無人機傾斜攝影測量建模在城市規(guī)劃中的應用

韋 通

（山東省國土測繪院，山東濟南 250000）

隨著城市發(fā)展，高層建筑物數(shù)量不斷增加，城市逐步走向立體化和規(guī)?；鹘y(tǒng)城市規(guī)劃采用基礎測繪技術手段獲取的二維線畫圖作為規(guī)劃底圖，缺乏直觀性，現(xiàn)有平面地圖難以滿足城市建設、應急保障、城市規(guī)劃的需求。與二維數(shù)據(jù)相比，三維數(shù)據(jù)具有直觀且數(shù)據(jù)信息豐富等優(yōu)勢，可以動態(tài)、多維度地展示城市，輔助開展城市建設。三維城市建模已逐步取代二維數(shù)據(jù)，成為城市規(guī)劃建設的主要工具。

城市三維建模的源數(shù)據(jù)是多樣的，包括衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)、近景攝影測量數(shù)據(jù)以及無人機航拍數(shù)據(jù)，用于城市規(guī)劃的三維建模具有精度要求，無人機傾斜攝影測量因具有拍攝范圍廣、建模速度快、精度較高的特點，且其獲取數(shù)據(jù)的成本較低，滿足城市規(guī)劃所需三維建模的需求。

1 傾斜攝影測量的關鍵技術

1.1 影像匹配

不同像片的重疊位置的同一坐標點，如同十字路口拐角，即為同名點，需要提取兩幅像片的同名點進行影像匹配。影像匹配的結果直接影響數(shù)字表面模型和三維模型的精度，對三維模型的成果質量至關重要。與正射影像相比，傾斜攝影多角度獲取影像數(shù)據(jù)，冗余信息豐富，同名點信息較多，易發(fā)生修正錯誤。特征點匹配方法具有匹配精度高、適應能力強的特點，很多傾斜攝影測量軟件是基于特征點的方式進行影像匹配，采用高斯金字塔的匹配策略提高匹配精度。

高斯差分金字塔匹配原理如圖1所示。

圖1 高斯差分金字塔匹配原理

1.2 多視影像平差

傾斜攝影測量從多個角度獲取影像，需結合POS外方位元素，采用多視圖的平差方法開展工作。使用高斯差分金字塔匹配方法獲取像片的精確外方位元素，建立控制點坐標、外方位元素的誤差方程，通過多匹配基元數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)誤差修正?？罩腥菧y量為平差工作的重點，是根據(jù)少量的地面控制點，按照一定的數(shù)據(jù)模型計算待定點坐標的處理過程，目前多采用光束法。

光束法三角測量如圖2所示。

圖2 光束法三角測量

1.3 傾斜攝影點云構建

使用密集的點云數(shù)據(jù)構建網(wǎng)絡格網(wǎng)面更加準確，通過規(guī)則格網(wǎng)和不規(guī)則的三角網(wǎng)建立三維模型的三角網(wǎng)絡，通常采用TIN作為點云的構網(wǎng)形式，采用波前算法、生長算法以及八叉樹等算法進行三角面的構建，多個三角面可以構成一個整體，生成三維模型。

TIN構建三維模型如圖3所示。

圖3 TIN構建三維模型

1.4 紋理提取

采用自動提取的方式進行目標紋理的提取，采用篩選的方式進行初步選擇，根據(jù)投影矩陣，每張像片均能夠展現(xiàn)目標三角面投影，裁減超出部分。建立三維模型與二維平面像片紋理之間的對應關系，進行紋理映射，其本質是將二維的紋理點坐標換算至三維物體表面，使其三維模型展示與實物相符。紋理提取時應盡量選擇清晰的像片。

2 基于傾斜攝影測量建模

試點區(qū)域選擇濟南市某校區(qū)，該區(qū)域建筑物較多且樣式多樣，適用于三維模型展示。

試點區(qū)域正射影像如圖4所示。

圖4 試點區(qū)域正射影像

2.1 無人機航線規(guī)劃

無人機飛行航線的規(guī)劃主要有航線的設定、飛行航高的設定、航行和旁向重疊度等因素；選擇較晴朗且無風的天氣開展飛行。試驗采用大疆四旋翼無人機，相機型號為SONY-7R，傳感器大小為36.0 mm，相機的焦距為35.320 2 mm。

式中：H——相對航高（m）；f——相機的焦距（mm）；GSD——地面的分辨率；α——像元大小。

根據(jù)無人機傾斜攝影相關測量規(guī)范，無人機像片的航向重疊率不得低于53%，一般為60%～80%；旁向重疊率一般不低于15%，通常為30%～60%。本次試驗的傾斜攝影建模對影像獲取的質量要求較高，設定航向重疊率和旁向重疊率均不低于80%。本次飛行的高度相對地面為550 m。

航線規(guī)劃如圖5所示。

圖5 航線規(guī)劃

為了保證試驗區(qū)域建模的完整性，航線規(guī)劃應略大于觀測區(qū)域，確保測區(qū)范圍能夠順利完成建模。采用Smart 3D軟件進行航攝數(shù)據(jù)處理，運用計算機視覺算法構建三維模型，采用POS數(shù)據(jù)結算外方位元素，利用基于特征的匹配算法匹配特征點，獲取高精度的同名點。

2.2 控制點布設

控制點應滿足平面和高程精度要求，保證其布設的質量和數(shù)量滿足像片控制精度的要求。布設控制點時應避免在密集建筑物、大型水域附近，可以選擇較空曠的路口、紋理差異較大的拐角等地點，像控點的布設應避免在測區(qū)邊界。

本次試驗采用CORS系統(tǒng)進行控制點的布設，CORS系統(tǒng)是動態(tài)點位坐標定位技術。以CORS基準站位固定點，用一臺GPS接收機為流動站接收GPS信號，采用區(qū)域網(wǎng)布設方案進行控制點布設。

區(qū)域網(wǎng)布設方法如圖6所示。

圖6 區(qū)域網(wǎng)布設方法

圖6(a)方法表示在測區(qū)中間位置布設高程點，在四周位置布設平高點；圖6(b)方法表示旁向重疊率較低時，需要增加重疊區(qū)域的高程點數(shù)；圖6(c)方法表示采用光束法進行平差模型，需要在關鍵位置布設平高點；圖6(d)方法表示在測區(qū)邊界密集布設平高點，以滿足外業(yè)要求。

3 城市規(guī)劃管理服務平臺

三維城市模型能夠全方位展示城市的建設成果，并實時更新，使用者可以動態(tài)監(jiān)督城市的土地利用變化情況，更加全面地對城市發(fā)展進行科學規(guī)劃，三維模型可以為城市規(guī)劃提供技術支持。數(shù)字化城市規(guī)劃管理服務平臺可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，實現(xiàn)多單位、多部門的聯(lián)合辦公，實現(xiàn)業(yè)務的高效化。

城市規(guī)劃管理服務平臺可以實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)的可視化，將傾斜攝影三維模型建立三維GIS規(guī)劃系統(tǒng)，為城市規(guī)劃管理提供必要的信息數(shù)據(jù)支持，通過數(shù)據(jù)分析得出規(guī)劃所需的數(shù)據(jù)結果?；贕IS建立的三維城市規(guī)劃系統(tǒng)可以有效地結合多種地理信息數(shù)據(jù)，不斷更新城市規(guī)劃所需信息；通過GIS系統(tǒng)所特有的空間分析、疊加顯示等功能，為規(guī)劃部門提供輔助信息。

三維GIS規(guī)劃系統(tǒng)功能如圖7所示。

圖7 三維GIS規(guī)劃系統(tǒng)功能

結合GIS建立的傾斜攝影三維模型，模擬規(guī)劃區(qū)域的建筑物和街道等實物，對現(xiàn)有的建筑物進行查看并提供參照，可以得到規(guī)劃后的效果圖。制定城市規(guī)劃方案時，可以參照三維模型進行準確的測量，對建筑物區(qū)域的容積率、光照時長等進行計算和效果計算。在三維實景平臺中，可以充分利用GIS系統(tǒng)的空間分析、定位、查詢、統(tǒng)計等功能，根據(jù)規(guī)劃后的效果圖全面展示目標區(qū)域內的街道實景。

三維城市規(guī)劃系統(tǒng)平臺能夠直觀地展示建筑物的三維仿真模型，用戶可以從各個角度和方位對規(guī)劃后的建筑物細節(jié)進行觀察，交互修改模型數(shù)據(jù)，查詢相關屬性信息。在查詢功能中，可以通過設施的類型、關鍵字段以及其他屬性字段進行單一屬性查詢，也可以通過多字段進行搜索查詢，通過定位顯示進行地圖瀏覽。

基于傾斜攝影測量獲取三維模型，采用GIS系統(tǒng)開發(fā)基于三維模型的城市實景，用于城市規(guī)劃管理平臺展示，通過平臺系統(tǒng)對城市內的道路和建筑物信息進行仿真，在平臺內可以進行街景的瀏覽與查詢。制定城市規(guī)劃方案時，傾斜攝影模型結合GIS平臺為城市建設提供指導數(shù)據(jù)，也可以根據(jù)實際需求，對小區(qū)或者特定的建筑物進行日照分析、控高分析以及通視性分析，為城市規(guī)劃管理提供重要的輔助決策數(shù)據(jù)。隨著三維建模技術和GIS技術的發(fā)展，傾斜攝影測量技術在城市三維建模中發(fā)揮著越來越重要的作用，其可以實現(xiàn)城市規(guī)劃數(shù)字化與模型化，解決城市規(guī)劃中的數(shù)據(jù)規(guī)范、標準統(tǒng)一的問題。

4 結語

研究基于無人機傾斜攝影測量建立三維模型，結合GIS系統(tǒng)建設規(guī)劃服務平臺。文章闡述傾斜攝影測量測量的相關技術，詳細介紹無人機傾斜攝影測量獲取數(shù)據(jù)的主要技術流程，基于三維模型建設規(guī)劃服務平臺，將城市三維模型應用于城市規(guī)劃建設中。