無人機傾斜攝影技術在鄉村三維規劃中的應用研究

范 印,李 果,劉登飛

(1.河南工業職業技術學院,河南 南陽 473000;2.河南省自然資源監測院 河南省地質災害防治重點實驗室,河南 鄭州 450000)

0 引言

《中共中央、國務院關于實施鄉村振興戰略的意見》中提出了“到2050 年,鄉村全面振興,農業強、農村美、農民富全面實現”的奮斗目標,筆者認為,村莊規劃是否科學合理事關振興全局。

現在鄉村建設過程中,無規劃、亂規劃的現象比較普遍,農村耕地破壞情況比較嚴重。 大量的基礎測繪數據作為決策依據是做好鄉村規劃工作、美麗鄉村建設的前提。 傳統的數據獲取手段以人工測繪為主,耗時較長,費用高。 而利用無人機航測技術,能夠快速地獲得大量的村莊實景照片數據,照片數據導入三維建模軟件進行智能化數據處理,得到實景三維模型等新型測繪產品,人不需要去現場就可以進行規劃設計,大部分的工作由室外轉到室內。

1 傾斜攝影測量的原理

傾斜攝影測量技術,是相對于傳統的豎直航空攝影測量而言的,能夠在飛行平臺上搭載多臺不同角度的相機,同時從垂直、前、后、左、右等多個角度拍攝地面實景影像,而垂直攝影測量是一個鏡頭一個方向,局限性較大,不能真實反映地物地貌的真實情況,傾斜攝影測量優勢明顯[1]。

在攝影前確定航攝分區、航線設計、航線敷設、航高、重疊度,同時,進行像控點布設與測量提供精確的空間定位信息,從而實現利用多角度影像建立帶有精確地理信息坐標的實景三維模型。

2 應用案例

2.1 項目區概況

A 村位于河南省安陽市滑縣縣城東南角,屬暖溫帶-亞熱帶氣候,冬季寒冷雨雪少,春季干旱風沙多,夏季炎熱雨水豐沛,秋季晴和日照足。 人口約8 000 人,距離縣城僅5 km,距離安陽市區約70 km,北部有S222省道通過,東側有S213 省道與大廣高速路通過,老史路貫穿整個村域連接S222 與S213 省道,區位條件較好,交通優勢明顯,農作物主要盛產西瓜、西芹等。

2.2 數據采集

在進行無人機外業飛行之前,需要提前了解測區的天氣情況,應該選擇在晴朗無云的天氣條件下進行,確保作業現場飛機能夠平穩正常飛行,獲取到的外業數據準確,可供內業測圖利用[2]。 根據測區面積大小,進行無人機航線的自動規劃設計,本次任務飛機飛行高度200 m,影像分辨率為4 cm,航向和旁向重度率分別為85%,75%。

2.3 三維建模

本次建模采用實景三維建模軟件 Context Capture,這款軟件可以根據照片創建規模宏大的三維實景模型,可以快速為各種類型的基礎設施項目生成最大尺寸、最具挑戰性的現狀三維模型,包括源自任何數碼照片的與整個城市同樣大小的規模,還支持最精密復雜的航空相機系統和 UAV 采集系統。 與傳統建模工藝相比,傾斜攝影測量的相機傳感器可以在無人機上從多個不同角度同時進行拍攝,多角度的照片能較好地反映物體全部的紋理信息。 三維建模技術的主要流程如下[3]。

(1)數據預處理。 由于飛行高度、飛行角度、天氣狀況等因素,導致獲取照片的色彩與實際地物相比會存在一定失真的現象,需要利用PS 對原始照片進行勻光勻色等處理操作,最后要刪除起飛、降落等產生的多余照片。 把采集到的影像進行畸變差改正與勻光勻色等一系列相關處理,確保獲取合格照片。

(2)新建工程,導入外業獲取的原始數據。 進行空中三角測量、光束法區域網平差,每張照片的更精確的6 個外方位元素被精確計算得到,加密的控制點的三維坐標及更好的同名像點匹配結果被得到。 在已知每張影像外方位元素的情況下,進行密集匹配,獲取高密度三維點云數據。

(3)根據高密度點云數據,生成測區不規則三角網(Triangulated Irregular Network,TIN),不規則三角網一種矢量形式的地理信息數據,多個折點手拉手組成網狀三角形。 CC 支持 Delaunay 三角測量算法,維模型白膜與TIN 格網疊加。

(4)對不規則三角格網進行紋理映射,白膜上呈現真實的地物顏色信息,建立村莊的實景三維模型。

(5)正射影像圖(Digital Orthophoto Map,簡稱DOM)是利用數字表面模型對原始照片,經微分糾正、鑲嵌等操作處理后,形成的影像數據集以及正射影像。

(6)數字地形圖生產,獲得實景三維模型和數字正射影像后,將模型數據導入CASS3D 地物采集平臺,可以在平臺上進行裸眼立體測圖,實時得到二維地形圖測繪產品[4]。 地物繪制完成后,采集三維模型高程點,自動生成等高線,經圖廓整飾后形成大比例的數字地形圖,地形如圖1 所示。

圖1 地形

2.4 村莊具體規劃

本村莊規劃是在無人機航測所獲得的數字正射影像和村莊實景三維模型上進行,村莊現狀數據現勢性強,精度較高,地物地理信息數據全面無漏洞,實景三維模型可以多角度全方位呈現村莊實景面貌,在模型上進行規劃設計,規劃專業人員可以與村民保持溝通,征求各方意見,保證規劃的合理性、科學性和吸納群眾的真實反饋意見,老糧庫規劃、沿湖綠地規劃總平面圖及鳥瞰圖如圖2—3 所示。 廣場三維規劃設計及公園規劃設計如圖4—5 所示。

圖2 老糧庫規劃總平面

圖3 沿湖綠地規劃總平面圖及鳥瞰

圖4 廣場三維規劃設計

圖5 公園規劃設計

3 結語

本文通過無人機傾斜攝影技術獲得大量的地物傾斜照片數據,照片數據經過處理后,得到了村莊的正射影像圖、數字高程模型、數字地形地貌數據、實景三維模型,在此成果基礎上對A 村的老糧庫和沿湖綠地進行了規劃設計。 利用無人機傾斜攝影技術不僅可以節約大量的時間和資金成本,而且可以以較快的速度獲取最新的、高精度的測繪數據成果[5]。 同時基于村莊實景三維模型設計,規劃設計更加具有立體感、多角度、全方位的展示,設計成果能夠吸納群眾真實的反饋意見。