無人機傾斜攝影測量在城市更新中的運用探析

【摘要】文章分析了無人機傾斜攝影測量技術(shù)原理，并對無人機傾斜攝影測量技術(shù)在城市更新中的具體應用進行了研究，指出無人機傾斜攝影測量技術(shù)通過高分辨率、多角度拍攝，結(jié)合先進的圖像處理與三維建模技術(shù)，為城市更新提供全新的視角和可能性。該技術(shù)不僅提高了城市測量的效率與精度，還為規(guī)劃、設計、監(jiān)測等環(huán)節(jié)提供了寶貴的數(shù)據(jù)支持。

【關(guān)鍵詞】無人機傾斜攝影測量；城市更新；建筑模型

【中圖分類號】TU984.1 【文獻標志碼】A 【文章編號】1673-6028（2024）11-0081-03

0 引言

常規(guī)的城市測量方法受限于地面條件、測量工具以及人力成本等因素，難以全面、準確地捕捉城市的三維空間信息。而無人機傾斜攝影測量技術(shù)通過搭載高分辨率相機，從多個角度對城市進行拍攝，并結(jié)合先進的圖像處理與三維建模技術(shù)，能夠生成高精度、真實感強的城市三維模型。無人機傾斜攝影測量技術(shù)的引入，顯著提高了城市測量的效率與精度，為城市更新中的規(guī)劃、設計和監(jiān)測等環(huán)節(jié)提供了寶貴的數(shù)據(jù)支持。

1 無人機傾斜攝影測量技術(shù)原理分析

無人機傾斜攝影測量技術(shù)是一種新興的測量技術(shù)，通過無人機搭載高分辨率相機，從多個角度對城市或地形進行拍攝，進而獲取豐富的空間信息。與傳統(tǒng)的垂直攝影測量相比，該技術(shù)能夠捕捉到更多的地表細節(jié)和特征，生成更為真實、準確的三維模型。無人機傾斜攝影測量技術(shù)的核心在于其獨特的攝影方式和后續(xù)的數(shù)據(jù)處理流程。傳統(tǒng)的攝影測量主要依賴垂直攝影，即相機鏡頭垂直于地面進行拍攝，該方式雖然能夠獲取到地面的正射影像，但在表達地表的三維結(jié)構(gòu)和細節(jié)方面存在局限。無人機傾斜攝影則通過調(diào)整相機的拍攝角度，從多個方向（如前視、后視、左視、右視等）對地面進行拍攝，從而獲取到更為豐富的地表信息。飛行過程中，相機按照設定的角度和間隔進行連續(xù)拍攝，確保能夠覆蓋到整個目標區(qū)域，拍攝得到的傾斜影像數(shù)據(jù)被傳輸?shù)降孛嬲净蛟贫诉M行進一步的處理[1]。

綜合來看，無人機傾斜攝影測量技術(shù)作為一種具有廣泛應用前景的新興測量技術(shù)，在城市規(guī)劃、地形測繪、災害監(jiān)測等領域具有重要的應用價值。

2 無人機傾斜攝影測量在城市更新中的具體運用

建設數(shù)字中國是數(shù)字時代推進中國式現(xiàn)代化的重要引擎，是構(gòu)筑國家競爭新優(yōu)勢的有力支撐。城市作為經(jīng)濟社會發(fā)展的主體，是落實國家戰(zhàn)略部署的重要空間載體。開展高質(zhì)量數(shù)字城市建設是實現(xiàn)數(shù)字中國戰(zhàn)略部署的重要舉措。因此，2022年4月，石家莊出臺《關(guān)于支持數(shù)字經(jīng)濟加快發(fā)展的若干措施》，通過推進基礎設施建設、提升產(chǎn)業(yè)數(shù)字化支撐和服務能力、引進培育市場主體、增強技術(shù)創(chuàng)新投入力度等舉措，致力于打造“中國數(shù)字新城”，推進經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展。在石家莊市城市更新過程中，無人機傾斜攝影測量技術(shù)發(fā)揮了重要作用。

2.1 基于三維過程化生成的圖像建模

在城市區(qū)域級三維建模中，場景及建筑模型的生成是核心任務?；跓o人機傾斜攝影測量技術(shù)，可以獲取高分辨率、多角度的傾斜影像數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)為三維建模提供了豐富的信息來源。通過對影像數(shù)據(jù)進行處理和分析，可以生成城市區(qū)域的三維模型，包括建筑物、道路、綠化等各類元素。三角面元集合的模型組織與生成方法是三維建模中的基礎。在傾斜攝影測量過程中，通過對影像進行特征提取和立體匹配，生成初始的三維點云數(shù)據(jù)，然后利用三角剖分算法將點云數(shù)據(jù)組織成三角面元集合，形成初步的三維模型。該方法能夠有效地表達地表的三維結(jié)構(gòu)和細節(jié)，為后續(xù)的建模工作提供基礎。

在三維過程化生成的建筑模型網(wǎng)格生成方法中，需要注重建筑模型的細節(jié)和真實性。通過對傾斜影像進行深度學習和語義分割，可以識別出建筑物的不同部分，如墻體、樓柱、樓層面等。然后，利用網(wǎng)格生成算法，根據(jù)各部分的輪廓和形狀，生成建筑模型的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，從而生成建筑模型，為城市更新的規(guī)劃和設計提供有力支持。除了建筑模型本身，建筑區(qū)域風格化的場景生成也是城市更新中的重要環(huán)節(jié)，在石家莊市的城市更新中，需要保持和傳承城市的歷史文化和風貌。因此，在三維建模過程中，通過對傾斜影像進行風格化處理和紋理貼圖，生成具有石家莊特色的建筑區(qū)域場景，使三維模型更加貼近現(xiàn)實，增強城市更新的文化內(nèi)涵和視覺效果[2]。

在實體對象的位置和形態(tài)信息處理方面，采用了先進的圖像處理和計算機視覺算法。通過對傾斜影像進行特征提取和邊緣檢測，可以準確地識別出建筑物、道路等實體對象在圖像中的位置和形態(tài)信息。之后利用獲取的信息生成網(wǎng)格模型外部結(jié)構(gòu)的頂點數(shù)據(jù)，并根據(jù)數(shù)據(jù)生成各個頂點在模型空間中的坐標集合，就能夠完成對建筑墻體、樓柱結(jié)構(gòu)、樓層面結(jié)構(gòu)的建模工作，生成具有高精度和真實感的三維模型。

2.2 基于物理模擬的圖像建模場景渲染

在三維圖像建模場景中，渲染任務是將三維模型轉(zhuǎn)化為具有真實感二維圖像的過程。對于城市更新的場景渲染而言，提高融合模型渲染效率具有重要意義。然而，傳統(tǒng)的渲染方法計算量大、渲染時間長，難以滿足城市更新中大規(guī)模場景渲染的需求。因此，需要對渲染任務進行深入分析研究并提出優(yōu)化技術(shù)方案。

在渲染過程中，可以將渲染類別劃分為自發(fā)光、漫反射、鏡面反射、環(huán)境光照等若干個渲染子結(jié)構(gòu)。通過結(jié)構(gòu)分級分類，可以有針對性地優(yōu)化每個子結(jié)構(gòu)的渲染效率。例如，對于自發(fā)光物體，可以采用預計算光照圖的方法，將光照信息預先計算并存儲在紋理中，從而減少實時渲染時的計算量；對于漫反射物體，可以使用光照貼圖或光照探針等技術(shù)，將光照信息緩存起來，以便在渲染時快速使用。在紋理表達方式方面，傳統(tǒng)的紋理貼圖方法存在紋理分辨率低、細節(jié)丟失等問題。為了解決該問題，可以采用多層級紋理映射的方法，通過將不同分辨率的紋理映射到不同的細節(jié)層次上，在保持紋理細節(jié)的同時，減少紋理的存儲空間和渲染時間[3]。

除了紋理優(yōu)化外，場景構(gòu)建方法也是提高渲染效率的關(guān)鍵。在城市更新場景渲染中，存在大量的重復元素，如建筑物、道路、樹木等。此時可以利用實例化技術(shù)，將重復元素實例化為多個副本，并共享相同的幾何數(shù)據(jù)和紋理數(shù)據(jù)，從而減少場景的幾何復雜度和紋理存儲量，提高渲染效率。在渲染完成后，可以生成具有高度真實感的城市更新場景圖像，這些圖像可以為城市更新的規(guī)劃、設計、監(jiān)測等環(huán)節(jié)提供有力支持。例如，在規(guī)劃階段可以利用圖像對舊城改造后的效果進行預評估，幫助規(guī)劃師制定更為科學、合理的改造方案。

2.3 基于實景三維模型數(shù)據(jù)的模型對象結(jié)構(gòu)提取

首先，對無人機航測數(shù)據(jù)進行結(jié)構(gòu)性拆分。該過程需要將原始的航測數(shù)據(jù)按照不同的空間層次和特征進行分類與組織。通過利用先進的圖像處理算法和計算機視覺技術(shù)，可以將航測數(shù)據(jù)中的建筑物、道路、植被等元素進行有效分離，為后續(xù)的點云數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)提取奠定基礎。其次在三維點云數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)提取方面，采用先進的點云處理技術(shù)。通過對拆分后的航測數(shù)據(jù)進行深度解析，能夠提取出包含豐富空間信息的三維點云數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)以點的形式表示物體表面的空間位置，每個點都蘊含著該位置的三維坐標信息。通過進一步的處理與分析，可以將點云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為更為直觀、易于理解的三維模型。再次為了確保模型對象結(jié)構(gòu)提取的準確性和高效性，需要定義嚴格的數(shù)據(jù)流程工藝和數(shù)據(jù)規(guī)范，明確從原始航測數(shù)據(jù)到最終三維模型的每一步操作，包括數(shù)據(jù)預處理、點云生成、模型構(gòu)建等。同時，還需制定詳細的數(shù)據(jù)規(guī)范，確保每一步操作都符合特定的標準和要求。最后，采用基于實景三維模型數(shù)據(jù)的對象模型重構(gòu)方法。該方法以提取的空間幾何數(shù)據(jù)為基礎，結(jié)合先進的建模技術(shù)和算法，實現(xiàn)了對實體對象的精準重構(gòu)，為城市更新的規(guī)劃、設計等環(huán)節(jié)提供了有力支持[4]。

2.4 仿真貼近模型構(gòu)建

在城市更新的仿真貼近模型構(gòu)建中，以點云數(shù)據(jù)、無人機航測數(shù)據(jù)為基礎，對重構(gòu)的實體對象幾何數(shù)據(jù)進行預處理，是仿真貼近模型構(gòu)建的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。通過對點云數(shù)據(jù)進行去噪、濾波、配準等處理，可以有效地提高點云數(shù)據(jù)的質(zhì)量和精度，為后續(xù)的三維建模提供更為準確的基礎數(shù)據(jù)。同時，對無人機航測數(shù)據(jù)進行預處理，包括影像的幾何校正、色彩校正、影像匹配等，以確保數(shù)據(jù)的準確性和一致性。在預處理完成后，建立實體幾何數(shù)據(jù)與真實紋理數(shù)據(jù)的空間匹配方法。通過將實體幾何數(shù)據(jù)與真實紋理數(shù)據(jù)進行空間匹配，可以將真實的紋理信息準確地映射到三維模型上，使得模型更具真實感和細節(jié)。為實現(xiàn)這一目標，應采用先進的紋理映射技術(shù)和算法，對紋理數(shù)據(jù)進行優(yōu)化和處理，以確保紋理與幾何數(shù)據(jù)的完美融合。

在仿真貼近模型構(gòu)建中，將地面近景數(shù)據(jù)作為紋理貼圖到實景模型中，可以有效解決單一數(shù)據(jù)建模中的模型變形、存在孔洞、紋理拉花等問題，還可以對模型進行更為精細化的調(diào)整和修正。比如對于模型中的變形部分，可以通過地面近景數(shù)據(jù)進行校正和調(diào)整；對于模型中的孔洞部分，可以通過地面近景數(shù)據(jù)進行填充和修補；對于模型中的紋理拉花部分，可以通過地面近景數(shù)據(jù)進行平滑和優(yōu)化。

2.5 單體建筑室外精細化模型實例分析

在石家莊某單體建筑中，采用即時定位與地圖構(gòu)建（Simultaneous Localization and Mapping，簡稱SLAM）點云方式獲取單體建筑的模型及外表結(jié)構(gòu)特征。SLAM技術(shù)能夠在無人機飛行的同時，實時地計算無人機的位置和姿態(tài)，并生成點云數(shù)據(jù)。通過對點云數(shù)據(jù)進行處理和分析，可以提取出單體建筑的三維坐標、形狀、尺寸等幾何信息，為后續(xù)的精細化建模提供準確的基礎數(shù)據(jù)。同時，采用航測或拍攝方式獲取單體建筑的外部紋理特征。通過無人機搭載高分辨率相機對建筑進行全方位的拍攝，可以獲取建筑表面的高分辨率影像數(shù)據(jù)，影像數(shù)據(jù)包含了建筑的色彩、材質(zhì)、紋理等豐富信息，為后續(xù)的紋理映射和模型真實感增強提供了重要的數(shù)據(jù)源[5]。

在獲取單體建筑的幾何信息和紋理信息后，開始精細化建模的過程。首先，對點云數(shù)據(jù)進行預處理，包括去噪、濾波、配準等步驟，以提高點云數(shù)據(jù)的質(zhì)量和精度。然后，利用先進的建模軟件和算法，將點云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為三維模型。在建模過程中，重點保留建筑的幾何特征和細節(jié)，如建筑的邊角、窗戶、門等，以確保模型的準確性和真實感。接著，將獲取到的高分辨率影像數(shù)據(jù)進行紋理映射，將真實的紋理信息準確地映射到三維模型上，從而可以使模型更具真實感和細節(jié)表現(xiàn)力，使觀者能夠感受到建筑的材質(zhì)和色彩。最終，成功構(gòu)建石家莊某單體建筑的室外精細化模型，該模型不僅準確地反映了建筑的幾何特征和細節(jié)，還真實地再現(xiàn)了建筑的紋理和色彩。通過該模型可以對建筑進行全面的分析和評估，為城市更新的規(guī)劃和設計提供重要的參考依據(jù)。

該精細化模型具有廣泛的應用價值，比如可以將模型導入到AR（增強現(xiàn)實）、VR（虛擬現(xiàn)實）等系統(tǒng)中，實現(xiàn)遠程在線游覽或沉浸式體驗。不論身處何地，人們都可以通過AR、VR等技術(shù)欣賞到該建筑的魅力，突破地域限制，讓更多人有機會深入了解并欣賞地標建筑的獨特之處。同時，該模型還可以用于城市的規(guī)劃和管理，城市規(guī)劃人員可以從中更加直觀地了解城市的建筑布局和空間關(guān)系，為城市的合理規(guī)劃提供有力的支持。城市管理者也可以利用該模型進行城市的監(jiān)控和管理，提高城市管理的效率和準確性。

3 結(jié)語

綜上所述，在現(xiàn)代城市規(guī)劃中，無人機傾斜攝影測量技術(shù)具有良好的應用效果。本文結(jié)合石家莊城市規(guī)劃的具體案例，總結(jié)了無人機傾斜攝影測量技術(shù)的具體應用方式，能夠?qū)ζ渌鞘幸?guī)劃起到一定的借鑒與幫助作用，全面推動我國城市化建設與發(fā)展。未來，需要進一步探索和優(yōu)化基于物理模擬的圖像建模場景渲染方法，為城市更新的實踐提供更加高效、精準的技術(shù)支持。

參考文獻

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