基于無人機(jī)實(shí)景三維建模技術(shù)的智能測繪與規(guī)劃研究與應(yīng)用

吳錦波 王 鑫 鐘 煒

(天津理工大學(xué) 管理學(xué)院，天津 300384)

引言

隨著城市建設(shè)速度和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，建筑業(yè)對城市測繪和規(guī)劃的方式提出了高效高質(zhì)的新要求。一種新的測繪方式也應(yīng)運(yùn)而生——無人機(jī)實(shí)景三維建模技術(shù)。無人機(jī)實(shí)景三維建模技術(shù)就是將傾斜攝影技術(shù)應(yīng)用到無人機(jī)上，再通過專業(yè)軟件處理生成實(shí)景三維模型，使測繪更加真實(shí)、快速和智能。即通過在同一無人機(jī)設(shè)備上搭載多臺(tái)傳感器，同時(shí)從垂直、傾斜等不同角度采集影像[1]，再利用Altizure等專業(yè)軟件處理形成實(shí)景三維模型。這是一種隨著計(jì)算機(jī)圖形圖像技術(shù)發(fā)展而孕育出的將物體以三維模型的方式反映在計(jì)算機(jī)當(dāng)中的圖像技術(shù)[2-10]。

本文將結(jié)合無人機(jī)實(shí)景三維建模技術(shù)在國內(nèi)外的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀，具體分析其在某高校園區(qū)的具體測繪和規(guī)劃過程中的智慧應(yīng)用。

1 國內(nèi)外研究和應(yīng)用現(xiàn)狀

城市用地建設(shè)飛速增長是較為發(fā)達(dá)的國家和地區(qū)的普遍現(xiàn)象，智慧城市的理念被越來越多提及以更高效高質(zhì)地進(jìn)行城市用地建設(shè)。而從軍用無人機(jī)到民用無人機(jī)的普及，配合傾斜攝影技術(shù)的發(fā)展，使其在建筑測繪上應(yīng)用更加廣泛。利用無人機(jī)實(shí)景三維建模技術(shù)對城市用地進(jìn)行智能測繪和規(guī)劃是響應(yīng)智慧城市的發(fā)展要求。

1.1 國外發(fā)展現(xiàn)狀

城市用地建設(shè)的迅猛發(fā)展和城市人口的增長對城市用地建設(shè)的效率提出了要求。對此，世界各國政府組織都提出了計(jì)劃，支持和發(fā)展無人機(jī)實(shí)景三維建模技術(shù)在城市用地規(guī)劃上的應(yīng)用。

新加坡共和國位于馬來半島南端、馬六甲海峽出入口。20世紀(jì)60年代至70年代中后期，新加坡受到亞洲金融危機(jī)的沖擊，政府意識(shí)到發(fā)展信息通信技術(shù)的重要性，于2009年8月全面開啟光纖到戶實(shí)施“路網(wǎng)分離”，由基建公司利用無人機(jī)實(shí)景三維建模技術(shù)，進(jìn)行全盤規(guī)劃和維護(hù)，避免重復(fù)投資。

美國自然資源豐富，工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)門類齊全，集約化程度高。但早在2001年，由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展較快，電力消費(fèi)持續(xù)增長，全國經(jīng)歷多次大范圍停電。據(jù)此，美國提出了智能電網(wǎng)的方案，來維修老舊電力設(shè)施和建設(shè)新的發(fā)電廠。通過無人機(jī)實(shí)景三維建模技術(shù)，搭建城市用地和電網(wǎng)模型，進(jìn)行深入分析，合理規(guī)劃，為新建發(fā)電廠進(jìn)行合理選址，并且利用無人機(jī)對電網(wǎng)進(jìn)行電力巡線，找準(zhǔn)病癥，提高維修效率[11]。

1.2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

我國在城市用地建設(shè)上發(fā)展迅速但缺少合理的規(guī)劃和利用，政府為應(yīng)對當(dāng)前形勢出臺(tái)了一系列促進(jìn)無人機(jī)實(shí)景三維建模技術(shù)在城市用地建設(shè)應(yīng)用上的政策。在《國家地理信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2014～2020年)》中，明確提出：重點(diǎn)發(fā)展低空和無人機(jī)航空遙感數(shù)據(jù)服務(wù)，加強(qiáng)高安全度低空遙感平臺(tái)的產(chǎn)品化和產(chǎn)業(yè)化推廣。

此外，與傳統(tǒng)測繪方式相比，無人機(jī)實(shí)景三維建模技術(shù)擁有不可替代的優(yōu)勢地位。將人工手測、全站型電子測距儀以及無人機(jī)實(shí)景三維建模技術(shù)進(jìn)行對比，如表1所示。

表1 主流測繪方式的對比分析

表2 不同國家智能測繪和規(guī)劃應(yīng)用的對比分析

全站儀測量儀器精密，價(jià)格高昂，不易運(yùn)輸和攜帶，在測繪之前需要進(jìn)行繁雜的準(zhǔn)備工作； 人工測繪的效率幾乎是無人機(jī)實(shí)景三維建模技術(shù)的1/600。相比之下，無人機(jī)設(shè)備輕便，測量前準(zhǔn)備工作少，機(jī)器到場后可以立即投入使用，效率高，更加適用于較大范圍內(nèi)的快速測繪。雖然無人機(jī)實(shí)景三維模型的精度沒有達(dá)到毫米級(jí)，但是已經(jīng)可以滿足現(xiàn)代城市快速發(fā)展下的智能測繪和規(guī)劃需求。

目前我國應(yīng)用無人機(jī)實(shí)景三維建模技術(shù)較為成熟的是在電網(wǎng)領(lǐng)域。我國在國家電網(wǎng)輸電線路的快速巡線、近距離觀測和故障檢修上都應(yīng)用無人機(jī)系統(tǒng)，集航空、遙感、地理信息、傳感器、信息處理等多個(gè)先進(jìn)技術(shù)為一體[12]，具有極高的效率和工作優(yōu)勢，支撐起電網(wǎng)線路的安全運(yùn)營。利用多鏡頭融合技術(shù)獲取參數(shù)后，建立輸電線路的初始幾何模型，利用插值等數(shù)學(xué)算法來恢復(fù)輸電線路的紋理特征，再結(jié)合自動(dòng)化建模軟件實(shí)現(xiàn)輸電線路地物紋理模型的快速重建。

1.3 綜合對比

結(jié)合無人機(jī)實(shí)景三維建模技術(shù)在新加坡、美國和中國的不同發(fā)展情況，如表2所示，可以更清晰地看出將無人機(jī)實(shí)景三維建模技術(shù)應(yīng)用在智慧城市建設(shè)上的優(yōu)勢。

新加坡、美國、中國各自建設(shè)背景不同，卻有共通之處，無人機(jī)實(shí)景三維建模技術(shù)解決了傳統(tǒng)測繪方式效率低下耗費(fèi)人工的缺點(diǎn)，能夠快速搭建大范圍的城市建設(shè)用地模型，為城市智能測繪和規(guī)劃提供了新的解決方案。但在國內(nèi)，無人機(jī)實(shí)景三維建模技術(shù)的運(yùn)用還不夠成熟，市場還有待開發(fā)。

2 某高校園區(qū)用地模型建立

本次擬使用大疆四旋翼無人機(jī)智能設(shè)備，設(shè)計(jì)合理的航線，運(yùn)用傾斜攝影技術(shù)和Altizure內(nèi)置算法得到某高校園區(qū)實(shí)景三維模型，對空地進(jìn)行智能測繪，以供規(guī)劃。

圖1 無人機(jī)三維實(shí)景建模流程

首先，結(jié)合地圖以及實(shí)地考察，可知該高校整體建筑物和道路分布較為整齊劃一，整體布局類方形，有規(guī)律可循，所以可設(shè)計(jì)S形飛行航線，以全面采集信息。

其次，為確保同時(shí)滿足地物亮度和影像反差，選擇云層密度較低、陽光較為強(qiáng)烈的時(shí)段進(jìn)行航飛采集圖像。

確定S形航線后，選定大疆四旋翼無人機(jī)智能設(shè)備。同時(shí)，為提高成像精度，搭載有效像素為1 235萬、26mm、f/2.2、對焦點(diǎn)為0.5m至無窮遠(yuǎn)的鏡頭。

在飛行階段采用傾斜攝影技術(shù)，從一個(gè)垂直、四個(gè)傾斜角度同步曝光采集影像，獲取真實(shí)地物信息。

為提高最終的成像質(zhì)量，在采集圖像時(shí)航向重疊控制在60%及以上，旁向重疊控制在30%及以上。得到系列圖像之后，將圖像編號(hào)排序，大致分為三組。將三組圖像進(jìn)行勻光處理和區(qū)域平差聯(lián)合處理，進(jìn)行顏色校正，最后得到質(zhì)量較好的照片。將采集所得照片導(dǎo)入Altizure軟件，整合得到該高校園區(qū)的實(shí)景三維模型[13]。

圖2 Altizure拼接的某高校園區(qū)實(shí)景三維模型

此模型精確描述了校園的地物位置，從圖中可以看出，該高校整個(gè)校區(qū)的排布成四方形，樓與樓之間的距離整齊劃一，大致相似，建筑物的高度也保持在均勻的水平上，整體規(guī)劃較為完善。分割南北校區(qū)的道路是全校范圍內(nèi)最寬的一條馬路，為交通要道。縱觀整張圖片，在校區(qū)的最西側(cè)靠近河道處有一塊荒廢的空地，北校區(qū)住宿區(qū)和鐘樓附近也有較大面積的空地。在對校園進(jìn)行二次規(guī)劃的時(shí)候，應(yīng)當(dāng)合理考慮這兩塊空地的使用。

無人機(jī)實(shí)景三維建模技術(shù)在短時(shí)間內(nèi)就給出了該高校園區(qū)的實(shí)景三維模型，為后期空地規(guī)劃提供了極大的便利。但運(yùn)用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)獲取的照片也存在一些問題，如在模型匹配時(shí)會(huì)不可避免地存在模型扭曲變形的問題，主要在建筑物或地物的底角部位。并且實(shí)景三維模型是以超高密度點(diǎn)云生成的DSM，不同于人工建?？梢钥刂颇Ｐ偷谋砻鏀?shù)量，通過計(jì)算機(jī)自動(dòng)處理會(huì)生成數(shù)量驚人的三角面，這對于編輯后續(xù)的數(shù)據(jù)管理及展現(xiàn)都提出了很高的要求。

3 模型分析和智能規(guī)劃

3.1 前期分析

得到該高校園區(qū)實(shí)景三維模型后，進(jìn)行整體分析，發(fā)現(xiàn)校園的基礎(chǔ)設(shè)施較為完善，但還缺少一個(gè)可以舉辦大型賽事的體育館，擬在原有基礎(chǔ)上新建一大型體育館。

圖3 方案一：擬建體育館位于西邊空地

首先，導(dǎo)入通過測繪得到的該高校園區(qū)實(shí)景三維模型，在西邊空地上增加一個(gè)模擬的體育館模型，通過漫游模型模擬一天中的人流車流對新建體育館和周邊建筑物的影響。由于西邊空地位于校區(qū)主干道的盡頭，便于駕車抵達(dá)，所以新建體育館會(huì)導(dǎo)致一天內(nèi)進(jìn)入校內(nèi)的車流量劇增，且西邊空地周圍沒有多余空地用于停車場的建設(shè)，造成交通擁堵。此外，西邊空地位于學(xué)院樓和學(xué)校辦公中心的附近，過多的人流量對學(xué)院和學(xué)校的辦公造成極大的負(fù)面影響。所以不宜采用方案一。

圖4 方案二：擬建體育館位于鐘樓北邊

接著，運(yùn)用相同的方式在北邊靠近鐘樓一側(cè)的空地進(jìn)行虛擬體育館建模。建模完成后，該高校園區(qū)北區(qū)鐘樓的西側(cè)還留有較大面積的空地可用于停車場的建設(shè)，為交通擁堵問題提供了解決方案。其次，通過實(shí)景三維模型，可得虛擬體育館與該校區(qū)北門或北門的距離大致相近，說明兩種方案都利于外來人員抵達(dá)體育館。此外，北區(qū)宿舍樓臨近擬建體育館，有利于在校生的活動(dòng)。

綜合對比分析虛擬建模的過程，利用信息采集和動(dòng)態(tài)監(jiān)控、數(shù)據(jù)技術(shù)和分析、互聯(lián)協(xié)同、智慧化的利用開發(fā)和預(yù)測決策支持等，可以得出在鐘樓北邊空地建設(shè)新體育館是合理的選擇。

圖5 體育館實(shí)景三維建模圖

3.2 建設(shè)過程

建設(shè)過程中充分將實(shí)景三維模型和設(shè)計(jì)模型進(jìn)行結(jié)合，分析對比得出高效高質(zhì)的建設(shè)方案。

確定選址之后，在實(shí)景三維模型中導(dǎo)入體育館的設(shè)計(jì)模型。結(jié)合現(xiàn)有道路狀況，分析體育館出入口設(shè)置以及采光狀況，得出眼狀體育館應(yīng)呈南北向分布。此外，利用實(shí)景三維模型和設(shè)計(jì)模型的結(jié)合，設(shè)計(jì)周邊的綠化為貼合體育館建筑的環(huán)帶形綠化。

接下來，結(jié)合設(shè)計(jì)模型模擬施工隊(duì)的進(jìn)場以及每天施工人員和設(shè)備的流動(dòng)，得出最佳施工安排。在不影響在校師生正常教學(xué)活動(dòng)的前提下，高效完成體育館的建設(shè)項(xiàng)目。

在建設(shè)過程中，定期使用無人機(jī)實(shí)景三維建模技術(shù)對體育館以及周邊用地進(jìn)行建模測繪，更新實(shí)景三維模型，結(jié)合信息平臺(tái)實(shí)時(shí)管控體育館建設(shè)的進(jìn)度和人員的流動(dòng)，為該校區(qū)體育館的建設(shè)提供后備方案和改進(jìn)建議。

體育館建設(shè)完成后，再次使用無人機(jī)對該校區(qū)進(jìn)行圖像采集，測繪實(shí)景三維模型。與建設(shè)初期的合成模型進(jìn)行重疊對比，總結(jié)差異，為下一次的建設(shè)提供經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。

在整個(gè)建設(shè)過程中，無人機(jī)實(shí)景三維建模技術(shù)和信息平臺(tái)的結(jié)合運(yùn)用，有效地提高了土地利用率，促進(jìn)了建設(shè)過程高效高質(zhì)完成，減少閑置。

圖6 體育館及周邊平面圖

4 結(jié)語

通過研究無人機(jī)實(shí)景三維建模技術(shù)在某高校園區(qū)的智能測繪和規(guī)劃上的應(yīng)用，深入分析智能算法和圖像處理的計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)，從而達(dá)到了在該區(qū)域進(jìn)行實(shí)景建模數(shù)字化快速成模的效果。從測繪建模到設(shè)計(jì)規(guī)劃再到后期運(yùn)維，無人機(jī)實(shí)景三維建模技術(shù)提供了一個(gè)強(qiáng)有力的高效操作平臺(tái)，減少不必要的施工步驟和避免不合理的校園規(guī)劃，使校園布局規(guī)劃高效高質(zhì)完成，建立起一個(gè)整體的智慧校園系統(tǒng)。整個(gè)測繪的過程和規(guī)劃的結(jié)果在房地產(chǎn)勘察和用地規(guī)劃領(lǐng)域有較強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值。

相信在未來信息技術(shù)越發(fā)完善的條件之下，該技術(shù)可以在我國城市用地建設(shè)上廣泛應(yīng)用。