實(shí)景三維在城市規(guī)劃中的應(yīng)用*

文/山東農(nóng)業(yè)工程學(xué)院 邢著榮

山東正元航空遙感技術(shù)有限公司 馮幼貴

山東農(nóng)業(yè)工程學(xué)院 吳 爽 王鴻燕

實(shí)景三維是測(cè)繪地理信息技術(shù)發(fā)展中的新型測(cè)繪地理產(chǎn)品，隨著城市建設(shè)日新月異，城市空間不斷朝立體方向發(fā)展，傳統(tǒng)的測(cè)繪地理4D產(chǎn)品服務(wù)逐漸顯露出自身的局限性，而實(shí)景三維數(shù)據(jù)產(chǎn)品展示空間真實(shí)，使人們能在室內(nèi)多角度全景瀏覽客觀世界并進(jìn)行立體量測(cè)與計(jì)算分析[1]?？蔀槌鞘幸?guī)劃及分析提供有力依據(jù)，可服務(wù)于城市建設(shè)等領(lǐng)域。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)獲取

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于山東省威海市南海新區(qū)，風(fēng)景優(yōu)美，旅游及土地資源豐富，極具發(fā)展?jié)摿ΑＴ诔鞘幸?guī)劃與管理、智慧城市、網(wǎng)絡(luò)旅游等方面，該區(qū)實(shí)景模型生產(chǎn)顯得尤為重要。

1.2 數(shù)據(jù)獲取

采用大疆M600多旋翼無(wú)人機(jī)，同時(shí)搭載銳眼Riy-D2第二代傾斜攝影五鏡頭吊艙進(jìn)行研究區(qū)傾斜數(shù)據(jù)的航飛采集，獲取多角度傾斜影像數(shù)據(jù)及系統(tǒng)POS數(shù)據(jù)，結(jié)合所選相機(jī)得到焦距、像素等參數(shù)及研究區(qū)像控點(diǎn)文件。

2 三維模型構(gòu)建

基于多角度影像數(shù)據(jù)的實(shí)景三維模型制作需要嚴(yán)密的空三解算、多視角的點(diǎn)云匹配、三角網(wǎng)構(gòu)建、實(shí)景紋理貼面等主要步驟[2]，輸出三維模型成果時(shí)，支持對(duì)紋理和模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)據(jù)量壓縮優(yōu)化，并能在多種終端中展示。

2.1 空三加密

空三加密前需對(duì)模型進(jìn)行旋轉(zhuǎn)影像、建金字塔等預(yù)處理工作，之后在Smart3D Capture中創(chuàng)建工程，導(dǎo)人預(yù)處理后的傾斜影像、POS、像控成果等信息，進(jìn)行空三加密，提取自動(dòng)連接點(diǎn)，空三解算精度要優(yōu)于半個(gè)像素。

2.2 超高密度點(diǎn)云提取

采用SGM算法從多視角立體像中提取高密度三維點(diǎn)云，自動(dòng)調(diào)整地面和地物的高度，根據(jù)點(diǎn)云智能匹配建筑物屋頂類(lèi)型，重構(gòu)屋頂和立面，如圖1所示。

2.3 逐像素紋理映射

基于立體像對(duì)，結(jié)合共線方程，進(jìn)而計(jì)算物方、像方之間的投影關(guān)系，考慮三維建筑物的遮擋關(guān)系，選擇最優(yōu)紋理進(jìn)行逐像素自動(dòng)紋理映射（見(jiàn)圖2）。

2.4 實(shí)景三維模型生成及平臺(tái)展示

如圖3所示，基于高密度三維點(diǎn)云結(jié)果，進(jìn)行三角網(wǎng)構(gòu)建，對(duì)地表和地物進(jìn)行紋理貼面，最終生成三角格網(wǎng)的全要素三維場(chǎng)景。在此基礎(chǔ)上疊加矢量底面實(shí)現(xiàn)“動(dòng)態(tài)單體化”，配以查詢(xún)分析功能搭建三維立體景觀功能，滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用[3]。

3 實(shí)景三維模型應(yīng)用

3.1 三維量測(cè)

三維量測(cè)是為保證規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)符合GB 50180—2018《城市居住區(qū)規(guī)劃設(shè)計(jì)規(guī)范》，GB 50352—2019《民用建筑設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》，保障城市視覺(jué)上的衛(wèi)生、舒適等進(jìn)行的空間距離、住宅間距、地塊及建筑面積的量測(cè)、土方量填挖計(jì)算等?？稍谂f城改造、拆遷測(cè)量等方面進(jìn)行整體分析和決策[4]（見(jiàn)圖4～6）。

3.2 日照陰影分析

為避免光的遮擋和污染，日照分析主要考慮建筑體積、面積、建筑物之間距離、室內(nèi)光照等指標(biāo)，主要分析內(nèi)容包括遮擋性、窗洞、單點(diǎn)和日照仿真等（見(jiàn)圖7，8）。

圖1 超高密度三維點(diǎn)云

圖2 考慮遮擋條件的紋理映射原理

圖3 研究區(qū)實(shí)景三維模型

圖4 距離量測(cè)

圖5 地表面積量測(cè)

圖6 舊城改造、拆遷量測(cè)

圖7 陰影率統(tǒng)計(jì)分析

3.3 通視性分析

如圖9所示，通過(guò)對(duì)城市空間的通視性進(jìn)行分析以提高城市中重要景點(diǎn)及景觀周邊的視覺(jué)效果[5]。

3.4 方案對(duì)比

利用實(shí)景三維數(shù)據(jù)模型可對(duì)建筑設(shè)計(jì)方案進(jìn)行比選，將多種設(shè)計(jì)方案加載于實(shí)景三維數(shù)據(jù)后，可多角度、多視覺(jué)地對(duì)方案進(jìn)行評(píng)審，以保證城市建設(shè)合理、協(xié)調(diào)和科學(xué)發(fā)展（見(jiàn)圖10）。

3.5 其他服務(wù)

1）公眾化服務(wù) 如在實(shí)景三維模型上進(jìn)行瀏覽、查詢(xún)、導(dǎo)航、統(tǒng)計(jì)和分析等。

2）政府部門(mén)服務(wù) 如查詢(xún)?nèi)丝谛畔?、建筑信息、樓盤(pán)分布、便民服務(wù)等。

4 結(jié)語(yǔ)

城市規(guī)劃的主要目的是規(guī)劃城市的未來(lái)發(fā)展藍(lán)圖、總體布局及具體的工程建設(shè)等，故城市規(guī)劃必須要合理預(yù)見(jiàn)城市未來(lái)發(fā)展的方向、各項(xiàng)建（構(gòu)）筑物的布局和建設(shè)規(guī)模等，同時(shí)還要對(duì)城市環(huán)境狀況進(jìn)行合理預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)[6-7]。

在城市規(guī)劃前期需進(jìn)行不同設(shè)計(jì)方案的比較、論證及分析。三維模型可使規(guī)劃設(shè)計(jì)方案更真實(shí)可靠，可體現(xiàn)豎向環(huán)境，景觀空間也得以最佳展現(xiàn)。在實(shí)景三維系統(tǒng)中，可實(shí)時(shí)進(jìn)行項(xiàng)目調(diào)整、規(guī)劃設(shè)計(jì)及構(gòu)思，輔助公眾進(jìn)一步理解規(guī)劃設(shè)計(jì)方案。在此基礎(chǔ)上也可進(jìn)行不同方案對(duì)比分析，使規(guī)劃更合理[8]。伴隨著數(shù)字城市及智慧城市快速發(fā)展，社會(huì)對(duì)立體化的數(shù)據(jù)需求將更迫切，基于實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)的應(yīng)用將會(huì)更深入，應(yīng)用前景也更廣闊。

圖8 日照分析

圖9 通視性分析

圖10 規(guī)劃方案對(duì)比