劉正威，王騰飛，靳 煥，賀 丹，雷雅凱

(河南農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，河南 鄭州 450000)

在國家加速社會主義新農(nóng)村建設(shè)的背景下，大批村莊規(guī)劃相繼完成，鄉(xiāng)村人居環(huán)境得到極大改善[1]。山地因其豐富的景觀多樣性和生物多樣性，通過合理的建設(shè)逐漸發(fā)展成為與自然環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的富有魅力和活力的家園[2]?？v觀目前鄉(xiāng)村景觀規(guī)劃方法[3-5]，多基于歷史遙感影像、歷史土地利用圖、地形圖和大量的現(xiàn)場勘測數(shù)據(jù)，但山地具有較大的高差，地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，給現(xiàn)場測量工作帶來極大困難，并對山地鄉(xiāng)村后期的規(guī)劃產(chǎn)生了一定影響。

隨著新農(nóng)村建設(shè)的全面進行，一些地區(qū)的村莊規(guī)劃過程中山區(qū)村莊和平原村莊無異，缺乏山地特色的問題逐漸凸顯[6]。如何因地制宜地進行山地鄉(xiāng)村景觀規(guī)劃工作成為了本研究的重點。無人機憑借其高時效性、靈活性、適用環(huán)境條件廣泛等特點，逐漸成為規(guī)劃設(shè)計前期場地信息觀測領(lǐng)域的熱點。諸多學(xué)者針對無人機在景觀設(shè)計的行業(yè)應(yīng)用[7-11]、處理過程[12]、基于第三方平臺的深入處理[13]等進行了研究，但現(xiàn)階段針對無人機在景觀設(shè)計中的應(yīng)用多集中在各類平面數(shù)據(jù)方面，對于山地復(fù)雜的地形地貌，平面的數(shù)據(jù)略顯單薄。鑒于此，本文應(yīng)用無人機傾斜攝影的方法，以新密市香山村為例進行基于三維實景模型的鄉(xiāng)村景觀規(guī)劃。依據(jù)規(guī)劃區(qū)的實際情況，梳理無人機傾斜攝影在鄉(xiāng)村景觀規(guī)劃過程中的應(yīng)用方法，探尋無人機傾斜攝影在鄉(xiāng)村景觀規(guī)劃不同階段最優(yōu)的應(yīng)用方式。

1 研究區(qū)域與方法

1.1 研究區(qū)概況

新密市平陌鎮(zhèn)香山村位于東經(jīng)113°18′34″，北緯34°26′07″(圖1)，平均海拔440 m，地形高低起伏，面積約378 hm2。位于鄭州市東南部，距新密市政府12 km,自然資源優(yōu)美，交通便利。屬暖溫帶大陸性氣候，四季分明，年均溫14.4℃。

圖1 區(qū)位圖

1.2 數(shù)據(jù)來源

1.2.1無人機影像獲取

本研究選取具有厘米級導(dǎo)航定位系統(tǒng)和高性能成像系統(tǒng)的大疆Phantom 4 RTK無人機進行低空攝影測量。該無人機配備具有自動對焦功能有效像素為2 000的圖像傳感器，以及高精度防抖云臺，最大水平飛行速度50 km/h，單次續(xù)航時間30 min。為保證數(shù)據(jù)精度，本次飛行設(shè)置旁向重疊率70%，航向重疊率80%，共獲取554幅影像，無人機作業(yè)時間選取上午10時，微風(fēng)天氣狀況良好。

1.2.2無人機影像處理

本次數(shù)據(jù)處理選用Bently公司的Context Capture Center軟件和芬蘭赫爾辛基Terra Solid Oy公司的Terra Solid軟件處理，Context Capture Center主要用來分析來自不同視點的靜態(tài)主體照片，自動讀取無人機影像的POS數(shù)據(jù)，進行空三解算，通過進一步的幾何校正、聯(lián)合平差、點云生成、點云加密、TIN三角網(wǎng)格構(gòu)建、紋理映射等處理，生成測區(qū)內(nèi)實景三維模型、數(shù)字正射影像(DOM)、三維點云、數(shù)字地表模型(DSM)[14]。Terra Solid軟件對點云進行異常值提出、點云濾波、數(shù)據(jù)拼接、點云分類輸出，生成數(shù)字高程模型(DEM)[15]。無人機影像處理的具體流程如圖2所示。

圖2 無人機遙感影像處理流程

1.3 技術(shù)路線

研究技術(shù)路線分為3個步驟：1)無人機數(shù)據(jù)采集處理；2)數(shù)據(jù)分析，將無人機傾斜攝影處理獲取的正射影像(DOM)、數(shù)字高程模型(DEM)、三維實景模型等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)通過ArcGIS軟件進行分析，得到貼合場地現(xiàn)狀的數(shù)據(jù)；3)基于數(shù)據(jù)分析成果的山村景觀規(guī)劃，形成最終的香山村規(guī)劃設(shè)計成果。

2 結(jié)果與分析

2.1 無人機影像拼接成果及精度檢驗

通過Context Capture Center軟件生成實景三維模型、數(shù)字正射影像(DOM)、三維點云、數(shù)字地表模型(DSM)，通過Terra Solid處理生成數(shù)字高程模型(DEM)，將各類數(shù)據(jù)添加至ArcGIS中，依據(jù)原有研究區(qū)域邊界進行裁剪，將各種類型成果進行整理保存(圖3)。

無人機遙感影像成果精度檢驗是無人機應(yīng)用過程中必不可少的環(huán)節(jié)[16-18]。本次攝影測量通過Context Capture Center軟件進行空三解算后生成的精度報告顯示，共提取同名點156 688個，地面分辨率范圍為0.095～0.29 m，符合項目設(shè)計的分辨率需求。

2.2 基于無人機傾斜攝影成果的場地分析

2.2.1土地利用分析

土地利用是長期人類活動與自然過程共同作用產(chǎn)生的結(jié)果，能有效反映當(dāng)?shù)氐乇碣Y源和自然環(huán)境[19]。研究區(qū)域正攝影像解譯如圖4所示，各類用地分別為：道路用地面積9.836 hm2,占所有用地的2.6%；基本農(nóng)田77.736 hm2，占20.56%，多分布于道路兩側(cè)；建筑用地11.783 hm2，占3.11%，均臨近道路分布；林業(yè)用地277.54 hm2，占73.42%，分布于較為陡峭或人們難以到達(dá)的區(qū)域；水域面積1.106 hm2，占0.3%，分布于農(nóng)田或林地中，滿足灌溉用水的需求。

2.2.2地形地勢分析

1) 高程分析

高程是地形地貌中最直觀的表現(xiàn)形式，高程變化影響氣候變化，進而影響植被的分布情況[20]。運用ArcGIS空間分析工具對斜攝影獲取的數(shù)字高程模型(DEM)進行分析(圖5)，項目區(qū)海拔191.028～536.699 m，結(jié)合用地類型分析圖得出：居民沿道路分布在整個項目區(qū)內(nèi)，基本農(nóng)田多分布于海拔354～236 m的緩坡區(qū)域。

2) 坡度坡向分析

地形因子是研究區(qū)域的背景和骨架，對場地生態(tài)環(huán)境和景觀品質(zhì)起著重要的影響作用[21]。而坡度坡向則是決定地表面局部地面接收陽光和重新分配太陽輻射量的重要地形因子，直接造成局部地區(qū)氣候特征差異，影響各項農(nóng)業(yè)生產(chǎn)指標(biāo)。

圖3 無人機傾斜攝影成果

圖4 土地利用分析

圖5 高程模型(DEM)分析

坡度坡向分析如圖6所示，通過統(tǒng)計分析得出，項目區(qū)坡向以北方和東北方向為主，占總面積的51%。

圖6 坡度坡向分析

結(jié)合坡度圖和用地類型分析圖發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)域內(nèi)坡度坡向因子直接影響了農(nóng)田、地表植被、建筑和道路的分布情況。

3) 匯水量分析

水體是構(gòu)成特色景觀的重要元素，匯水區(qū)更是關(guān)系到研究區(qū)域內(nèi)山洪暴發(fā)和水系聯(lián)通的重要功能，對研究區(qū)域的生態(tài)安全構(gòu)建有著重要意義。提取合理的匯水區(qū)對場地的數(shù)據(jù)分析、數(shù)字化管理和自然災(zāi)害預(yù)測均能起到促進作用[22]?；诟叻直媛实臄?shù)字高程模型(DEM)結(jié)合通過無人機影像解譯出的現(xiàn)狀水體分布進行匯水量分析(圖7)，研究區(qū)域內(nèi)地表徑流由山體表面逐漸匯集到低洼的山谷地區(qū)。

圖7 匯水量分析

4) 生態(tài)敏感性分析

山地由于其地貌復(fù)雜、垂直高差大，在進行景觀規(guī)劃過程中有較大的開發(fā)難度，且山地生態(tài)系統(tǒng)敏感性高，在建設(shè)過程中一旦遭破壞將很難恢復(fù)[23]。研究區(qū)域作為典型的淺山區(qū)，地形起伏明顯，野生植被豐富，選取高程、坡度、坡向和用地類型、匯水區(qū)域5項基本要素對場地進行生態(tài)敏感性分析。通過文獻查閱和實際用地類型情況比對，研究區(qū)域內(nèi)高程較高的區(qū)域生態(tài)敏感性最高，應(yīng)予重點保護；坡度較大的區(qū)域直接對自然環(huán)境和地表雨水徑流有重要影響，在建設(shè)開發(fā)時予以避讓。

3 香山村山地景觀規(guī)劃設(shè)計

3.1 香山村現(xiàn)存問題

通過無人機正射影像結(jié)合三維實景模型分析，香山村目前以大面積的原生林地為主，由于山區(qū)地形復(fù)雜，缺少前期建設(shè)規(guī)劃，農(nóng)田沿地形散亂分布，山村內(nèi)零星分布1～2層居民住宅建筑，土地利用效率不高；山地景觀資源優(yōu)勢未得到很好發(fā)掘，人工天際線與自然天際線之間層次感不突出；生活污水和垃圾對自然環(huán)境造成污染；道路基礎(chǔ)設(shè)施滯后，無路燈，缺少村民健身休閑場所。

3.2 基于三維實景模型的香山村山地景觀規(guī)劃設(shè)計

高低起伏的地形賦予研究區(qū)域立體的景觀緯度，為居民提供了多樣化的景觀資源。同時也使得適用于常規(guī)平原地區(qū)的景觀營造方法難以在研究區(qū)域中直接運用。在山地景觀營建過程中，應(yīng)順應(yīng)當(dāng)?shù)氐淖匀坏孛病⑸剿螒B(tài)進行合理規(guī)劃，突顯當(dāng)?shù)卣嫔秸嫠?、好山好水的自然特質(zhì)。本文利用高時效性的三維實景模型進行規(guī)劃設(shè)計，期望探尋山村與山地景觀相協(xié)調(diào)的實現(xiàn)途徑。

3.2.1景觀生態(tài)規(guī)劃及總體布局

香山村景觀生態(tài)規(guī)劃在基于無人機傾斜攝影成果分析的基礎(chǔ)上，形成“一軸一心多點”的景觀生態(tài)格局(圖8)?！耙惠S”指以研究區(qū)域內(nèi)現(xiàn)狀的主要道路為依據(jù)構(gòu)成的聯(lián)通村落各處的自然景觀軸線；“一心”指依據(jù)中部自然地貌，對現(xiàn)狀農(nóng)田進行整合而建立的梯田景觀核心，“多點”指在西北部依據(jù)現(xiàn)狀地形設(shè)置的山地自然景觀區(qū)，西部依據(jù)原有村落設(shè)置居民聚居區(qū)；西南部依據(jù)原香山廟基址設(shè)置俯瞰整個規(guī)劃區(qū)域的香山廟景觀核心，東南部山谷地帶以其豐富的植物資源為依托設(shè)立生態(tài)體驗區(qū)，東部依據(jù)其天然匯水區(qū)的自然優(yōu)勢營造富有山地景觀特色的文旅集市，東南部依據(jù)其便利的交通和富庶的土地設(shè)立農(nóng)業(yè)生產(chǎn)示范區(qū)，提高居民收入。通過景觀規(guī)劃和整合利用原有地形地貌，形成契合景觀軸線、人文氣息和濃厚自然氣息的山地景觀生態(tài)系統(tǒng)。

圖8 香山村景觀生態(tài)規(guī)劃總體布局

3.2.2香山村天際輪廓線設(shè)計

對于研究區(qū)域而言，天際輪廓線是由自然山體構(gòu)成的背景輪廓線和遠(yuǎn)近不同、高低不等的建筑構(gòu)成的人工輪廓線2部分構(gòu)成[24]。基于三維實景模型梳理現(xiàn)狀天際輪廓線發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)階段村落背景輪廓線清晰，人工輪廓線零星分布、略有起伏。在本次天際輪廓線設(shè)計過程中(圖9)，對背景山體輪廓線進行重點強化和勾勒，研究區(qū)域內(nèi)部山地進行“留白”處理，保護原生植被，清除在具有景觀標(biāo)識的山丘、山脈前的遮擋物，使之在整個山體景觀立面中凸顯出來，同時順應(yīng)山地原生地貌的起伏變化，結(jié)合不同區(qū)域人工建筑空間位置進行分區(qū)，豐富人工天際線層次，使之形成高低錯落的景致。

圖9 香山村天際輪廓線設(shè)計策略

3.2.3香山村山地景觀規(guī)劃設(shè)計

依據(jù)《中華人民共和國城鄉(xiāng)規(guī)劃法》，本著集中利用土地，提高土地利用效率的原則，以香山村實際情況為基礎(chǔ)，對村莊進行規(guī)劃設(shè)計[25]。主要規(guī)劃項目包括：依據(jù)現(xiàn)狀地形地貌規(guī)劃的生態(tài)林區(qū)、梯田景觀、觀賞林海、耕讀農(nóng)場；以原有用地為基礎(chǔ)強化香山廟景觀并設(shè)立山居別墅、山川鄉(xiāng)落、鄉(xiāng)村旅居、生態(tài)果園，針對研究區(qū)域內(nèi)部基礎(chǔ)設(shè)施滯后現(xiàn)狀，設(shè)置四季書社豐富鄉(xiāng)村居民生活，另外，對鄉(xiāng)村道路進行規(guī)劃聯(lián)通、道路亮化建設(shè)、鄉(xiāng)村特色景觀強化，改善鄉(xiāng)村產(chǎn)業(yè)布局，研究區(qū)域景觀規(guī)劃平面圖如圖10所示。

圖10 香山村山地景觀規(guī)劃平面圖

目前三維實景模型在風(fēng)景園林規(guī)劃設(shè)計中的應(yīng)用多基于GIS平臺，經(jīng)過嘗試發(fā)現(xiàn)，通過3D MAX的MES插件可將OBJ格式的三維實景模型轉(zhuǎn)換為SketchUp、Lumion等可識別的skp格式文件。在平面規(guī)劃圖的基礎(chǔ)上，結(jié)合轉(zhuǎn)換過的三維實景模型，制作規(guī)劃區(qū)的局部效果圖(圖11)，為后期的建設(shè)施工提供依據(jù)。

圖11 香山村局部效果

4 討論

本文以大疆Phantom 4 RTK無人機對新密市香山村采集的影像資料為基礎(chǔ)，以無人機影像處理軟件Context Capture Center為平臺，獲取研究區(qū)域內(nèi)正射影像(DOM)、數(shù)字高程模型(DEM)、三維實景模型，并在此基礎(chǔ)上對研究區(qū)域進行規(guī)劃設(shè)計。研究表明：無人機傾斜攝影測量是解決鄉(xiāng)村山地景觀規(guī)劃中地貌復(fù)雜、垂直高差大、生態(tài)敏感、天際輪廓線雜亂等問題的有效方法。具有精度高、時效性強、成本低廉等優(yōu)點。通過三維實景模型的格式轉(zhuǎn)換，為無人機在山地景觀規(guī)劃中的應(yīng)用搭建了橋梁，為今后我國山地鄉(xiāng)村規(guī)劃提供有益的思路，該方法具可操作性和較強的使用性，對于今后的山村景觀規(guī)劃工作有一定的參考意義。

基于無人機三維實景模型的山村景觀規(guī)劃方法較之前的規(guī)劃方法有明顯的優(yōu)勢：1)無人機傾斜攝影在山地景觀規(guī)劃過程中的價值得到了肯定，且規(guī)劃效率較之前的方法有很大的提高。2)在規(guī)劃設(shè)計過程中可隨時查看三維實景模型，剖析場地現(xiàn)存問題，可針對實際情況對規(guī)劃現(xiàn)狀進行調(diào)整，省去了繁瑣的現(xiàn)場勘查步驟。通過對比分析發(fā)現(xiàn)，傾斜攝影技術(shù)在山地景觀規(guī)劃中應(yīng)用仍存在一些問題，在香山村實景模型制作過程中，實景模型地面分辨率較李加忠等[13]所制作的三維模型要低，原因是本次實驗區(qū)域地形復(fù)雜，飛行高度設(shè)定相對較高，導(dǎo)致照片獲取量少，紋理信息獲取不夠充足。隨著數(shù)據(jù)獲取手段的進步，若與近景攝影、激光雷達(dá)數(shù)據(jù)相結(jié)合，將會有效提升三維實景模型質(zhì)量[26-28]，為山村精細(xì)化景觀規(guī)劃和中國城鎮(zhèn)化發(fā)展提供有效助力。