低空傾斜攝影測量技術在舊城改造中的應用

賈宗寶,李睿智

(河北省地質礦產勘查開發局第八地質大隊,河北 秦皇島 066000)

0 引言

舊城區作為城市的歷史遺產、文化記憶及城市形象的重要組成部分具有獨特的價值及潛力,部分建筑需要保留并對其進行改造及重建,以提升城市形象,改善居住環境,保護文化遺產,增強城市韌性,提升居民生活質量。舊城改造離不開前期測量,改造測量可以全面了解其環境特征及資源分布情況,為規劃設計與合理利用及保護自然資源提供基礎信息。但傳統的測量方法(如全站儀測量、三維激光掃描儀)往往受限于時間、成本及數據質量等因素,故低空傾斜攝影測量技術成為一種重要的測量手段。其使用無人機搭載傾斜攝影設備,將高分辨率的影像數據與精確的定位信息相結合,實現了對舊城區高效、準確的三維測量及建模,可獲取詳細的城市數據及信息,包括建筑物、街道、街角及其他地物形態、尺寸、位置等[1-2]。

為挖掘低空傾斜攝影測量技術在舊城改造中的應用潛力,分析其在違章建筑監測、城市規劃設計及三維數字化管理等方面的具體應用,對實際案例進行數據采集及分析,探討該技術在空間數據獲取、準確定位及建模等方面的優勢,為舊城改造項目的規劃及決策提供參考。

1 低空傾斜攝影測量技術

無人機傾斜攝影測量技術是以無人機為飛行平臺搭載多角度相機,通過航拍獲取目標物清晰完整的影像數據,克服了傳統航拍技術的限制,有效提高了三維模型生產效率,可以更加清晰地反映地面實物的情況,大幅度降低了三維建模數據的獲取時間、人力及經濟成本。低空攝影測量航高通常為100～1000 m,具有成果快、生產周期短、運作成本低、可操作性強等特點,在危險區域圖像實時獲取、土地變化監測、建筑物違章監管、環境監測及應急指揮等方面有著廣泛應用。其系統組成包括兩部分:①無人機飛行平臺,包括數碼相機及導航控制系統,用來進行數據采集。②地面站即地面控制系統,用來設計航線、控制無人機飛行及數據處理等。

傾斜攝影測量按照相機鏡頭數量可分為五鏡頭相機、四鏡頭相機、三鏡頭相機、雙鏡頭攝像機及單鏡頭相機等,在無人機飛行標準中,航空攝像機的像素必須在3500萬以上,本研究主要應用五鏡頭相機采集影像數據。

圖1 傾斜攝影傾斜角度Fig.1 Tilt angle for oblique photography

2 影像數據采集及實景三維模型重建

2.1 作業區概況

實驗測區為某市擬進行規劃建設的鄉鎮,總占地面積約1.5 km2,主要以20世紀90年代居民樓及農民自建房為主,需對該區域進行改造,獲取測區數據,為后期規劃設計提供參考信息。擬應用無人機傾斜攝影測量技術建立測區實景三維模型,在模型基礎上進行應用分析,整體技術流程如圖2所示:

進行測區資料資料收集與分析,外業數據采集包括影像數據及像控點數據,數據采集完成后進行實景三維模型重建及應用分析。

2.2 傾斜攝影影像數據采集

結合測區實際情況,選擇“混合翼無人機+五鏡頭傾斜相機”等搭載傾斜相機的方式獲取傾斜影像,航向重疊度按優于80%設計,旁向重疊度按優于70%設計,無人機為飛馬V100混合翼無人機,主要參數如表1所示[3]。

表1 飛馬V100參數表

應用飛馬控制系統制定航線計劃,在數字地圖衛星影像上確定合適的航點。航點的選擇應充分考慮目標物體的形狀、復雜程度及采集要求,保證航線覆蓋區域全面高效。進行設備調試,將傾斜相機設備與無人機等載體平臺進行連接,設置各項參數并校準,以確保設備正常工作及數據的準確性。執行飛行任務,無人機按照預設的飛行路徑及高度飛行,傾斜相機自動采集測區傾斜影像數據。

2.3 實景三維模型重建

內業數據處理中,由于光影及采集時間等原因,需對影像數據進行預處理,使用Terra photo軟件對機載激光數碼影像進行勻光勻色處理,通過添加顏色點自動補償大幅度的色彩變化進行整體色彩分配。實景三維模型重建使用Context Capture Master軟件,添加要建模的照片及控制點信息文件,再進行刺點,輸入外業實測的像控點坐標并進行POS解算。進行空三加密任務,包括提取連接點、匹配連接點、光束法區域網平差、創建區塊提交空三任務。構建不規則三角網及模型紋理貼圖,生成包含真實貼圖信息的實景三維模型。建立好的測區實景三維模型如圖3所示[4-5]:

圖3 舊城區傾斜攝影實景三維模型Fig.3 3D model of slanting photography real scene of old city

3 低空傾斜攝影測量技術的應用

違章建筑監測。低空傾斜攝影測量技術可實現多角度的觀測及分析,從不同角度及方向觀察建筑物,更全面地了解建筑物結構及形態,識別出可能的違建部分,直觀顯示違章建筑的位置、規模及類型,為決策者提供直觀、科學的依據,進一步加強違章建筑的監測及管理。違章建筑物拆除前后的實景三維效果對比如圖4[6]。

圖4 違章建筑拆除前后對比Fig.4 Comparison of illegal buildings before and after demolition

城市規劃及設計。通過對舊城實景三維模型進行分析模擬,評估城市空間的使用及布局效果,優化道路網絡及建筑物的位置與形狀,實現城市規劃的科學決策。還可進行景觀設計,在舊城景觀中添加植被、公共設施及文化元素,提升城市形象。將設計好的BIM道路模型導入到實景三維模型中,如圖5[7]。數字化監測管理。低空傾斜攝影測量技術可通過數字化監測平臺進行可視化展示及呈現。將實景三維模型與地理信息系統(GIS)相結合,在地圖上直觀地顯示違章建筑的位置、規模及類型,提供相應的屬性信息,快速準確地發現、定位及處理違章建筑問題,促進城市規劃與管理的科學化、智能化發展[8]。將舊城實景三維模型與虛擬現實技術相結合,創造虛擬旅游、文化體驗及教育教學等多樣化應用,為人們提供豐富、全面的旅游文化體驗。

4 結束語

舊城區建筑密集,亂搭亂建及相互遮擋嚴重,故建立的三維模型拉花、缺失、扭曲問題比較嚴重,需在航線設計、測量手段上進一步探究解決方案。可應用低空傾斜攝影測量技術,來為舊城改造的管控及評估提供依據。