基于傾斜攝影的實景三維在城市規劃中的應用

張成校

（臨沂市國土資源局測繪院，山東 臨沂 276000）

實景三維是遙感攝影測繪、大數據、云計算、智能感知等新技術催生的新型地理空間數據，其效果逼真，要素全面，具有極強的展示效果，而且具有測量精度，可以還原真實世界的完整面貌，是人們對自然地理環境的認知從二維走向三維。當前，我國城市化建設速度不斷加快，城市建設從地面向地下和空中延伸發展，城市國土空間的多層次、立體三維建設和利用已成為趨勢，人們對居住的環境狀況、生活便利、舒適程度、交通出行等方面提出更高的要求。傳統規劃技術已不能滿足城市化快速發展的需求，實景三維建模技術已實現軟件自動化，提高了三維建模效率，縮短了生產時間，節省了成本，實景三維已廣泛應用于城市規劃、智慧城市建設、自然資源管理、不動產登記等領域。

1 傾斜攝影測量簡介

當前傾斜攝影是實景三維建模主要技術手段之一。無人機傾斜攝影測量技術通過在飛行平臺上搭載一個垂直攝影相機和四個傾斜攝影相機，分別從垂直以及四個傾斜不同角度獲取正射影像以及四個方向的影像，航攝過程中記錄航高、曝光時間，相機曝光點的外方位元素，影像的空間位置以及瞬時姿態信息等信息，結合獲取的建筑物的高分辨率紋理，通過后期數據處理，獲得真實的三維模型。傾斜攝影獲取的影像不僅可以反映地物、地貌、建筑物的真實情況，還能提供豐富的建筑物紋理信息和地理屬性信息，增強用戶視覺直觀體驗，猶如身臨其境。傾斜攝影測量優點主要有以下方面：可以獲得五個方向的影像、數據精度高、單張影像可量測、可批量量取和貼紋理、可快速進行網絡發布。

2 實景三維建模主要關鍵技術

實景三維是現實世界的數字孿生，具有實體化、三維化、全空間、可視化等特點。基于傾斜攝影測量技術的實景三維建模關鍵技術主要包括區域網聯合平差、多視影像匹配、DSM 生成及紋理映射等，實景三維建模技術路線如圖1 所示。

2.1 多視影像聯合平差

圖1 實景三維建模技術路線

傾斜攝影獲取的影像不僅包含正攝影像，還包含大量四個方向的側視影像，空中三角測量對于傾斜影像還不能較好地處理，因此，在進行多視影像聯合平差時要充分考慮傾斜影像引起的幾何變形和遮擋問題。根據傾斜攝影時POS 系統提供的多視影像的外方位元素，采用構建由粗到細的金字塔匹配策略，在每一等級的影像上進行同名點自動匹配提取，再通過自由網光束法平差，可以得到比較好的同名點匹配效果。同時加入控制點坐標、GPS/IMU 輔助數據等信息，建立多視影像間的區域網平差方程，進行聯合解算后可以保證平差結果的精度。

2.2 多視影像匹配

傳統方法一般是單獨使用一種匹配基元或者匹配策略，這種方法很難快速準確地獲取同名點，匹配精度和可靠性不高。傾斜攝影從多個方向進行拍攝，影像覆蓋范圍大、分辨率高，可同時獲取同一地物的多個視角影像，在多視影像匹配過程中，充分利用上述信息，采取密集匹配模型快速提取多視影像同名點坐標，實現同名點的自動匹配，進而獲取地物的三維信息。隨著計算機視覺技術迅猛發展，多基元、多視影像匹配是未來發展的趨勢。

2.3 DSM 生成

利用空中三角測量和聯合區域網平差解算出每張影像的外方位元素，選擇合適的多視影像匹配單元進行逐像素和特征的密集匹配，生成高密度點云，通過點云構網可以生成高密度DSM。

2.4 紋理映射

為使構建的三維模型具有真實的紋理信息，需要進行紋理映射。紋理映射就是建立二維紋理空間與三維模型空間一一對應的關系。經過空中三角測量可解算出每張影像精確的外方位元素，確定影的空間位置，建立二維影像空間點與對應的模型空間點之間的對應關系。由OBJ 模型文件，可以確定三維模型空間點與二維紋理空間點之間的對應關系。將影像空間點的像素值賦予紋理空間點，然后再由二維紋理空間點映射到三維模型空間點。

3 實景三維在城市規劃中的應用

以前城市規劃都是在二維平面圖紙上進行，缺乏對空間的分析，規劃效果不明顯。實景三維作為現實世界的“數字孿生”，通過實景三維模型可以直觀立體展示規劃區域及其周邊的自然環境和人工建筑，規劃設計人員不用直接去現場就可以進行規劃設計，同時利用軟件還可以進行模擬分析，使城市規劃更加合理。實景三維在城市規劃中的功能主要有以下幾方面。

3.1 空間量測

實景三維模型具有三維坐標，可以通過點取模型上的點進行空間量測，例如進行建筑物長寬高等尺寸測量，建筑物占地面積量測等。

3.2 環境協調性分析

在規劃過程中模擬規劃建筑物與現實周邊環境、建筑物進行紋理、風格等方面模擬分析，保證區域風格協調一致性，總體環境和諧統一，提高人們感官舒適度。

3.3 日照分析

建筑物內部自然采光與自然采暖等方面因素，日照分析主要是綜合考慮建筑物高度、間距、容積率等因素符合規范標準要求，盡量保證建筑物自然光照不受影響，例如遮擋、光污染等情況，確保建筑物內部在不同季節能夠自然采光與自然采暖，保證建筑物內部亮度與溫度，最大限度利用太陽能，減少建筑物能源消耗。日照分析內容主要包括遮擋、窗洞、單點等方面。

3.4 通視性分析

建筑物要具有開闊的視野，這樣住戶才不會覺得壓抑，通過實景三維，通過不斷調整建筑物群的高度、位置，使建筑物之間有充足的空間和視野，同時兼顧土地資源有效利用，保證了建筑物通視性與土地資源的最大化利用。

3.5 天際線分析

天際線又稱城市輪廓或全景，是由城市中的高樓大廈構成的整體結構。部分建筑物單獨看很美觀，但是與周圍建筑物和環境不協調，天際線是整個城市所有建筑物宏觀景象，利用實景三維模型可以分析規劃城市天際線，使城市整體空間科學規劃使用，避免視線污染，保證城市整體視覺美觀性。

3.6 淹沒分析

城市排水防洪是城市規劃的一項重要工作，利用實景三維模型可以進行城市暴雨內澇淹沒區域和深度進行模擬分析預測，對城市雨水管網規劃建設和排洪防重要作用。

3.7 拆遷區評估

城市規劃往往伴隨著城市拆遷，利用實景三維可以對拆遷區域的房屋進行測量、統計、評估等工作，對整個拆遷工作有一個初步估計，供政府進行決策部署。

3.8 規劃監督

以前的規劃監督基本上都是建筑物竣工以后規劃管理部門委托測量機構對建筑物進行竣工測繪，與設計數據進行對比，確定是否違建，時效性相對延遲。對在建建筑物或者已建成建筑物建立實景三維模型，與建筑物規劃設計數據進行對比分析，確定建筑物是否違建，利用實景三維模型不用去現場測量就可以進行規劃監督，還可以監督在建工程，進行時時監督，提高了規劃監督的便捷程度和工作效率。

4 實景三維模型的不足

實景三維模型具有許多優點，應用領域非常廣泛，但是作為新興數據產品，還存在一定的缺陷和不足，主要表現在以下幾方面：

4.1 部分區域需要人工補測或者調繪

在植被茂密或者遮擋嚴重的區域傾斜攝影測量還需要進行人工補測或者調繪。

4.2 數據通用性有待改善

目前實景三維模型數據還缺乏統一的格式、標準規范，不同軟件處理的數據通用性還有所有待改善。

4.3 實景三維模型數據更新成本比較高

實景三維模型的數據時效性知識截止到數據采集時間點，數據采集之后的自然地貌與人工建筑變化的情況就無法顯示出來，要保證實景三維模型的現勢性就需要對變化的數據進行更新。現在城市發展迅速，建設范圍不斷擴大，城市拆遷與新增建設地點非常多，建設速度非常快，要保證數據現勢性和有效性，需要投入非常多的人力物力進行數據采集處理三維建模。

4.4 實景三維可視化還有待改善

當前實景三維主要以網絡在線發布服務為主，相對于二維數據，實景三維數據量非常大，要保證高效的加載速度和流暢的渲染效果對硬件和軟件要求較高。

5 結語

城市規劃作為城市發展的藍圖、總體謀劃，決定城市未來發展的方向、布局等，在城市規劃前期需要對眾多的規劃設計方案進行的大量比較、論證及分析，同時還要對城市發展趨勢和環境狀況進行合理預測和評價。利用實景三維模型可使規劃設計方案在真實世界的虛擬環境下進行模擬分析評價，及時對方案進行調整修改，使方案更加貼合實際情況，更適合城市發展。實景三維在城市規劃領域已成為發展趨勢，提高了城市規劃的科學性和合理性。