多旋翼無人機在城市規(guī)劃勘測工作中的應用

趙瑩瑩，楊志波

(長沙市規(guī)劃勘測設計研究院，湖南 長沙 410007)

近年來無人機航測技術飛速發(fā)展，已成為重要的測繪手段之一，而多旋翼無人機則以其機動、靈活、便捷、高精度等諸多優(yōu)勢更多地應用于輔助城市規(guī)劃的各項勘測工作中，且表現(xiàn)出色。本文通過八旋翼無人機搭載各類相機云臺，獲取多種基礎數(shù)據(jù)資料，以實現(xiàn)為不同城市規(guī)劃勘測目的提供種類多樣、針對性強的各種基礎資料和技術服務。具體有搭載單鏡頭相機正射攝影進行地形圖測繪和正射影像圖快拼、搭載多鏡頭相機進行傾斜攝影與地面三維建模、搭載攝像和實時圖傳設備進行定點或定線航拍采集實時動態(tài)影像等，航測新技術在城市規(guī)劃的部分工作中發(fā)揮了較大作用。

1 大比例尺地形圖測繪

利用無人機進行大比例尺地形圖測繪是無人機航測比較常見的應用。城區(qū)受建構(gòu)筑物、重要設施以及城市密度等條件的制約，其大比例尺地形圖測繪更宜使用多旋翼無人機來完成。通過搭載增穩(wěn)云臺和單鏡頭正射相機，配合城市衛(wèi)星定位連續(xù)運行參考站系統(tǒng)和PPK后差分解算系統(tǒng)，在最大程度上保證了成圖的效率和精度，其主要實施流程如圖1。

測區(qū)位于長沙市望城經(jīng)開區(qū)，屬丘陵地形，測區(qū)面積27 km2，地形圖成圖比例尺為1∶1000，航空攝影采用八旋翼無人機搭載SONY A7R2相機，航高為300 m，地面分辨率優(yōu)于8 cm，航向重疊度≥85%，旁向重疊度≥65%，共獲取有效影像5 561張。本次航飛同時搭載了PPK后差分設備，GNSS衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)采集率為1 Hz，結(jié)合CORS系統(tǒng)虛擬基站數(shù)據(jù)，能夠有效減少地面像控點布設的數(shù)量，實際量測像控點64個?？杖用茉赑ix4Dmapper中分架次完成, 像控點殘差X方向絕對值最大值為0.031 m、Y方向絕對值最大值為0.034 m、Z方向絕對值最大值為0.016 m，成圖中誤差M平面=±0.28 m、M高程=±0.12 m，滿足1∶1000地形圖測繪的要求。

圖1 地形圖測繪流程

2 地面三維模型制作

利用無人機搭載多視角相機進行傾斜攝影重建地面實景三維技術已逐步成熟[1]，但鑒于實景三維成果為TIN+三角面紋理覆蓋，每個測區(qū)就是一個整體成果，在城市設計、城市規(guī)劃勘測以及各類信息系統(tǒng)平臺建設方面應用還存在一定的局限性，而三維精細建模在工作效率上遠遠無法滿足現(xiàn)代城市規(guī)劃建設快速發(fā)展的需求[2]，因此在實景三維的基礎上輔以建筑單體化精細編輯，則在效率、精度、精細程度和空間分析方面更具優(yōu)勢，是目前城市三維建模比較理想的方式。其主要實施流程如圖2。

測區(qū)仍位于長沙市望城經(jīng)開區(qū)，測區(qū)面積24 km2，采用八旋翼無人機搭載五鏡頭傾斜相機，無人機飛行相對航高120 m，下視鏡頭地面分辨率0.03 m，航向與旁向重疊度均不小于75%，共獲取影像約13.8萬張。采用PPK后差分系統(tǒng)配合GNSS連續(xù)運行參考站系統(tǒng)進行POS解算，實際量測地面像控點91個。利用ContextCapture軟件進行像控點轉(zhuǎn)刺和量測、空三加密與實景三維自動重建。實景三維建模生產(chǎn)時，所有提交的生產(chǎn)項目采用統(tǒng)一的設置參數(shù)，以確保各個分區(qū)的Tile名稱唯一且沿Tile邊緣完好接邊。

圖2 地面三維建模流程

實景三維建模不可避免地會產(chǎn)生空中漂浮物、部分路面不平整、水面破洞等瑕疵，采用單體化建模軟件DPmodeler對異常漂浮物刪除、路面壓平(去除主要道路車輛)以及水面填補等。然后利用正射鏡頭創(chuàng)建的立體像對，在立體觀測下采集擬單體化建筑屋頂?shù)膸缀谓Y(jié)構(gòu)，配合編輯好的DEM成果自動生成具有高度的建筑物模型。自動生成的建筑物模型利用3Dmax軟件轉(zhuǎn)換成OBJ格式導入實景三維中，再在Dpmodeler軟件環(huán)境中利用傾斜照片對單體化建筑物進行自動紋理映射。

對地面三維模型成果需進行外觀目視和數(shù)學精度兩方面的檢驗。外觀目視檢查即瀏覽三維模型的外觀，查看是否有漏洞、色差、接邊問題、不合理碎片以及不合理凹凸等質(zhì)量情況。數(shù)學精度檢驗是利用外業(yè)實測控制點與地面檢查點，對三維模型成果進行同名點數(shù)學精度檢驗。本項目共采集207個平高點進行精度檢查統(tǒng)計，經(jīng)統(tǒng)計，成果中誤差M平面=±0.147 m，M高程=±0.128 m，滿足城市大比例尺地形圖測繪的要求。

該項目經(jīng)單體化的三維模型可達精細建模的標準，在相應管理應用平臺中將相關屬性錄入后可進行查詢分析，也可輸出通用格式在AutoCAD、湘源控規(guī)、SketchUp等規(guī)劃設計平臺中加載使用，其生產(chǎn)周期也極為短暫，為相關信息管理系統(tǒng)建設、三維城市設計以及大型項目選址、規(guī)劃、設計提供了基礎數(shù)據(jù)保障[2-3]。

3 輔助應急測繪、交通改造及城市設計

為適應應急管理、交通改造、城市設計等工作的要求，需提供實時的綜合地理現(xiàn)狀信息，方能進行科學的設計和決策。而已有的傳統(tǒng)4D產(chǎn)品往往在現(xiàn)勢性上略顯不足，重新測繪耗時耗力且必要性不強，因此可采用多旋翼無人機搭載攝像或?qū)崟r圖像傳輸系統(tǒng)，定點或按一定路線采集動態(tài)影像信息，既靈活迅速便捷，又可展現(xiàn)不一般的DOM和DLG風貌。

在汛期前后分別獲取重點水域的實時影像，為防汛指揮與災害評估提供及時服務。在城市設計中，以無人機巡航攝影代替設計人員現(xiàn)場調(diào)研，既能提高效率，又可以全局的視角綜合考量，形成城市綠色空間體系。在城市交通改造中，多旋翼無人機配備相應的不間斷電源設備后可在空中定點對各類道路進行實時狀況調(diào)查和交通流量監(jiān)測，以此展開調(diào)查，對相關片區(qū)主要車道的交通流量、車速及交通轉(zhuǎn)換量進行分析，進而可對區(qū)域交通運行情況進行系統(tǒng)評估，提出交通改造計劃。

4 輔助水生植物調(diào)查

為進行市內(nèi)某湖的環(huán)湖水域原有水生植物冬季收割面積的統(tǒng)計和維護費用的計算，需對該水域水生植物面積進行測算及復查。外業(yè)實測具有較大難度和危險，且存在測量不全、不準的可能，利用無人機單鏡頭正射航拍成果進行快拼制作正射影像圖，通過對水下植物影像的不同光譜反射特性，采用監(jiān)督分類和人工解譯相結(jié)合的方式，可較為全面準確地掌握環(huán)湖水下植物的覆蓋范圍與面積。本測區(qū)4 km2，單鏡頭航拍的航向重疊度85%、旁向重疊度65%，共采集197張影像。由于此項工作對地物的相對精度要求較高，而對絕對精度則無較高要求，因此只需量測4個像控點即可滿足要求，極大程度地提高了工作效率。

5 輔助規(guī)劃監(jiān)測與景觀研究

多旋翼無人機的應用領域還有：在遙感執(zhí)法監(jiān)測違章建筑中，對云影、陰影與遮擋的疑似違建圖斑以及重點建筑、重點區(qū)域進行單獨調(diào)查、取證；配合“兒童友好城市”創(chuàng)建的相關設計項目，無人機以1～1.2 m的高度緩緩漫步園區(qū)采集影像數(shù)據(jù)，為設計師們提供了兒童視角的體驗和感知，進而探尋兒童對環(huán)境景觀的真實需求，做出更合理的景觀設計；配合“城市雙修”進行某新區(qū)戶外廣告牌專項規(guī)劃，利用多旋翼無人機搭載動態(tài)影像獲取設備分別于晝夜在空中掠過，戶外廣告牌一覽無余，同時將關注視角放在戶外廣告設置與城市景觀的協(xié)調(diào)性上，進而輔助設計師進行更適宜、更人性化的專項規(guī)劃設計。

6 結(jié)語

本文通過多旋翼無人機在各類項目中的應用，提出了充分發(fā)揮其特性的多種思路和途徑，包括傳統(tǒng)大比例尺地形圖測繪、城市三維仿真建模、應急測繪、城市規(guī)劃與城市設計、交通改造、專題信息提取、違建監(jiān)測等，在諸多業(yè)務領域內(nèi)都有其用武之地，且有著便捷、直觀、靈活等顯著優(yōu)勢，尤其是在涉及山體、水域、高速公路等項目中，更加安全高效。因此，多旋翼無人機航攝系統(tǒng)在城市規(guī)劃勘測相關業(yè)務中應用的可行性和必要性均較強，在后續(xù)推廣應用中更應進一步拓寬思路、完善技術。