基于傾斜攝影測量的三維模型在城市規劃中的應用

趙 斕

（諸城市城鄉規劃設計研究院，山東 諸城 262200）

隨著城市高層建筑物數量不斷增加，傳統的二維地形圖、交通圖不能夠滿足當前城市規劃建設的需求。計算機技術和測繪地理信息技術高速發展，無人機傾斜攝影測量三維建模技術越來越成熟，應用越來越廣泛。與傳統人工貼紋理建模方式相比，無人機傾斜攝影測量具有自動化程度高、經濟成本低、模型精度高等特點[1]。

城市規劃方案的制定過程中，建立城市宏觀三維模型對還原現實實際情況，展示城市地貌、地物等具有巨大優勢，可以在規劃設計過程中提供數據支持，在規劃成果中為項目成果匯報提供三維展示，輔助相關政府部門開展規劃決策。

我國傾斜攝影測量技術起步較晚但發展迅速，國內傾斜攝影測量系統中，有北京四維的SWDC-5、中測新圖研發的TOPDC-5系統以及中科院與上海航遙共同研發的AMC580多視角航測系統發展較好[2]，為城市宏觀三維模型的建立提供技術保障。

1 傾斜攝影測量原理及技術路線

1.1 無人機傾斜攝影測量系統

無人機傾斜攝影測量系統是近幾年發展較快的新興測繪技術手段，其系統主要分為飛行控制系統、地面站系統以及航拍攝像系統三部分[3]。

無人機攝影測量平臺組成如圖1所示。

圖1 無人機攝影測量平臺組成

傾斜攝影測量系統在飛行平臺上搭載1個垂直相機、4個傾斜角度的相機，獲取被測目標的多個方位角紋理數據。在無人機上搭載的POS系統可以記錄拍攝瞬間無人機的坐標與姿態數據，使用軟件解算，獲取拍攝數據的外方位元素。地面控制站可以設置無人機的航線、航高以及航向，實時控制無人機飛行。

1.2 航攝影像的獲取

城市三維模型的品質受拍攝影像的質量影響。無人機航空攝影測量時，應做好航線規劃，使其滿足各項指標的限定，了解計算機的配置及其能夠處理的圖像數量。根據無人機傾斜攝影指標及工作經驗對測區進行分區，應保持區域長寬比適宜[4]。無人機傾斜攝影的航向重疊率一般為80%，旁向重疊率為75%，需要保證數據不出現空洞或遺漏，保持航線邊緣數據的精度與完整度。應選擇晴朗無風的天氣進行測設，確保測區周邊無較強信號。

2 傾斜攝影測量關鍵技術路線

2.1 技術路線設計

航線設計后，利用CORS系統進行少量控制點的布設，控制點可以選在較顯眼的水泥地面的十字路口或平地區域。無人機獲取多視角影像后，需要對獲取的相片進行預處理，對像片的質量進行檢查。出現不合格的相片時，需要進行補測，直至相片全部合格。根據外業控制點數據進行空三加密，生成DEM數據和DOM數據。

無人機攝影測量數據處理流程如圖2所示。

圖2 無人機攝影測量數據處理流程

2.2 空三加密

為了確保傾斜攝影測量數據的精度，需要進行空三測量工作，將測區內的少量控制點數據加入攝影測量數據解算，控制點應盡量選擇航向和旁向航線的重疊位置。將已知大地坐標和像點坐標的控制點使用光束法平差方法進行平差計算，解算每張相片的加密點坐標，建立全測區的統一誤差方程，進行平差工作，計算每張相片的外方位元素以及加密點的實際大地坐標數據[5]。

2.3 三維建模

實景三維建模過程中，將采集的航飛遙感影像、相機數據以及空三解算數據進行區域平差，進行多規角影像匹配，構建TIN格網，創建白膜。傾斜攝影測量獲取的三維模型是網絡面模型，TIN數據具有較好的延展性，對地物進行展示時具有很好的效果。

建筑物TIN網的構建如圖3所示。

圖3 建筑物TIN網的構建

三維模型的表述離不開建筑物紋理映射，需要將傾斜攝影獲取的建筑物照片貼合至白膜表面。傳統的建模方式中，人工使用照相機獲取建筑物外表面的相片，采用手工貼合，誤差較大；使用無人機處理軟件時，將二維建筑物表面相片進行映射，建立相片二維平面坐標與三維白膜間的數學關系，將二維相片的灰度值直接解算至三維立體模型，使其在視覺效果上與實際建筑物外觀一致。

紋理映射如圖4所示。

圖4 紋理映射

3 傾斜攝影測量在城市規劃中的應用

3.1 為規劃編制提供基礎數據

城市的宏觀規劃離不開現狀數據支撐。規劃時，采用三維數據能夠更加直觀地展示城市高層建筑的全貌，傾斜攝影測量技術能夠快速高效地獲取大范圍城市三維數據，直觀真實地展現城市全貌，包括建筑物的位置信息、高程信息、色彩信息以及外觀信息等，為城市的宏觀規劃研究提供基礎數據。

3.2 為重大工程提供數據保障

部分重點項目工程前期需要對規劃設計方案進行對比參考。大型滑雪場常在山地中建設，有必要對地形的利用進行分析。與傳統建模方式相比，無人機傾斜攝影測量建模的效率更高、效果更好，對山體的表達更完善和真實直觀，可以采用三維建模的方式進行重點項目規劃設計。

3.3 為規劃設計方案提供三維依據

傳統的規劃設計方案匯報常采用二維效果圖進行展示匯報。二維設計圖紙效果不錯時，將設計方案放在真實的三維實景中，可能出現高度、形狀甚至色彩與周邊已建成環境不搭配的現象。采用三維模型建立規劃場景時可以同時建立周邊環境場景，提供真實的規劃場景，通過平臺進行多角度、全方位展示，提高設計方案的通過率。

4 實例應用

4.1 無人機影像獲取

試驗區選取某市開發區學校周邊區域，其地勢較平坦，平均海拔12～30 m，建筑物樣式較多，區域范圍為105°11′34.32″E～105°12′54.26″E，32°34′23.13″N～32°35′43.74″N。分析試驗區的航飛影響因素，主要包括飛行航線、航高、航向及旁向重疊率設計，航飛試驗時應充分考慮天氣的影響，確保飛行能夠順利開展。

飛行前需要對測區進行實地勘測，研究測區的環境并選取無人機起降落點，根據相關航空攝影測量技術規程設定飛行參數。根據測圖比例尺確定地面分辨率，計算航高：

式中：s——地面分辨率（ppi）；α——像元長度；H——相對航高（m）；f——相機的焦距長度（mm）。

為了保證傾斜攝影獲取的影像質量，根據相關航空攝影測量技術規程，考慮測區內高層建筑物遮擋，航向重疊率和旁向重疊率均設置為80%。根據測區范圍大小，設置航線為矩形區域。航線設定后，選擇無風晴朗天氣飛行，飛行相機選用索尼ILCE-7R。

設置相關測量參數，測區大小47 km2、區域最低高程12 m、區域最高高程30 m、基準高程26 m、相對飛行高度500 m、地面像元大小4.75 μm、地面分辨率0.673 m、航向重疊率80%、旁向重疊率80%、焦距長度35.302 mm。

4.2 三維模型建立

將獲取的傾斜影像結合飛行過程中采集的POS數據導入Smart 3D軟件，進行解算，構建三維模型。解算外方位元素，利用基于匹配算法計算特征點與同名點，采用光束法聯合平差的方式構建三維高密度云模型，采用紋理映射的方法將傾斜攝影獲取的相片貼合至三維模型，實現實景三維的構建。

局部三維模型瀏覽圖如圖5所示。

圖5 局部三維模型瀏覽圖

4.3 精度評價

城市規劃三維建模工作的要求嚴格，其精度直接影響后期規劃成果及評審結果，應對三維建模的成果進行精度檢測。為了保證測繪成果的真實可靠性，選取三維模型的界址點坐標與實測坐標進行對比，對無人機測繪成果進行精度檢測，評價方法選用地籍測量相關技術標準《國家基本比例尺地形圖更新規范》（GB/T 14268—2008）。

計算三維模型測量精度限差，三維模型選取點對臨近控制點誤差限差中，中誤差為±5 cm、允許誤差為±10 cm，三維模型選取點間限差為±10 cm。

測區內選取較明顯的點作為檢驗的控制點，利用CORS系統測量其坐標作為真值，與三維模型中同名點的坐標進行對比，計算點位坐標的誤差值：

式中：d——某一方向的中誤差；△——某一方向的真誤差值；n——點的數量。計算平面誤差ds：

精度檢測中，選取230個硬化地面拐角以及房屋拐角作為精度檢測點，使用CORS及全站儀進行坐標觀測，基準點從控制點引出，采用兩次觀測取平均值的方法計算檢測點坐標。利用激光測距儀和卷尺對地物長度及距離進行量測，與三維模型的邊長進行對比，平面坐標中誤差為0.043 2 m，高程中誤差為0.024 5 m，相對精度為0.042 1 m，滿足精度要求。

5 結語

傳統的二維平面地形圖、交通圖不能夠滿足當前城市規劃的需求，基于無人機傾斜攝影測量的三維建模技術具有建模速度快、成本低以及精度滿足規劃工作需求等特點，在城市規劃中應用越來越廣。文章闡述無人機傾斜攝影測量三維建模技術，介紹主要技術流程，為試點區域建設三維模型。結果表明，基于無人機傾斜攝影測量技術建立三維模型在城市規劃中應用具有可行性。