韋 通

（山東省國(guó)土測(cè)繪院，山東濟(jì)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)?；?。傳統(tǒng)城市規(guī)劃采用基礎(chǔ)測(cè)繪技術(shù)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(shè)、應(yīng)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(shì)，可以動(dòng)態(tài)、多維度地展示城市，輔助開(kāi)展城市建設(shè)。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(shè)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(cè)量數(shù)據(jù)以及無(wú)人機(jī)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(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量因具有拍攝范圍廣、建模速度快、精度較高的特點(diǎn)，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(cè)量的關(guān)鍵技術(shù)

1.1 影像匹配

不同像片的重疊位置的同一坐標(biāo)點(diǎn)，如同十字路口拐角，即為同名點(diǎn)，需要提取兩幅像片的同名點(diǎn)進(jìn)行影像匹配。影像匹配的結(jié)果直接影響數(shù)字表面模型和三維模型的精度，對(duì)三維模型的成果質(zhì)量至關(guān)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(diǎn)信息較多，易發(fā)生修正錯(cuò)誤。特征點(diǎn)匹配方法具有匹配精度高、適應(yīng)能力強(qiáng)的特點(diǎn)，很多傾斜攝影測(cè)量軟件是基于特征點(diǎn)的方式進(jìn)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(cè)量從多個(gè)角度獲取影像，需結(jié)合POS外方位元素，采用多視圖的平差方法開(kāi)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(diǎn)坐標(biāo)、外方位元素的誤差方程，通過(guò)多匹配基元數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)誤差修正?？罩腥菧y(cè)量為平差工作的重點(diǎn)，是根據(jù)少量的地面控制點(diǎn)，按照一定的數(shù)據(jù)模型計(jì)算待定點(diǎn)坐標(biāo)的處理過(guò)程，目前多采用光束法。

光束法三角測(cè)量如圖2所示。

圖2 光束法三角測(cè)量

1.3 傾斜攝影點(diǎn)云構(gòu)建

使用密集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)格網(wǎng)面更加準(zhǔn)確，通過(guò)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(luò)，通常采用TIN作為點(diǎn)云的構(gòu)網(wǎng)形式，采用波前算法、生長(zhǎng)算法以及八叉樹(shù)等算法進(jìn)行三角面的構(gòu)建，多個(gè)三角面可以構(gòu)成一個(gè)整體，生成三維模型。

TIN構(gòu)建三維模型如圖3所示。

圖3 TIN構(gòu)建三維模型

1.4 紋理提取

采用自動(dòng)提取的方式進(jìn)行目標(biāo)紋理的提取，采用篩選的方式進(jìn)行初步選擇，根據(jù)投影矩陣，每張像片均能夠展現(xiàn)目標(biāo)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(duì)應(yīng)關(guān)系，進(jìn)行紋理映射，其本質(zhì)是將二維的紋理點(diǎn)坐標(biāo)換算至三維物體表面，使其三維模型展示與實(shí)物相符。紋理提取時(shí)應(yīng)盡量選擇清晰的像片。

2 基于傾斜攝影測(cè)量建模

試點(diǎn)區(qū)域選擇濟(jì)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(diǎn)區(qū)域正射影像如圖4所示。

圖4 試點(diǎn)區(qū)域正射影像

2.1 無(wú)人機(jī)航線規(guī)劃

無(wú)人機(jī)飛行航線的規(guī)劃主要有航線的設(shè)定、飛行航高的設(shè)定、航行和旁向重疊度等因素；選擇較晴朗且無(wú)風(fēng)的天氣開(kāi)展飛行。試驗(yàn)采用大疆四旋翼無(wú)人機(jī)，相機(jī)型號(hào)為SONY-7R，傳感器大小為36.0 mm，相機(jī)的焦距為35.320 2 mm。

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

根據(jù)無(wú)人機(jī)傾斜攝影相關(guān)測(cè)量規(guī)范，無(wú)人機(jī)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(yàn)的傾斜攝影建模對(duì)影像獲取的質(zhì)量要求較高，設(shè)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(duì)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(yàn)區(qū)域建模的完整性，航線規(guī)劃應(yīng)略大于觀測(cè)區(qū)域，確保測(cè)區(qū)范圍能夠順利完成建模。采用Smart 3D軟件進(jìn)行航攝數(shù)據(jù)處理，運(yùn)用計(jì)算機(jī)視覺(jué)算法構(gòu)建三維模型，采用POS數(shù)據(jù)結(jié)算外方位元素，利用基于特征的匹配算法匹配特征點(diǎn)，獲取高精度的同名點(diǎn)。

2.2 控制點(diǎn)布設(shè)

控制點(diǎn)應(yīng)滿足平面和高程精度要求，保證其布設(shè)的質(zhì)量和數(shù)量滿足像片控制精度的要求。布設(shè)控制點(diǎn)時(shí)應(yīng)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(diǎn)，像控點(diǎn)的布設(shè)應(yīng)避免在測(cè)區(qū)邊界。

本次試驗(yàn)采用CORS系統(tǒng)進(jìn)行控制點(diǎn)的布設(shè)，CORS系統(tǒng)是動(dòng)態(tài)點(diǎn)位坐標(biāo)定位技術(shù)。以CORS基準(zhǔn)站位固定點(diǎn)，用一臺(tái)GPS接收機(jī)為流動(dòng)站接收GPS信號(hào)，采用區(qū)域網(wǎng)布設(shè)方案進(jìn)行控制點(diǎn)布設(shè)。

區(qū)域網(wǎng)布設(shè)方法如圖6所示。

圖6 區(qū)域網(wǎng)布設(shè)方法

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

3 城市規(guī)劃管理服務(wù)平臺(tái)

三維城市模型能夠全方位展示城市的建設(shè)成果，并實(shí)時(shí)更新，使用者可以動(dòng)態(tài)監(jiān)督城市的土地利用變化情況，更加全面地對(duì)城市發(fā)展進(jìn)行科學(xué)規(guī)劃，三維模型可以為城市規(guī)劃提供技術(shù)支持。數(shù)字化城市規(guī)劃管理服務(wù)平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，實(shí)現(xiàn)多單位、多部門的聯(lián)合辦公，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)的高效化。

城市規(guī)劃管理服務(wù)平臺(tái)可以實(shí)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(guò)數(shù)據(jù)分析得出規(guī)劃所需的數(shù)據(jù)結(jié)果?；贕IS建立的三維城市規(guī)劃系統(tǒng)可以有效地結(jié)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(guò)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(jié)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(shí)物，對(duì)現(xiàn)有的建筑物進(jìn)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(shí)，可以參照三維模型進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)量，對(duì)建筑物區(qū)域的容積率、光照時(shí)長(zhǎng)等進(jìn)行計(jì)算和效果計(jì)算。在三維實(shí)景平臺(tái)中，可以充分利用GIS系統(tǒng)的空間分析、定位、查詢、統(tǒng)計(jì)等功能，根據(jù)規(guī)劃后的效果圖全面展示目標(biāo)區(qū)域內(nèi)的街道實(shí)景。

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

基于傾斜攝影測(cè)量獲取三維模型，采用GIS系統(tǒng)開(kāi)發(fā)基于三維模型的城市實(shí)景，用于城市規(guī)劃管理平臺(tái)展示，通過(guò)平臺(tái)系統(tǒng)對(duì)城市內(nèi)的道路和建筑物信息進(jìn)行仿真，在平臺(tái)內(nèi)可以進(jìn)行街景的瀏覽與查詢。制定城市規(guī)劃方案時(shí)，傾斜攝影模型結(jié)合GIS平臺(tái)為城市建設(shè)提供指導(dǎo)數(shù)據(jù)，也可以根據(jù)實(shí)際需求，對(duì)小區(qū)或者特定的建筑物進(jìn)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(shù)和GIS技術(shù)的發(fā)展，傾斜攝影測(cè)量技術(shù)在城市三維建模中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，其可以實(shí)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(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的問(wèn)題。

4 結(jié)語(yǔ)

研究基于無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量建立三維模型，結(jié)合GIS系統(tǒng)建設(shè)規(guī)劃服務(wù)平臺(tái)。文章闡述傾斜攝影測(cè)量測(cè)量的相關(guān)技術(shù)，詳細(xì)介紹無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量獲取數(shù)據(jù)的主要技術(shù)流程，基于三維模型建設(shè)規(guī)劃服務(wù)平臺(tái)，將城市三維模型應(yīng)用于城市規(guī)劃建設(shè)中。