無人機低空攝影在城市規(guī)劃領(lǐng)域中的應(yīng)用

■韓科成，耿玉秀 ■.同濟大學，上海市 0009；.國起城市規(guī)劃（上海）有限公司，上海市 00437

1 綜述

近年來，無人機技術(shù)發(fā)展迅猛并逐步形成龐大的下游產(chǎn)業(yè)，各種掛載設(shè)備和應(yīng)用平臺紛紛推出，其中低空攝影的應(yīng)用最為廣泛。以大疆創(chuàng)新精靈系列（DJIPhantom）為代表的民用四軸無人機的普及使得低空攝影門檻大大降低，除影像行業(yè)外，許多傳統(tǒng)行業(yè)都嘗試引入無人機平臺，積極探索產(chǎn)業(yè)拓展方向。

“互聯(lián)網(wǎng)+”戰(zhàn)略的提出推動了經(jīng)濟轉(zhuǎn)型升級和產(chǎn)業(yè)迭代進化，城市規(guī)劃行業(yè)也逐步轉(zhuǎn)向數(shù)據(jù)驅(qū)動型。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、處理、應(yīng)用和更新效率已不能滿足當前背景下城市規(guī)劃工作的需求，新興的無人機低空攝影技術(shù)成為繼衛(wèi)星遙感、地形測繪之外的有效補充，非常適合小范圍高精度數(shù)據(jù)的快速獲取。

目前，無人機低空攝影在城市規(guī)劃領(lǐng)域應(yīng)用的一般步驟是：首先，根據(jù)精度需求進行圖像數(shù)據(jù)的初步采集；然后，借助計算機對二維圖像運算，生成全景圖像、正射影像或建立三維模型；再次，結(jié)合城市規(guī)劃設(shè)計和管理需求，開發(fā)三維規(guī)劃信息系統(tǒng)、規(guī)劃決策輔助系統(tǒng)、規(guī)劃管理系統(tǒng)、公眾參與系統(tǒng)［1］［2］［3］［4］等。早在2008年，F(xiàn).Pugnaloni研究員就嘗試通過古建筑周邊環(huán)境重建進行風貌協(xié)調(diào)的建筑空間設(shè)計，2012年日本學者K.Sugihara和Z.Shen將虛擬現(xiàn)實技術(shù)引入城市設(shè)計，2013年西班牙學者M.L.Marsal-Llacuna和I.Boada-Oliveras聯(lián)名撰文指出可視化的城市規(guī)劃數(shù)據(jù)融合（VisualUrbanPlanningIntegratedData，VUPID）系統(tǒng)可以提高規(guī)劃效率。近年來，基于無人機攝影的三維模型重建技術(shù)在輔助規(guī)劃設(shè)計、輔助規(guī)劃決策、城市問題研究、人機交互信息查詢［5］［6］［7］等方面有著諸多嘗試?？梢灶A(yù)期，無人機低空攝影將逐步滲透規(guī)劃現(xiàn)狀調(diào)研、規(guī)劃方案推演、規(guī)劃審批決策、規(guī)劃監(jiān)察和規(guī)劃公眾參與等城市規(guī)劃全生命周期。

2 技術(shù)實現(xiàn)

2.1 技術(shù)概述

目前，無人機低空攝影在城市規(guī)劃中的應(yīng)用除了直接使用航拍影像外，還包括三維環(huán)境虛擬和三維空間建立兩類深度應(yīng)用。前者與后者的本質(zhì)區(qū)別在于：前者僅是通過空間環(huán)境的“模擬”達到對使用者“感官欺騙”的目的；后者是對空間環(huán)境三維模型的真實重建，生成的三維模型可與當前主流技術(shù)實現(xiàn)無縫對接，其中也包括虛擬現(xiàn)實技術(shù)。

2.1.1 三維環(huán)境虛擬

三維環(huán)境虛擬是基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)（VirtualReality）的應(yīng)用，通過對二維圖像的拼合建立三維虛擬環(huán)境，其他使用者借助設(shè)備“進入”虛擬空間，并通過與虛擬環(huán)境交互獲得“身臨其境”的感受。

2.1.2 三維空間建立

三維空間建立是基于傾斜攝影技術(shù)的三維模型重建，通過二維圖像的空三運算建立數(shù)字正射影像（DigitalOrthophotoMap，DOM）、數(shù)字表面模型（DigitalSurfaceModel，DSM）和數(shù)字高程模型（DigitalElevationModel，DEM）。通過三維模型重建，在保留空間實體色彩和紋理的基礎(chǔ)上賦予空間數(shù)據(jù)參數(shù)，可實現(xiàn)空間可視化與三維動態(tài)交互。

2.2 實現(xiàn)路徑

除特殊掛載設(shè)備外，無人機低空攝影采集數(shù)據(jù)多為二維圖像，需要整合、運算、矯正后方能更為有效的使用。

2.2.1 三維環(huán)境虛擬

要實現(xiàn)三維環(huán)境虛擬需要經(jīng)過全景拍攝、全景拼合、虛擬展示三個環(huán)節(jié)，虛擬展示環(huán)節(jié)需要使用VR眼鏡。

圖3 三維環(huán)境虛擬簡要過程

（1）全景拍攝。無人機定點懸停后，通過控制航向角和鏡頭俯仰以當前點為中心進行水平360度和垂直90度拍攝。特別注意的是，為實現(xiàn)后期影像的順利拼合相鄰影像間需有重疊并且拍攝過程中鏡頭焦點能夠相對穩(wěn)定不發(fā)生位移。

（2）全景拼合。圖像拼接借助PTGui等專用軟件，將拍攝的多張影像拼合成長寬比為2：1的全景圖片。全景圖片可以理解為展開的球形圖，因相機懸掛于無人機下方無法拍攝到完整天空，所以全景圖拼合后還需對頂部圖像進行修補以形成完整的天空影像，該流程被稱作“補天”。

（3）虛擬展示。虛擬展示功能可使用KrpanoViewer平臺實現(xiàn)，全景圖上傳后自動切圖、壓縮和發(fā)布，通過HTML5技術(shù)進行展現(xiàn)且支持VR模式，使用者可佩戴VR眼鏡體驗。VR眼鏡自帶陀螺儀，通過追蹤使用者頭部動作來實現(xiàn)畫面順滑切換營造“身臨其境”的感覺。

2.2.2 三維空間建立

三維空間模型建立需要經(jīng)過航線規(guī)劃、圖像采集、圖像預(yù)處理、空三運算等環(huán)節(jié)，最終可以生成數(shù)字正射影像（DOM）、數(shù)字表面模型（DSM）和數(shù)字高程模型（DEM）。

（1）航線規(guī)劃。無人機航拍前，需要根據(jù)精度要求確定拍攝高度、重疊比例、拍攝密度等主要參數(shù)，并向當?shù)毓膊块T和空管部門上報拍攝計劃。航線規(guī)劃建議采用第三方軟件Altizure，軟件按照五向攝影法規(guī)劃航線并可預(yù)估飛行時間，飛行拍攝過程中會自動對鏡頭傾角進行控制。

（2）圖像采集。為獲得高質(zhì)量的影像，需要選擇晴朗、通透、弱風的天氣進行拍攝作業(yè)。拍攝時，根據(jù)環(huán)境亮度等確定相機曝光參數(shù)以保證影像質(zhì)量。

（3）圖像預(yù)處理。光線和角度因素會導致部分照片亮度存在差異，由此圖形運算之前需要對個別圖像進行色彩和亮度調(diào)整。

（4）空三運算?？杖\算即空中三角測量技術(shù)，該運算過程建議使用PhotoScan軟件。空三運算過程較為復雜，包括三角測量、點云生成、DSM生成、DEM生成等步驟，運算過程對計算機硬件要求較高，一般使用專業(yè)圖形工作站完成該運算過程。

3 城市規(guī)劃中的應(yīng)用

3.1 應(yīng)用場景

3.1.1 規(guī)劃編制階段

（1）規(guī)劃調(diào)研。受衛(wèi)星遙感圖和地形測繪圖周期長、預(yù)算高、更新慢等限制，城市規(guī)劃現(xiàn)場調(diào)研一般會花費較多時間用于核實現(xiàn)狀建設(shè)情況與基礎(chǔ)資料的差異。無人機攝影引入后，可在較短時間內(nèi)合成三維環(huán)境全景圖和正射影像圖，這將大大提高現(xiàn)場調(diào)研效率。

圖10 三維虛擬和三維模型在城市規(guī)劃中的應(yīng)用

（2）方案推敲。方案推敲過程中可能隨時需要回憶現(xiàn)場情況，如果調(diào)研存在遺漏只能往返現(xiàn)場。無人機攝影引入后，可隨時通過三維環(huán)境虛擬“回到現(xiàn)場”，重新尋找問題解決問題。

（3）方案展示。融合實景的方案展示更容易對方案優(yōu)劣進行比選，評判更為客觀，特別是新增建設(shè)與周邊環(huán)境風貌協(xié)調(diào)方面。

3.1.2 規(guī)劃審批與管理階段

（1）輔助決策。無人機傾斜攝影構(gòu)建的城市三維模型可融合進地理信息GIS管理平臺，方便實現(xiàn)控高分析、視線分析、日照分析和三維測量等功能，這種全局三維模型對于輔助決策有著重要意義。通過實景影像建立的真實三維模型可以讓審批人員對實體空間尺度把握更為準確，提升審批決策的科學性。

（2）規(guī)劃監(jiān)察。傳統(tǒng)規(guī)劃監(jiān)察需要經(jīng)過現(xiàn)場定位測量、圖紙判讀和信息比對等環(huán)節(jié)，耗時長效率低并且存在判斷偏差。另外，因條件限制或業(yè)主單位不配合等因素導致定位測量難以推進的情況時有發(fā)生，無人機三維空間重建可有效規(guī)避該類問題并大大提高工作效率。

（3）信息建設(shè)。建立好的三維模型可通過單體提取、錄入屬性數(shù)據(jù)建立項目庫，方便查閱和管理。

3.1.3 規(guī)劃公眾參與階段

（1）數(shù)字城市。通過三維模型重建可以向公眾提供街景地圖、三維城市、虛擬城市等展示功能和實用工具，方便民眾生活的同時可更好的認知城市。

（2）規(guī)劃公眾參與。三維模型引入規(guī)劃可以將城市規(guī)劃轉(zhuǎn)變?yōu)楣娨锥谋磉_方式，提高公眾參與的積極性。

3.1.4 規(guī)劃多行業(yè)協(xié)同階段

通過三維空間重建，可以廣泛進行準確和有針對性的仿真和研究工作，如日照模擬分析、風廊模擬分析、交通模擬分析、電磁環(huán)境模擬分析、噪聲模擬分析、熱島效應(yīng)模擬分析以及突發(fā)事件疏散分析等。

3.2 技術(shù)應(yīng)用價值

無人機低空攝影可廣泛應(yīng)用于城市規(guī)劃的編制、公示和管理實施過程中，該技術(shù)應(yīng)用的價值和意義在于：①數(shù)據(jù)動態(tài)更新提高工作效率。無論是虛擬三維環(huán)境還是三維空間模型，皆可通過替換部分有變更的影像數(shù)據(jù)來實現(xiàn)整體模型的動態(tài)更新，這可大幅降低工作成本提高工作效率；②三維模型承載信息豐富，方便二次開發(fā)。精靈系列無人機拍攝影像自帶POS信息，通過空三運算校對后可1：1還原空間數(shù)據(jù)，同時建筑色彩和紋理信息也得以保留。附帶真實空間數(shù)據(jù)的模型載體為后期的三維測量，日照、高度、視線分析提供了基礎(chǔ)，三維模型通過格式轉(zhuǎn)換與主流軟件相兼容，便于二次開發(fā)使用；③新技術(shù)推動規(guī)劃行業(yè)革新。無人機攝影三維模型重建技術(shù)可以將規(guī)劃編制技術(shù)推向更高層級。首先，在大尺度城市空間分析方面，三維空間測量可推動規(guī)劃定性分析向結(jié)論更為準確的定量分析轉(zhuǎn)變。其次，“真實場景式”三維空間模型的展示更利于普通民眾理解城市規(guī)劃，這也是未來城市規(guī)劃公眾參與的重要發(fā)展方向。

3.3 問題和不足

無人機低空攝影在城市規(guī)劃中的應(yīng)用仍然存在不少問題，制度建設(shè)、技術(shù)規(guī)程、行業(yè)協(xié)同等方面皆需不斷完善。

首先，對地成像在當前法規(guī)體制上屬于重點監(jiān)管領(lǐng)域，需要獲得測繪許可。其次，“低小慢”航空器對民航存有威脅使得無人機本身也受到嚴格監(jiān)管，無人機操作手相關(guān)技術(shù)要求和持證上崗尚未形成明確的法律法規(guī)。再次，無人機航拍成果尚無統(tǒng)一技術(shù)規(guī)范，不同應(yīng)用軟件和數(shù)據(jù)形式充斥市場且難以互相兼容，由此用戶使用時產(chǎn)生較多問題。最后，城市規(guī)劃管理尚未形成高兼容性的三維平臺，城市規(guī)劃編制技術(shù)體系和管理體系尚需不斷優(yōu)化。

4 小結(jié)

隨著法律法規(guī)和相關(guān)技術(shù)規(guī)范的不斷完善，無人機平臺的引入將為城市規(guī)劃編制提供技術(shù)手段，為規(guī)劃管理提供精準數(shù)據(jù)支持，為規(guī)劃決策提供科學信息保障，為推動智慧城市建設(shè)發(fā)揮積極作用。無人機攝影重建的三維模型具有真實性、兼容性、高效性等特點，隨著三維地理信息系統(tǒng)的深入研究和應(yīng)用，該技術(shù)必將成為智慧城市發(fā)展的重要技術(shù)支撐。

［1］朱偉，程正奎.三維城市規(guī)劃信息系統(tǒng)建設(shè)研究［J］.科技視界，2013（13）：157-158.

［2］朱圣，羅再謙，等.數(shù)字全景地圖技術(shù)及在規(guī)劃管理中應(yīng)用的研究［J］.城市勘測，2012（2）：37-41.

［3］曾忠平，李宗華，等.基于三維GIS的城市規(guī)劃信息系統(tǒng)研究［J］.重慶建筑大學學報，2007（05）：26-30.

［4］高海峰.基于Skyline三維城市規(guī)劃輔助決策系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)［D］.華東理工大學，2012.

［5］胡文慶.傾斜攝影測量三維重建在城市規(guī)劃管理中的應(yīng)用研究［D］.昆明理工大學，2016.

［6］劉玉潔.城市三維模型及其在城市規(guī)劃中的應(yīng)用［D］.天津師范大學，2014.

［7］崔瑤瑤，杜甘霖，等.無人機傾斜攝影三維建模在農(nóng)房確權(quán)登記發(fā)證項目中的應(yīng)用［J］.測繪通報，2017（S1）：192-194.