇、硕士论文180 篇、博士论文18 篇。如表1 所示，自2014 年起发展速度逐年递增，2019-2020 年度进展最为迅猛。

表1 发表年度趋势图（作者根据知网数据自绘）

在对上述文献进行研究层次分析，其中工程技术（自科）方向的相关研究占71.4% 的比例，而基础与应用基础研究仅10.5% 的比例。在学科分布分析中也可得出，测绘学和矿业对此相关研究占比最多，高达62.23%，在建筑领域中的应用研究则相对较少。 “无人机低空摄影”的研究对集中在单一学科的理论应用研究中。

表2 研究层次分布图（作者根据知网数据自绘）

由此可见，国内无人机低空摄影的研究成果较为丰富，但对其应用实践的研究则相对欠缺。这表明无人机低空摄影的应用实践仍处于起步阶段，但只有注重无人机摄影测量的应用实践，才能在应用中查缺补漏，发现不足之处加以改进，从而得到更大的发展及应用空间。

表3 学科分布图（作者根据知网数据自绘）

1.2 无人机摄影测量的当前应用研究领域

无人机的研发最初于1917 年，其主要应用目的为战斗支援。随着战争时代的结束，科技的进步发展，无人机技术的应用范围也变得广泛。近些年，逐渐渗透到生活及科学实验的各个领域，广泛应用于地图测量、灾害监测、精准农业、矿产资源测量、城市重建、历史建筑检测及修复等方面。如图1、图2 所示。

图1 无人机低空摄影技术应用于精准农业

图2 无人机低空摄影技术应用于历史建筑检测及修复

随着无人机使用领域逐步发展普及，依托无人机平台的低空摄影技术及方法也日趋成熟。面对不同的使用需求及多种种类信息的获取，无人机的机型种类及可搭载的仪器功能也日趋强大，可搭载相机、红外成像仪、机载激光扫描仪等仪器。随着应用实践的增多，相关理论研究也逐渐丰富，使得低空摄影技术越来越系统，越成熟，大大扩展了无人机平台的应用范围。

图3 无人机摄影测量系统

图4 “手提箱”式地面控制站

2 无人机低空摄影在建筑场地调研中的应用前景

2.1 无人机低空摄影平台系统构建

无人机低空摄影平台以传统测绘手法为基础，进而构建在空中的、可移动的、适合外部作业的信息采集平台，并且最终将获得较为全面的、系统的、具有针对性的信息。因此对其平台的构建主要由两部分构成：内业系统通过计算机等技术手段进行信息的后期处理。而面对不同的飞行任务，所依托的飞行平台也各不相同。也因此，外业系统相对而言更为繁琐复杂。具体系统建设如表4 所示：

表4 无人机低空摄影平台内、外业系统建设内容

2.2 基于无人机平台的低空信息采集技术的主要优点

由于低空摄影技术主要依托微型飞行器作为飞行平台，与传统的空中摄影技术相比，相关器械便于携带及组装，无需过多人员一同操作，具备高效性，除此之外还具备有表5 所示5 项优势。

表5 基于无人机平台的低空信息采集技术的优点

2.3 在建筑场地调研中的需求现状

建筑场地调研作为整个建筑设计过程中的重要组成部分，其调研活动范围广泛，从城市到乡村，从人工环境到自然环境皆有涉及，因此其工作条件相对也更为艰苦，作业范围大、内容多。更由于我们部分地理信息系统仍不够完善准确，支持稍显匮乏，变相的加大了人工作业量，形成了高人力低工作量的低效率现象。而载人飞行器、卫星遥感等方式成本较高、精度较低，也不能够准确完成任务需求。而建设前期，建设委托方则会希望设计师尽可能的对于建设项目基地环境的潜在资源进行深度挖掘，包括基地内部及周边的环境条件、道路及广场、周围交通、既有建筑等方面。这对于信息采集技术则有了更高的要求，要快速、精确、低成本、全面，为决策提供有力的、科学的依据。

面对这种状况，无人机低空摄影登上了历史的舞台，相较于之前的两种方式，无人机低空摄影所采集信息多处于100—1000m 之间的低、中度高度范围，其低成本、周期短、时效性的特点便显现出来。（如图5）

图5 高空航拍吉林省科技馆

3 无人机低空摄影在建筑场地调研中的实际应用

鉴于当前的现状背景，下文对于无人机低空摄影在建筑场地调研中的实际应用研究主要围绕无人机低空摄影平台整个过程中对于建筑场地调研的图像类信息采集，具体的方法是依靠无人机低空摄影平台，通过静态图像、全景图像、目标环绕图像三种类型的图像类信息采集，对长春市万科翡翠学院售楼处的场地进行调研，辅助设计并跟踪记录施工过程及结果。

3.1 项目相关概况整理阶段

（1）区位分析

本文的调研区域位于吉林省长春市高新技术开发区万科翡翠学院项目内。该项目位于超凡大街与香湾街交汇处，属长春城南八一水库西岸一片开阔的新兴城市区域。项目总占地面积15 万m2，建筑面积22.56 万m2，项目的整体容积率为1.5。调研地块位于该项目最北侧，在售楼处及前广场区域，占地面积约7700 m2。

（2）既有建筑概况

原有建筑为新古典风格多层坡顶洋房产品。售楼处临时借用其中最北侧一栋的首层部分。作为售楼处的现状建筑并没有结合功能的变化在外观上相应调整，而是保留了现状建筑封闭、沉重之特点，与周边的自然环境基本没有形成积极的互动。建筑东侧一路之隔就是八一水库，这是一片非常开阔的自然水岸围绕着的人工湖。从位置和尺度关系上，其实整个住宅用地是被水库自然环境所环绕的。但是站在售楼处前，人们很难感受到自己和自然之间的这种密切联系。

（3）设计要求

要求在售楼处前广场空间快速搭建一个临时性装置，用来重新定义场地和建筑、环境之间的关系，以及重新梳理售楼参观动线。临时性意味着这个装置会短暂地存在一段时间，暂时对现状产生某种影响。而当使命完成后又方便拆除，甚至不留痕迹，这体现了一种“轻盈”的特性，与现状建筑所体现出的沉重感形成一种有趣的对比。面对这样的要求，须从设计初期的场地调研过程开始，到中期装置搭建过程中最后到装置验收以及建筑成果拍摄，整个过程需实时跟踪设计进程及施工质量。

3.2 无人机低空摄影平台建设阶段

（1）无人机飞行平台：依据相关设计及调研要求，本次项目采用大疆Phantom 4 Pro 无人机飞行平台，如图6 所示，为旋翼无人机飞行器，因此可在100m 以下超低空飞行航测，室内室外均不受限制。并且因其内部按有双模定位及感应系统，可自动探测并躲避遮挡，保证飞行期间无人机的安全。其主要参数如表6 所示：

表6 平台主要技术参数

（2）飞行控制系统：飞行控制系统主要配置有DJI，其内部设置GPS/GLONASS 双模，同时配置双冗余IMU 和指南针，保证定位的准确性，减少操作人员数量，进一步提高工作效率。

（3） 地面控制系统：地面控制系统可直接通过手机或ipad 进行操作控制，在其内部安装DJI GO 4 App，如图7 所示，配合机身内置的Lightbridge 天空端，稳定传输图片及影响等高分辨率数据，保证信息采集的实时性。在城市环境及郊外开阔环境内均可高效完成飞行器的各种操作。

图6 大疆Phantom 4 Pro 无人机飞行平台

图7 地面控制系统DJI GO 4 App 操作界面

3.3 多种图像类信息采集阶段

对于建筑物而言，场地是指基地建筑物之外的空间区域，包括停车场、广场、室外活动场、绿地等。而建筑场地调研要获取所有要素的相关信息，因此根据各自的使用目的利用不同的摄影技巧获取相应的图像信息。

为满足设计要求，需对项目场地内的整体概况、场地内交通组织、既有建筑物所在位置建筑物的结构及形态、道路、广场及停车场概况、周围建筑物的形态及对于场地的影响、室外构筑设施位置和造型等情况进行调研及整理。

（1）通过对不同因素控制以获取静态图像的拍摄手法，获取同一建筑不同维度的信息，其具体影响因素及操作手法如下所示：

A.高度：通过拍摄100m 以下、100—200m、300m、500m、500m 以上这5 种高度的静态图像，控制既有建筑与新建装置的细节呈现及既有建筑和新建装置与及周边场地组群关系的呈现。如图8、9 所示：

图8 高度180m 的建筑场地俯视图

图9 高度350m 的建筑场地俯视图

B.距离：通过对100m、100—300m、300—500m 这3 种距离的图像获取，一方面新建装置控制细节，另一方面强调表现主体与周边景物、主次入口、道路、广场之间的关系。如图10、11 所示：

图10 距离200m 高度300m 的建筑场地俯视图

图11 距离500m 高度300m 的建筑场地俯视图

C.角度：通过获取45°轴测图、30—45°俯拍图加大景深效果，以表现的道路、水系的走向及周边场地的组群位置及特点。如图12、13 所示：

图12 倾斜角度30°的建筑场地俯视图

图13 倾斜角度60°的建筑场地俯视图

D.光线：在航拍中，不同光线对图像的影响十分重要，可辅助强调主体目标并加强艺术效果。如图14 所示：

图14 同一位置不同光线下建筑轴测图

E. 色感：针对作为效果图使用的图像拍摄，采用近距离拍摄阳光照射的明亮立面最终达到“点彩式”的艺术效果呈现。如图15 所示：

图15 “点彩式”建筑俯视图、轴测图

（2）通过某一点拍摄的多幅实景图像进而拼接成全景图像。通过对全景图像的采集，将三维多元的信息呈现在二维图像上，可使使用者能够得到更大范围的观察角度，使建筑主体及周围场地得到更清晰的表达。如图16 所示：

图16 建筑及周边场地全景图

4 结语

4.1 不足

在对无人机飞行平台的使用中，仍存在几点不足：a.因无人机为小型飞行器，自重较轻，因此易受其外界气流影响；b.因无人机摄影系统多为非量测性，因此镜头畸变较大；c.在飞行过程中存在飞行安全问题，若无人机的安全性直接影响航测质量。

4.2 展望

无人机等小型飞行器的出现和成熟，高效推动了低空摄影技术的发展，相较于建筑场地调研中传统数据获取手法而言具备高效性、实时性、可获取高清晰度图像、具有高程信息数据等优点，具有明显的技术优势。同时在建筑场地分析及建筑效果的表现上相较于传统方式更具科学性及真实性，因此低空摄影技术在建筑场地调研中的广泛应用已成为必然。