基于低空遙感數(shù)據(jù)的數(shù)字城鄉(xiāng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

周智勇，李蓮芳

(重慶市勘測院，重慶 400020)

1 引 言

城鄉(xiāng)統(tǒng)籌是通過城鄉(xiāng)資源共享、人力互助、產(chǎn)業(yè)互補(bǔ)、通過城市帶動農(nóng)村、工業(yè)帶動農(nóng)業(yè)、建立城鄉(xiāng)互動、良性循環(huán)、共同發(fā)展的一體化體制。2010年，國務(wù)院批準(zhǔn)重慶市成為國家城鄉(xiāng)統(tǒng)籌發(fā)展綜合改革試驗(yàn)區(qū)，它的意義可以與當(dāng)年的深圳、浦東相媲美。隨著城鎮(zhèn)化的推進(jìn)，各區(qū)縣對基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的需求越來越迫切。但重慶已有基礎(chǔ)航攝影像存在分辨率不高，現(xiàn)勢性不好等局限，且常規(guī)航攝受到空域管制、成本高等影響。

低空遙感飛行平臺主要有固定翼無人機(jī)、直升機(jī)、飛艇等幾種，考慮航拍對航攝姿態(tài)保持要求，固定翼無人機(jī)具有明顯優(yōu)勢，所以重慶市勘測院及時從中國測繪科學(xué)研究院引進(jìn)固定翼無人機(jī)，并同時引進(jìn)能夠快速處理無人機(jī)影像數(shù)據(jù)的像素工廠，為低空遙感數(shù)據(jù)快速獲取和處理提供了完美解決方案。

2 低空遙感數(shù)據(jù)的特點(diǎn)

低空無人機(jī)由于自身的操控特性及受風(fēng)力的影響，平臺穩(wěn)定性遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法同飛機(jī)及衛(wèi)星平臺相比［1］。如以固定翼無人機(jī)為低空遙感平臺時，盡管對無人機(jī)進(jìn)行實(shí)時自動控制，無人機(jī)仍然很難嚴(yán)格按照預(yù)定的航線進(jìn)行直線飛行，數(shù)碼相機(jī)的姿態(tài)也不可能保持固定不動，因而所拍攝影像間的預(yù)設(shè)重疊度無法得到嚴(yán)格保證，相鄰影像間很可能存在較大的旋角和上下錯動［2］，城區(qū)低空遙感攝影時，高層建筑物在相鄰影像上存在很大變形，建筑物屋頂對周邊地形、低矮地物存在較大的壓蓋。但低空無人機(jī)作業(yè)選擇性強(qiáng)，準(zhǔn)確度高，機(jī)動靈活，作業(yè)周期短，時效性好，維護(hù)使用費(fèi)低，經(jīng)濟(jì)實(shí)用，安全性好［3，4］。

由于低空遙感平臺的這些特性，獲取的低空遙感影像具有重疊度高，像幅較小，影像數(shù)量多，現(xiàn)勢性好等特點(diǎn)，同時影像紋理清晰，分辨率高，可達(dá)厘米級，色彩鮮明，且由于無人機(jī)機(jī)動靈活的特征，可對同一區(qū)域進(jìn)行短周期重復(fù)獲取，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程變化監(jiān)測，適時掌控城鄉(xiāng)建設(shè)進(jìn)程，滿足城鄉(xiāng)規(guī)劃建設(shè)與管理需求。

3 數(shù)字城鄉(xiāng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)思路

結(jié)合目前城鄉(xiāng)建設(shè)和管理的各種需求，本文提出了一套利用低空遙感數(shù)據(jù)制作數(shù)字城鄉(xiāng)系統(tǒng)的思路。對目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行無人機(jī)航攝，利用獲取的高現(xiàn)勢性，高分辨率的低空遙感數(shù)據(jù)以及建成區(qū)已有地形圖，構(gòu)建數(shù)字城鄉(xiāng)數(shù)據(jù)庫，并可集成各專業(yè)部門專題數(shù)據(jù)，在數(shù)字環(huán)境下為城鄉(xiāng)建設(shè)、管理科學(xué)化提供平臺。

3.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

按照規(guī)范化的信息分類標(biāo)準(zhǔn)和統(tǒng)一的地理空間關(guān)系，該系統(tǒng)對各項(xiàng)城市基礎(chǔ)地理空間數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)存儲和管理，實(shí)現(xiàn)快速采集、建庫、查詢以及數(shù)據(jù)發(fā)布、資源共享。將大規(guī)模的、動態(tài)變化的基礎(chǔ)資料轉(zhuǎn)換為數(shù)字化的、可視化的、可操作和共享的信息資源，提供給相關(guān)部門和社會各界使用。如圖1 所示:

4 數(shù)字城鄉(xiāng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

4.1 實(shí)驗(yàn)區(qū)概況

實(shí)驗(yàn)區(qū)位于重慶西北部的銅梁區(qū)，是中國人民解放軍特等功臣邱少云的故鄉(xiāng)和銅梁龍燈的發(fā)祥地，同時是國家衛(wèi)生城市，距離重慶主城65 km。實(shí)驗(yàn)區(qū)包括銅梁城區(qū)、蒲呂工業(yè)園區(qū)及控規(guī)區(qū)域，總面積104 km2。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

4.2 低空遙感數(shù)據(jù)的獲取與處理

根據(jù)區(qū)域范圍進(jìn)行航線設(shè)計(jì)，并選擇晴好天氣進(jìn)行POS 輔助航攝，共分7 個架次獲取0.12 m高分辨率數(shù)碼影像約6 000張。利用像素工廠依據(jù)POS 數(shù)據(jù)自動航線排列，連接點(diǎn)自動匹配［5］，人工干預(yù)進(jìn)行自由網(wǎng)處理，添加地面控制點(diǎn)，完成空中三角測量。

將空三成果導(dǎo)出，建立立體模型，在全數(shù)字?jǐn)z影測量工作站上進(jìn)行三維特征點(diǎn)線面采集，制作得到高精度DEM 數(shù)據(jù)。在像素工廠中導(dǎo)入DEM，結(jié)合立體像對進(jìn)行逐片微分糾正，并自動生成裁切線，加上少量人工干預(yù)，進(jìn)行全局勻色、鑲嵌及裁切，得到標(biāo)準(zhǔn)1∶2 000分幅DOM。如圖2 所示:

圖2 1∶2 000 分幅DOM 圖的制作

4.3 地形三維模型制作

基于在全數(shù)字?jǐn)z影測量工作站上采集的三維特征點(diǎn)線面，通過FME 轉(zhuǎn)換生成TIN 三角網(wǎng)，對區(qū)域TIN三角網(wǎng)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)1∶2 000 分幅范圍進(jìn)行裁切，并自動以1∶2 000 圖幅號進(jìn)行命名。TIN 裁切利用MicroStation 進(jìn)行，使用MDL 編寫裁剪算法來實(shí)現(xiàn)圖幅裁剪TIN 三角網(wǎng)數(shù)據(jù)的自動化［6］。同時為提高地形三維精度，在切割TIN 三角網(wǎng)時按1∶500 分幅進(jìn)行細(xì)化分割，并在Creator 地形文件中分節(jié)點(diǎn)以1∶500圖幅號名存放。相應(yīng)地，DOM 按1∶500 分幅進(jìn)行裁切并用1∶500圖號命名。根據(jù)圖幅號對應(yīng)關(guān)系，利用程序自動將DOM 紋理映射到相應(yīng)TIN 三角網(wǎng)，完成地形三維模型制作。如圖3 所示:

圖3 地形三維模型

4.4 建筑物三維模型制作

對城市建成地區(qū)依據(jù)1∶500地形圖進(jìn)行道路、建筑、地形、綠化、小品等要素的模型建立，紋理根據(jù)實(shí)地采集的照片修整處理并貼到相應(yīng)模型上。建筑物模型的高度根據(jù)1∶500地形圖上提取，地形圖上沒有實(shí)測高程的建筑物通過立體方式或DSM 數(shù)據(jù)獲取。根據(jù)DOM對屋頂?shù)脑煨瓦M(jìn)行精細(xì)建模。規(guī)劃方案根據(jù)立面圖、剖面圖、效果圖等數(shù)據(jù)進(jìn)行精細(xì)模型。如圖4 所示:

圖4 建筑物精細(xì)模型

4.5 系統(tǒng)功能

(1)三維瀏覽

系統(tǒng)提供靈活的瀏覽方式，可平移、旋轉(zhuǎn)、定制視點(diǎn)，支持預(yù)設(shè)路徑進(jìn)行自動播放，同時支持人行、車行及飛行等多種模式。

(2)空間分析

實(shí)現(xiàn)三維測量分析，如測量空間點(diǎn)、空間距離、面積等;同時可進(jìn)行通視性分析、水淹沒模擬分析。

(3)方案替換

系統(tǒng)支持同一地塊多方案替換展示，如在建工地現(xiàn)狀與未來規(guī)劃方案替換展示、拆遷前與拆遷后對比展示等。如圖5 所示:

圖5 拆遷前后規(guī)劃方案對比展示

(4)數(shù)據(jù)疊加分析

系統(tǒng)支持圖片、矢量等不同類型數(shù)據(jù)的導(dǎo)入，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)疊加功能。如導(dǎo)入控規(guī)路網(wǎng)矢量，并可根據(jù)設(shè)計(jì)標(biāo)高模擬修建后的效果，同時計(jì)算地塊的挖填方量，為場平標(biāo)高設(shè)計(jì)提供依據(jù)。如圖6 所示:

圖6 路網(wǎng)數(shù)據(jù)疊加分析

(5)系統(tǒng)輸出

系統(tǒng)提供靈活的數(shù)據(jù)處理方式，如導(dǎo)出場景數(shù)據(jù)、錄制影片、截圖輸出等功能。

6 結(jié) 語

隨著數(shù)據(jù)可視化大勢所趨，遙感、導(dǎo)航、地理信息系統(tǒng)等技術(shù)可以極大提高空間信息分析能力，對各種空間區(qū)域的發(fā)展規(guī)劃、資源開發(fā)、人口分布、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、城鄉(xiāng)建設(shè)等進(jìn)行模擬演示或動態(tài)監(jiān)測，可以直觀、科學(xué)地展示經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展規(guī)律，集成各類信息，廣泛應(yīng)用于經(jīng)濟(jì)社會各領(lǐng)域。本系統(tǒng)具有以下幾方面特點(diǎn):

(1)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。數(shù)字城鄉(xiāng)系統(tǒng)作為城鄉(xiāng)基礎(chǔ)數(shù)字信息平臺，服務(wù)于城市規(guī)劃、市政、交通、公安、消防、房產(chǎn)、旅游等行業(yè)，與視頻監(jiān)控物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)智慧城市管理的定性、定量分析，一套數(shù)據(jù)服務(wù)于政府各部門，實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)共享平臺搭建。

(2)真實(shí)直觀可視化。數(shù)字城鄉(xiāng)系統(tǒng)采用真實(shí)三維方式展現(xiàn)，避免了專業(yè)圖表的繁雜，通過系統(tǒng)對相關(guān)場景的360 度無障礙瀏覽，為管理者真實(shí)了解城鄉(xiāng)發(fā)展現(xiàn)狀、科學(xué)制定城鄉(xiāng)規(guī)劃決策提供科學(xué)化手段。

(3)數(shù)據(jù)現(xiàn)勢性保障。城鎮(zhèn)建設(shè)具有發(fā)展變化快的特點(diǎn)，而低空遙感具有機(jī)動靈活、快速響應(yīng)的能力，可依城市變化速度和特點(diǎn)，對變化區(qū)域不定期進(jìn)行航攝，快速獲取最新遙感數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對平臺及時更新與維護(hù)，保證了平臺數(shù)據(jù)的現(xiàn)勢性。

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［5］鄒曉亮，繆劍，張永生等．基于像素工廠的無人機(jī)影像空三優(yōu)化技術(shù)［J］．測繪科學(xué)技術(shù)學(xué)報(bào)，2012(5):362～367．

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