基于實景三維技術(shù)的園林規(guī)劃設(shè)計應(yīng)用研究

高小慧 胡永進 馬凱迪 胡耀天

一、引言

隨著地理信息、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、計算機等技術(shù)的飛速發(fā)展和規(guī)劃設(shè)計理念的逐步提升，規(guī)劃行業(yè)正在發(fā)生深刻的變革。在傳統(tǒng)的園林規(guī)劃設(shè)計中，常常采用1：500大比例尺地形圖作為規(guī)劃底圖，存在數(shù)據(jù)采集工作量大、成本高、符號化不直觀等問題；同時規(guī)劃設(shè)計常采用CAD軟件進行圖形繪制，屬性管理能力弱；二維數(shù)據(jù)難以整體了解現(xiàn)實世界中的地物特征、對規(guī)劃區(qū)域現(xiàn)狀描述能力不足，通過二維數(shù)據(jù)制作的效果圖與現(xiàn)實世界真實情況難以完好的契合等問題。隨著無人機行業(yè)以及實景三維技術(shù)的快速發(fā)展，對當(dāng)前的規(guī)劃和管理技術(shù)手段提出了更高要求，也給規(guī)劃設(shè)計提供了全新的技術(shù)手段。

隨著地理信息三維實景化技術(shù)的不斷成熟，商業(yè)化的無人機價格、技術(shù)門檻越來越低，為規(guī)劃設(shè)計提供了更多科學(xué)便捷的技術(shù)手段。采用大疆無人機構(gòu)建規(guī)劃區(qū)高精度實景三維地圖模型，并通過地理信息技術(shù)進行空間規(guī)劃分析，其直觀易懂、規(guī)劃效果實時展示、工作周期短等特點受到規(guī)劃院和設(shè)計院的廣泛關(guān)注，可應(yīng)用于較大范圍的園林規(guī)劃設(shè)計、房地產(chǎn)項目展示、規(guī)劃設(shè)計等領(lǐng)域。

本文擬開展基于實景三維技術(shù)的規(guī)劃設(shè)計應(yīng)用研究，通過大疆無人機進行高精度實景三維模型生產(chǎn)，并基于開源的Cesuim 3DGIS三維引擎進行規(guī)劃設(shè)計，并通過三維平臺進行日照分析、通視分析等空間分析技術(shù)，提高園林規(guī)劃的技術(shù)水平，為大范圍的園林規(guī)劃設(shè)計等提供借鑒。

二、實景三維生產(chǎn)及平臺關(guān)鍵技術(shù)

（一）實景三維概述

實景三維（3D Real Scene）是通過建立數(shù)字虛擬空間的方式，在三維場景中對現(xiàn)實空間中的物理實體進行真實化、立體化、時序化的映射與描述，實景三維作為新型的標(biāo)準(zhǔn)化測繪基礎(chǔ)數(shù)據(jù)逐漸替代了傳統(tǒng)的二維產(chǎn)品，為國家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)提供統(tǒng)一的信息化空間底座。實景三維數(shù)據(jù)可以在數(shù)字虛擬空間中建立具有結(jié)構(gòu)化及語義化的地理實體模型，支持人機物的兼容理解與實時感知，以實景三維層級和表達內(nèi)容為標(biāo)準(zhǔn)，其主要可分為部件級、城市級和地形級三種。

隨著近些年遙感軟硬件技術(shù)的極速發(fā)展，無人機實景三維建設(shè)已經(jīng)成為當(dāng)前的主流手段。其主要方法是利用無人機平臺獲取不同角度的傾斜數(shù)據(jù)，并輔以無人機位置及姿態(tài)等數(shù)據(jù)建立三維實景模型，主要步驟包括多視角影像匹配、聯(lián)合平差、三角網(wǎng)構(gòu)建、紋理映射等步驟。與傳統(tǒng)攝影測量相比，這種方式提供了豐富的地物側(cè)面紋理信息，在視覺效果上有了巨大提升，同時還提供了一個可量測的模型，將大量的外業(yè)調(diào)繪工作轉(zhuǎn)為內(nèi)業(yè)處理，大幅提升了測繪作業(yè)效率。

（二） 關(guān)鍵技術(shù)

本文研究涉及的園林規(guī)劃為小范圍場景，以大疆無人機為數(shù)據(jù)采集設(shè)備，通過無人機傾斜航測的方式構(gòu)建小范圍實景三維模型。

1.無人機傾斜航測系統(tǒng)

無人機航攝系統(tǒng)用于航空遙感影像的獲取，其硬件設(shè)備主要包括無人機飛行平臺和影像傳感器，軟件設(shè)備包括飛控系統(tǒng)、地面監(jiān)控系統(tǒng)、發(fā)射與回收系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)等，這些設(shè)備和系統(tǒng)的共同作用可以實現(xiàn)無人機的遙感影像采集，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛孢M行后續(xù)處理和分析。大疆無人機則對各個模塊進行了高度集成，輕便小巧，方便作業(yè)。

2.像控布設(shè)與測量技術(shù)

像控點布設(shè)方案與測量精度直接影響了整個空間加密精度，因此科學(xué)的布設(shè)和測量方案至關(guān)重要。在1：500地形圖測量時，像控點中誤差應(yīng)優(yōu)于2cm。像控布設(shè)時，宜制作具有明顯中心點的人工標(biāo)志，根據(jù)航線設(shè)計的走向與間隔，按一定間距均勻分布于測區(qū)內(nèi)。像控測量時，宜采用三角對中支架替代手扶對中桿的方式固定儀器，以保證觀測精度。

3.多視影像匹配技術(shù)

空三加密軟件根據(jù)多視影像的POS信息和光學(xué)信息，采用一定的算法與多視幾何技術(shù)，快速準(zhǔn)確地匹配各影像間的同名點，豐富的冗余影像可以糾正錯誤的匹配信息，從而保證模型精度。

（三）3D GIS基礎(chǔ)理論

3D GIS 是一個綜合性研究領(lǐng)域，其涉及技術(shù)多樣，包括三維可視化、計算機圖形、空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、虛擬現(xiàn)實和三維空間交互與分析等。不同于二維 GIS，3D GIS使用三維數(shù)據(jù)模型進行空間查詢和建模分析。同時，3D GIS 具有直觀的三維可視化效果，這使它成為地理信息系統(tǒng)中的一個重要分支，用于規(guī)劃設(shè)計的3DGIS有以下幾個關(guān)鍵技術(shù)。

1.三維可視化技術(shù)

三維可視化就是以三維立體的形式來表現(xiàn)數(shù)據(jù)的技術(shù)和方法，是一種需要在空間表達中通過特殊的數(shù)學(xué)模型進行成果直觀表達的一種工具?，F(xiàn)實世界通過傾斜攝影測量、手工建模等方式進行一系列變換處理，包括數(shù)據(jù)預(yù)處理、幾何變換、選擇光照模型和紋理映射，形成虛擬的數(shù)字化場景等，并通過空間數(shù)據(jù)庫位置匹配掛接，將各行業(yè)的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)立體化地呈現(xiàn)出來，形成更具自然的效果和更為直觀地感知的三維可視化場景，是數(shù)字孿生技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)。

2.3D GIS數(shù)據(jù)組織技術(shù)

三維地理信息系統(tǒng)（3D GIS）包含大量數(shù)據(jù)，主要有數(shù)字高程模型（DEM）、數(shù)字地形圖（DLG）、傾斜攝影的實景三維模型和手工建模的規(guī)劃仿真模型等。常見的矢量數(shù)據(jù)格式有 ESRI shapefile、MapInfo TAB，空間數(shù)據(jù)包括Geographic Database（Geodatabase）和Google Keyhole Markup Language（KML）等，空間數(shù)據(jù)庫具有管理海量數(shù)據(jù)、圖形和屬性數(shù)據(jù)一體化存儲、支持多用戶并發(fā)訪問、具備訪問權(quán)限控制和數(shù)據(jù)安全機制等優(yōu)點。

為提升三維地理信息系統(tǒng)的性能和顯示效率，可以采用四叉樹LOD（Level of Detail）技術(shù)分層處理影像和地形數(shù)據(jù)。此方法可建立一系列金字塔狀數(shù)據(jù)集，并可通過分塊的瓦片金字塔模型，減少數(shù)據(jù)訪問量、提高輸入輸出效率、進一步優(yōu)化系統(tǒng)性能和數(shù)據(jù)顯示效果。

3.3D GIS規(guī)劃應(yīng)用

3D GIS應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，是當(dāng)今主流數(shù)字孿生技術(shù)的基礎(chǔ)底座。在規(guī)劃領(lǐng)域中，3D GIS主要用于對當(dāng)?shù)氐牡匦蔚孛病⑼恋乩?、空間布局以及建設(shè)部署等進行一定時期的規(guī)劃設(shè)計，其中在規(guī)劃應(yīng)用中，建筑物和地形地貌是3D GIS的主要對象，其可以在規(guī)劃設(shè)計中考慮建筑物和地形地貌，從而為城市和社會發(fā)展提供支持。3D GIS還可以用于其他領(lǐng)域，例如城市管理、環(huán)境監(jiān)測和資源管理等。通過3D GIS系統(tǒng)，一方面可以把城市規(guī)劃所需基礎(chǔ)信息通過直觀表現(xiàn)，并可利用日照分析、緩沖分析等眾多空間分析算法模型，進行多維的定量分析，讓規(guī)劃設(shè)計人員能夠從更宏觀、更全面、更直觀、更科學(xué)地了解和掌握城市各類信息；另一方面，還可將規(guī)劃設(shè)計成果通過三維仿真和大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)進行模擬推演，將未來城市的交通擁堵、洪水淹沒、城市變遷等各類場景進行直觀推演，來逐步修正規(guī)劃設(shè)計成果，從而進一步提高規(guī)劃的科學(xué)性、可操作性和前瞻性。

三、實景三維模型生產(chǎn)實踐

（一）總體技術(shù)流程

本研究主要研究了利用在江蘇句容某高校開展基于實景三維模型的3D GIS規(guī)劃試驗，研究利用大疆Phantom 4 Pro無人機和ContextCapture軟件，對實景進行了三維建模。同時，通過同步測量的檢查點對成果精度進行檢測，確保數(shù)據(jù)符合要求。經(jīng)過后期數(shù)據(jù)切片發(fā)布處理，導(dǎo)入到3D GIS平臺中，進行現(xiàn)狀實景三維展示、規(guī)劃分析等規(guī)劃設(shè)計，以此來挖掘消費級無人機在規(guī)劃設(shè)計領(lǐng)域更多應(yīng)用場景。

基于實景三維的3 D GIS園林規(guī)劃設(shè)計，主要涉及航飛階段、像控階段，以及數(shù)據(jù)處理階段、系統(tǒng)規(guī)劃展示各環(huán)節(jié)。主要技術(shù)流程如圖1所示。

（二） 生產(chǎn)過程試驗

1.實驗設(shè)備介紹

大疆無人機以旋翼無人機為主，經(jīng)濟適用、操控靈活，工業(yè)化程度高，安全性好，但其動力有限、續(xù)航時間通常比較短，更加適用于小范圍的航飛。本文根據(jù)園林規(guī)劃范圍相對較小、精細(xì)化要求高等特點，主要利用單位已采購的大疆精靈4Pro無人機搭載標(biāo)配相機采集試驗區(qū)3公分的多鏡頭傾斜影像。大疆精靈4Pro具有6個視覺傳感器、主相機、GPS/GLONASS雙模衛(wèi)星定位系統(tǒng)、IMU和指南針雙冗余傳感器等模塊裝置，可以幫助無人機在安全飛行的同時獲取高分辨圖像、位置定位等重要信息，詳見圖2。其影像采集設(shè)備技術(shù)參數(shù)如表1所示。

2.測區(qū)航攝方案設(shè)計

航攝方案設(shè)計包括航飛高度和航線設(shè)計。采用DJI GS PRO航線規(guī)劃軟件，并參考天地圖數(shù)據(jù)進行航線設(shè)計。在規(guī)劃航線前，劃定項目航飛范圍并了解測區(qū)地貌，根據(jù)測區(qū)海拔高程和作業(yè)范圍進行合理的任務(wù)規(guī)劃，以提高作業(yè)效率并避免意外。

航線設(shè)計需要從建筑物高度、分布及測區(qū)形狀等因素進行綜合考慮，根據(jù)國家傾斜攝影測量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，本試驗區(qū)在航線設(shè)計上按照東西方向，航向80%、旁向70%重疊度進行航攝，并在攝區(qū)外多出一條航線，確保后續(xù)數(shù)據(jù)處理模型的完整度。

3. 地面像控點噴涂

地面像控點對于整個測區(qū)三維模型精度至關(guān)重要，可以按照測區(qū)范圍，根據(jù)國家傾斜測量規(guī)范，按每條航線隔60-80米布設(shè)一個像控點，選符合攝影測量加密像控點位要求的明顯地物作為地標(biāo)點，在實地?zé)o法選定明顯地物點、易造成內(nèi)業(yè)判讀困難的地區(qū)，應(yīng)布設(shè)人工標(biāo)志。人工標(biāo)志需采用等腰直角三角模具，使用紅藍(lán)自噴油漆在航飛前提前做好標(biāo)志。并采用RTKCORS模式可在航飛前或航飛后采用GPS儀器精確測定像控點三維坐標(biāo)。如圖4所示。

4.無人機傾斜航飛

無人機航拍最佳拍攝時間為9：00～15：00之間，此外，天氣情況也是一個重要因素，在光線適中、能見度好的條件下，航拍影像質(zhì)量更佳。本研究使用大疆的Pix4DCapture軟件操縱無人機按照預(yù)先設(shè)計的航線自主飛行，獲取多個相機鏡頭的傾斜影像，如圖5所示。

5.園林規(guī)劃區(qū)三維實景模型處理

園林規(guī)劃的基礎(chǔ)是三維實景模型，而ContextCapture是目前主流的傾斜三維模型數(shù)據(jù)處理方法。對不同時間段的航拍影像進行處理主要包括以下四步：（1）對所有航拍影像進行勻光勻色處理；（2）構(gòu)建自由網(wǎng)模型，主要過程包括空三加密技術(shù)進行影像匹配、連接點粗差剔除等操作；（3）建立生成基于影像的超高密度點云，過程包括使用地面像控點、POS數(shù)據(jù)和無人機平臺校驗參數(shù)等進行整體區(qū)域網(wǎng)平差，解算多視影像外方位元素和加密點地面坐標(biāo)；（4）基于點云數(shù)據(jù)構(gòu)建TIN模型，并結(jié)合影像紋理生成高分辨率實景三維模型。