傾斜攝影測(cè)量三維重建在城市規(guī)劃管理中的應(yīng)用研究

郭海樂(lè)

(東莞市地理信息與規(guī)劃編制研究中心，廣東 東莞 523000)

0 引 言

計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展實(shí)現(xiàn)了對(duì)城市規(guī)劃、管理、建設(shè)的維度，城市理的數(shù)字化表達(dá)正逐步由二維向三維過(guò)渡，與之對(duì)應(yīng)的城市規(guī)模化建設(shè)也呈現(xiàn)一種立體化趨勢(shì)[1]。相比常規(guī)的二維化表達(dá)，三維數(shù)據(jù)具有更強(qiáng)的豐富性與立體性，可在規(guī)劃過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)空間的動(dòng)態(tài)化交互。

傳統(tǒng)的城市規(guī)劃管理以二維人工建模方式進(jìn)行操作，盡管此種操作方式可以滿足城市規(guī)劃管理的基本需求，但在此過(guò)程中需要管理方投入大量的人力與物力資源，通過(guò)布設(shè)傳感器人工獲取數(shù)據(jù)信息。一旦傳感儀器的布設(shè)位置存在偏差，便會(huì)在構(gòu)建復(fù)雜場(chǎng)景結(jié)構(gòu)時(shí)出現(xiàn)精度方面誤差。而在本文的研究中，引進(jìn)了傾斜攝影技術(shù)，采用三維激光掃描的方式，對(duì)構(gòu)建場(chǎng)景的精度與效率進(jìn)行針對(duì)性處理[2]。以此解決點(diǎn)云數(shù)據(jù)冗余量大、場(chǎng)景重構(gòu)效率低、算法計(jì)算步驟復(fù)雜等問(wèn)題。但相關(guān)此方面的研究截至目前尚未輸出有效的研究成果，大多檢驗(yàn)僅局限于理論。因此，本文將基于實(shí)踐層面，對(duì)此項(xiàng)技術(shù)在城市規(guī)劃管理中的應(yīng)用進(jìn)行深入研究，以期通過(guò)此次研究，實(shí)現(xiàn)對(duì)城市三維立體模型的高效率構(gòu)建，解決城市傳統(tǒng)規(guī)劃管理工作存在的不足。

1 基于傾斜攝影測(cè)量三維重建的城市規(guī)劃管理

1.1 傾斜攝影測(cè)量像控點(diǎn)選取與測(cè)定

在對(duì)城市規(guī)劃管理前，首先需要通過(guò)傾斜攝影測(cè)量像控點(diǎn)對(duì)城市整體面貌進(jìn)行把握。在對(duì)像控點(diǎn)選取時(shí)，根據(jù)城市規(guī)劃建設(shè)的特點(diǎn)，應(yīng)當(dāng)采用平高點(diǎn)作為主要的測(cè)控點(diǎn)[3]。同時(shí)，選擇以無(wú)人機(jī)航拍攝像上影像能夠清晰顯示，并且坐標(biāo)明確的特征點(diǎn)作為像控點(diǎn)。利用ZJCORS對(duì)需要進(jìn)行規(guī)劃管理的城市區(qū)域的像控點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量。在測(cè)量的過(guò)程中，保證對(duì)每個(gè)像控點(diǎn)完成2次觀測(cè)，并且每次不得少于10個(gè)歷元，選擇每次測(cè)量得到的數(shù)據(jù)平均值作為最終的測(cè)定結(jié)果。傾斜攝影測(cè)量像控點(diǎn)布設(shè)方案。

圖1 傾斜攝影測(cè)量像控點(diǎn)布設(shè)方案示意圖

圖1中K1～K13表示為該區(qū)域當(dāng)中所有的測(cè)控點(diǎn)，為了確保后續(xù)測(cè)量及匹配的效率，針對(duì)圖像當(dāng)中存在的部分不具備較高測(cè)量?jī)r(jià)值的測(cè)點(diǎn)，例如K2、K3、K9等，可將其排除，選擇將剩余測(cè)點(diǎn)作為像控點(diǎn)[4]。在實(shí)際操作中，針對(duì)像控點(diǎn)測(cè)量可選用GNSS RTk配合電子手簿的方式完成測(cè)定。

1.2 無(wú)人機(jī)傾斜攝影及城市影像匹配

在上述傾斜攝影測(cè)量像控點(diǎn)的基礎(chǔ)上，利用無(wú)人機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)城市圖像的傾斜攝影。在實(shí)際操作中，首先需要針對(duì)無(wú)人機(jī)的性能進(jìn)行檢驗(yàn)，再根據(jù)規(guī)劃管理需要對(duì)無(wú)人機(jī)的飛行路線進(jìn)行明確，最后完成數(shù)據(jù)的采集以及對(duì)城市影像的匹配[5]。無(wú)人機(jī)的性能測(cè)試主要是針對(duì)其是否能正常起飛，電池電量是否充足等問(wèn)題進(jìn)行檢驗(yàn)。在確定無(wú)人機(jī)的運(yùn)行質(zhì)量后，要求無(wú)人機(jī)在飛行過(guò)程中其相應(yīng)的航攝參數(shù)應(yīng)當(dāng)按照表1所列來(lái)設(shè)定。

表1 無(wú)人機(jī)傾斜航攝參數(shù)表

按照表1所示內(nèi)容對(duì)無(wú)人機(jī)傾斜航攝參數(shù)設(shè)定，以此能夠確保城市規(guī)劃管理范圍內(nèi)模型的完整性。為了提高影響的匹配精度，本文選擇引入Siamese網(wǎng)絡(luò)對(duì)影像特征元素進(jìn)行完整性保留，并將傳統(tǒng)方法中取出的池化層抽象語(yǔ)義特征進(jìn)行充分保留，以此確保最終匹配效果符合后續(xù)城市風(fēng)貌三維模型的構(gòu)建需要。

1.3 基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的城市風(fēng)貌三維模型重構(gòu)

結(jié)合上述測(cè)量得到的影像圖像的點(diǎn)云數(shù)據(jù)對(duì)城市風(fēng)貌三維模型進(jìn)行構(gòu)建。將模型看作一個(gè)二元組，其表達(dá)式為：(K，T)，其中K表示為模型當(dāng)中所有的拓?fù)湫畔⒓?，T表示為模型當(dāng)中所有頂點(diǎn)結(jié)構(gòu)集合，其表達(dá)式為：T={t1，t2，t3，……，tn}，以此通過(guò)(K，T)確定網(wǎng)格結(jié)構(gòu)當(dāng)中的集合圖像以及對(duì)應(yīng)位置。同時(shí)，為了能夠保證構(gòu)建的三維模型精度更高，避免點(diǎn)云數(shù)據(jù)密度和噪聲的影響，可在建模過(guò)程中，保留與城市地物結(jié)構(gòu)相關(guān)的邊緣性數(shù)據(jù)，結(jié)合Delaunay法的應(yīng)用，構(gòu)建城市風(fēng)貌形態(tài)的三角網(wǎng)。并使用Voronoi構(gòu)建相鄰線條的外接圓，構(gòu)建場(chǎng)景中三角形的最大角和最小角，通過(guò)三角網(wǎng)格的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)三維模型的重構(gòu)，如圖2所示。

圖2 基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的城市風(fēng)貌三維模型示意圖

通過(guò)上述構(gòu)建的城市風(fēng)貌三維模型可更加真實(shí)并詳細(xì)地展示城市地理面貌，并為規(guī)劃管理人員以及后期城市在發(fā)展和建設(shè)中的旅游服務(wù)業(yè)、房地產(chǎn)開(kāi)發(fā)等項(xiàng)目帶來(lái)便利條件。

2 對(duì)比實(shí)驗(yàn)

結(jié)合本文上述論述內(nèi)容，完成對(duì)基于傾斜攝影測(cè)量三維重建的城市規(guī)劃管理方法在理論層面上的設(shè)計(jì)，為驗(yàn)證該方法在實(shí)際城市規(guī)劃建設(shè)當(dāng)中是否能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)其有效管理，選擇將某城市作為研究區(qū)域，針對(duì)該城市正在開(kāi)展的規(guī)劃項(xiàng)目分別利用本文提出的管理方法和傳統(tǒng)管理方法對(duì)其進(jìn)行規(guī)劃管理。已知在兩種管理方法當(dāng)中都需要實(shí)現(xiàn)對(duì)城市規(guī)劃模型的建立，因此，為了方便驗(yàn)證，可以選擇將兩種管理方法中模型在水平方向、垂直方向以及空間坐標(biāo)方向上的精度作為實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)依據(jù)。三個(gè)方向上的誤差可通過(guò)以下公式計(jì)算得出：

(1)

公式中，m表示為水平方向、垂直方向或空間坐標(biāo)方向上模型的誤差；n表示為測(cè)點(diǎn)個(gè)數(shù)；[ΔΔ]表示為觀測(cè)點(diǎn)與真值之間的差。根據(jù)上述公式，在兩種管理方法中在其模型上隨機(jī)選擇三個(gè)對(duì)應(yīng)位置作為測(cè)點(diǎn)，并計(jì)算模型三個(gè)測(cè)點(diǎn)上三個(gè)方向上的誤差，并將得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果繪制成表2。

表2 兩種管理方法模型誤差對(duì)照表

從表2記錄結(jié)果可以看出，本文管理方法其模型上三個(gè)測(cè)點(diǎn)在三個(gè)方向上的誤差均在0.010～0.025 m范圍以內(nèi)，而傳統(tǒng)管理方法模型上三個(gè)測(cè)點(diǎn)在三個(gè)方向上的誤差均超過(guò)了0.100 0 m，嚴(yán)重不符合城市規(guī)劃中對(duì)規(guī)劃模型提出的精度要求。因此，通過(guò)上述對(duì)比實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論：本文提出的引入傾斜攝影測(cè)量三維重建的管理方法在實(shí)際應(yīng)用中能夠?yàn)槌鞘幸?guī)劃管理提供更高精度的輔助條件。

3 結(jié)束語(yǔ)

為了解決城市規(guī)劃管理工作中存在的問(wèn)題，本文此次研究引進(jìn)了傾斜攝影測(cè)量技術(shù)，結(jié)合獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，進(jìn)行城市風(fēng)貌的三維重構(gòu)研究。為了證明此次研究成果可真正應(yīng)用到城市規(guī)劃管理與建設(shè)中，選擇將某城市作為研究區(qū)域，采用實(shí)驗(yàn)的方式，對(duì)設(shè)計(jì)的成功進(jìn)行了檢驗(yàn)?？傊谛录夹g(shù)的應(yīng)用與指示下，外業(yè)數(shù)據(jù)采集能力、點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理效率、重構(gòu)場(chǎng)景的真實(shí)性均在不同程度上呈現(xiàn)提升趨勢(shì)。因此，可在后期的相關(guān)研究中，嘗試將本文設(shè)計(jì)的成果應(yīng)用到試點(diǎn)工程的管理與規(guī)劃中，在經(jīng)過(guò)多次實(shí)踐證明此方法有效后，再將此方法應(yīng)用到試點(diǎn)城市的建設(shè)工作中，以此實(shí)現(xiàn)我國(guó)城市規(guī)劃與建設(shè)的可持續(xù)發(fā)展。