無人機傾斜攝影技術(shù)在鄉(xiāng)村三維規(guī)劃中的應用研究

范 印,李 果,劉登飛

(1.河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院,河南 南陽 473000;2.河南省自然資源監(jiān)測院 河南省地質(zhì)災害防治重點實驗室,河南 鄭州 450000)

0 引言

《中共中央、國務院關(guān)于實施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的意見》中提出了“到2050 年,鄉(xiāng)村全面振興,農(nóng)業(yè)強、農(nóng)村美、農(nóng)民富全面實現(xiàn)”的奮斗目標,筆者認為,村莊規(guī)劃是否科學合理事關(guān)振興全局。

現(xiàn)在鄉(xiāng)村建設過程中,無規(guī)劃、亂規(guī)劃的現(xiàn)象比較普遍,農(nóng)村耕地破壞情況比較嚴重。 大量的基礎測繪數(shù)據(jù)作為決策依據(jù)是做好鄉(xiāng)村規(guī)劃工作、美麗鄉(xiāng)村建設的前提。 傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)獲取手段以人工測繪為主,耗時較長,費用高。 而利用無人機航測技術(shù),能夠快速地獲得大量的村莊實景照片數(shù)據(jù),照片數(shù)據(jù)導入三維建模軟件進行智能化數(shù)據(jù)處理,得到實景三維模型等新型測繪產(chǎn)品,人不需要去現(xiàn)場就可以進行規(guī)劃設計,大部分的工作由室外轉(zhuǎn)到室內(nèi)。

1 傾斜攝影測量的原理

傾斜攝影測量技術(shù),是相對于傳統(tǒng)的豎直航空攝影測量而言的,能夠在飛行平臺上搭載多臺不同角度的相機,同時從垂直、前、后、左、右等多個角度拍攝地面實景影像,而垂直攝影測量是一個鏡頭一個方向,局限性較大,不能真實反映地物地貌的真實情況,傾斜攝影測量優(yōu)勢明顯[1]。

在攝影前確定航攝分區(qū)、航線設計、航線敷設、航高、重疊度,同時,進行像控點布設與測量提供精確的空間定位信息,從而實現(xiàn)利用多角度影像建立帶有精確地理信息坐標的實景三維模型。

2 應用案例

2.1 項目區(qū)概況

A 村位于河南省安陽市滑縣縣城東南角,屬暖溫帶-亞熱帶氣候,冬季寒冷雨雪少,春季干旱風沙多,夏季炎熱雨水豐沛,秋季晴和日照足。 人口約8 000 人,距離縣城僅5 km,距離安陽市區(qū)約70 km,北部有S222省道通過,東側(cè)有S213 省道與大廣高速路通過,老史路貫穿整個村域連接S222 與S213 省道,區(qū)位條件較好,交通優(yōu)勢明顯,農(nóng)作物主要盛產(chǎn)西瓜、西芹等。

2.2 數(shù)據(jù)采集

在進行無人機外業(yè)飛行之前,需要提前了解測區(qū)的天氣情況,應該選擇在晴朗無云的天氣條件下進行,確保作業(yè)現(xiàn)場飛機能夠平穩(wěn)正常飛行,獲取到的外業(yè)數(shù)據(jù)準確,可供內(nèi)業(yè)測圖利用[2]。 根據(jù)測區(qū)面積大小,進行無人機航線的自動規(guī)劃設計,本次任務飛機飛行高度200 m,影像分辨率為4 cm,航向和旁向重度率分別為85%,75%。

2.3 三維建模

本次建模采用實景三維建模軟件 Context Capture,這款軟件可以根據(jù)照片創(chuàng)建規(guī)模宏大的三維實景模型,可以快速為各種類型的基礎設施項目生成最大尺寸、最具挑戰(zhàn)性的現(xiàn)狀三維模型,包括源自任何數(shù)碼照片的與整個城市同樣大小的規(guī)模,還支持最精密復雜的航空相機系統(tǒng)和 UAV 采集系統(tǒng)。 與傳統(tǒng)建模工藝相比,傾斜攝影測量的相機傳感器可以在無人機上從多個不同角度同時進行拍攝,多角度的照片能較好地反映物體全部的紋理信息。 三維建模技術(shù)的主要流程如下[3]。

(1)數(shù)據(jù)預處理。 由于飛行高度、飛行角度、天氣狀況等因素,導致獲取照片的色彩與實際地物相比會存在一定失真的現(xiàn)象,需要利用PS 對原始照片進行勻光勻色等處理操作,最后要刪除起飛、降落等產(chǎn)生的多余照片。 把采集到的影像進行畸變差改正與勻光勻色等一系列相關(guān)處理,確保獲取合格照片。

(2)新建工程,導入外業(yè)獲取的原始數(shù)據(jù)。 進行空中三角測量、光束法區(qū)域網(wǎng)平差,每張照片的更精確的6 個外方位元素被精確計算得到,加密的控制點的三維坐標及更好的同名像點匹配結(jié)果被得到。 在已知每張影像外方位元素的情況下,進行密集匹配,獲取高密度三維點云數(shù)據(jù)。

(3)根據(jù)高密度點云數(shù)據(jù),生成測區(qū)不規(guī)則三角網(wǎng)(Triangulated Irregular Network,TIN),不規(guī)則三角網(wǎng)一種矢量形式的地理信息數(shù)據(jù),多個折點手拉手組成網(wǎng)狀三角形。 CC 支持 Delaunay 三角測量算法,維模型白膜與TIN 格網(wǎng)疊加。

(4)對不規(guī)則三角格網(wǎng)進行紋理映射,白膜上呈現(xiàn)真實的地物顏色信息,建立村莊的實景三維模型。

(5)正射影像圖(Digital Orthophoto Map,簡稱DOM)是利用數(shù)字表面模型對原始照片,經(jīng)微分糾正、鑲嵌等操作處理后,形成的影像數(shù)據(jù)集以及正射影像。

(6)數(shù)字地形圖生產(chǎn),獲得實景三維模型和數(shù)字正射影像后,將模型數(shù)據(jù)導入CASS3D 地物采集平臺,可以在平臺上進行裸眼立體測圖,實時得到二維地形圖測繪產(chǎn)品[4]。 地物繪制完成后,采集三維模型高程點,自動生成等高線,經(jīng)圖廓整飾后形成大比例的數(shù)字地形圖,地形如圖1 所示。

圖1 地形

2.4 村莊具體規(guī)劃

本村莊規(guī)劃是在無人機航測所獲得的數(shù)字正射影像和村莊實景三維模型上進行,村莊現(xiàn)狀數(shù)據(jù)現(xiàn)勢性強,精度較高,地物地理信息數(shù)據(jù)全面無漏洞,實景三維模型可以多角度全方位呈現(xiàn)村莊實景面貌,在模型上進行規(guī)劃設計,規(guī)劃專業(yè)人員可以與村民保持溝通,征求各方意見,保證規(guī)劃的合理性、科學性和吸納群眾的真實反饋意見,老糧庫規(guī)劃、沿湖綠地規(guī)劃總平面圖及鳥瞰圖如圖2—3 所示。 廣場三維規(guī)劃設計及公園規(guī)劃設計如圖4—5 所示。

圖2 老糧庫規(guī)劃總平面

圖3 沿湖綠地規(guī)劃總平面圖及鳥瞰

圖4 廣場三維規(guī)劃設計

圖5 公園規(guī)劃設計

3 結(jié)語

本文通過無人機傾斜攝影技術(shù)獲得大量的地物傾斜照片數(shù)據(jù),照片數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后,得到了村莊的正射影像圖、數(shù)字高程模型、數(shù)字地形地貌數(shù)據(jù)、實景三維模型,在此成果基礎上對A 村的老糧庫和沿湖綠地進行了規(guī)劃設計。 利用無人機傾斜攝影技術(shù)不僅可以節(jié)約大量的時間和資金成本,而且可以以較快的速度獲取最新的、高精度的測繪數(shù)據(jù)成果[5]。 同時基于村莊實景三維模型設計,規(guī)劃設計更加具有立體感、多角度、全方位的展示,設計成果能夠吸納群眾真實的反饋意見。