基于无人机倾斜摄影+3 D GIS的乡村公路规划方法探讨

严 哲 张祥燊 孙国强

（海南集思勘测规划设计有限公司，海南 海口570203）

0.引言

无人机技术的快速发展为三维空间信息的高效获取提供了新的途径，当前，无人机技术已被广泛应用于军事、农业、测绘、救灾、环境以及影视拍摄等多种领域，创造了较好的应用价值[1]。

交通基础设施对于社会经济的发展至关重要，城乡空间和交通设施之间存在复杂的相互影响关系，在实际规划设计时常常因为空间信息技术获取不全导致城乡公路规划难以适应当地的发展需求，特别是乡村公路，由于其具有点多、面广、数量巨大以及极度分散等特点，且各地区的自然条件各异，导致农村公路的规划设计更是缺乏科学合理性，这极大阻碍了乡村地区的经济发展。无人机倾斜摄影技术是一种快速实现三维模型构建的新型技术，能够多角度拍摄真实度高、可靠性强的空间影像，目前已成为空间地理信息获取的主流技术[2-7]。

然而，三维空间信息技术在乡村公路规划的应用还处于初步探索阶段，很多体系和技术应用尚不健全，如何建立一套行之有效的技术应用体系，加强乡村公路规划的科学性、合理性和可持续性，对于实现乡村公路合理规划布局具有重要意义[8-12]。本文以无人机倾斜摄影技术为基础，建立起基于无人机倾斜摄影的实景三维空间信息技术体系，并进行案例分析，可为类似乡村地区公路设计规划布局提供借鉴。

1.乡村公路规划理论

乡村公路通常是指县道、乡道和村道的总称，县道的适应交通量为5000—15000辆/日，设计行车速度60—80 km/h，属二级公路体系，乡道适应交通量为2000—6000辆/日，设计行车速度30—40 km/h,属三级公路体系，村道的适应交通量为400—2000辆/日，设计行车速度20 km/h，属四级公路体系。当前，乡村公路规划的主要方法包括：四阶段法、直线连接法、节点重要度法以及交通区位法等。每种方法均有自身适用的对象，如四阶段法适用于交通相对密集的县道，交通区位法适用于区域内主干线规划。但是，现有的规划方法也有其缺点，总的来说，当前的乡村公路规划理论主要集中于公路本身，并以乡村公路布局为主导，以交叉路口、场站等规划为辅助，缺乏对周边空间信息的综合考虑，其主要局限性为以下三个方面：（1）以城乡公路网规划代替农村公路规划，导致理论发展存在局限性；（2）传统城乡道路规划法没有充分考虑乡村地区环境的特殊性与复杂性；（3）定性与定量相结合的方法在科学性上仍存在较大提升空间，目前流行的空间信息理论定量分析法在乡村公路规划中应用较少，存在改进的空间。

2.基于无人机倾斜摄影的实景三维空间信息技术体系

2.1 无人机倾斜摄影技术

无人机倾斜摄影技术主要包括影像采集、影像加工以及模型生产三个阶段。影像采集阶段是利用无人机及摄影设备获得多方位、多角度的区域影像信息；影像加工阶段通过影像检查与整理、影像联合平差、影像密集匹配、影像修正以及数字表面模型生产等过程，初步得到区域空间信息；模型生产阶段利用自动化建模软件进行匀光匀色等步骤，建立起实景三维空间模型。

2.2 实景三维空间信息技术

空间信息技术主要依靠“3S”技术，即遥感（RS）技术、定位导航系统（GPS）和地理信息系统（GIS），其中，GIS技术经过几十年的发展，已成为空间信息技术的重要组成结构。上世纪90年代以来，GIS技术逐渐应用于交通基础设施领域，在保障安全性和实用性基础上，节约了大量的人力、物力、财力，但是也存在一些技术瓶颈，如二维分析如何与三维实体相结合、空间信息如何与专家经验以及数学模型相结合、三维可视化如何更好地实现等。

2.3 技术体系的建立

遵循科学性、整体性、可行性以及动态性原则，以实现乡村公路规划与村庄规划统一协调、实现多方规划利益者的共同参与、实现规划方法技术的高效率和低成本为目标，将无人机倾斜摄影技术与3D GIS技术相结合；通过倾斜摄影信息采集、实景三维空间信息构建以及应用准备三个步骤，得到具有实景、DSM以及DOM等多种信息的实景三维空间信息，并将其应用于农村公路规划的多个阶段，最终建立起基于无人机倾斜摄影的实景三维空间信息技术乡村公路规划体系（如图1所示）。

图1乡村公路规划体系

3.案例分析

3.1 案例背景

海南海口市美兰区位于海口市东北部东接文昌市，南连琼山区，西接龙华区，北临琼州海峡，总面积约为581 km2，总人口约71万，下辖9个街道，4个镇共计53个行政村，全区镇级以下公路500余条，总长度超过800 km，对于促进当地的经济发展、增强城乡统筹规划具有重要意义。案例区位于麻余村，项目已完成高分辨率下的遥感卫星场景制作。为了推进乡村公路与村庄建设的协同规划，增强当地人民群众的参与感，使村民能够直观了解本村公路规划后的整体效果，故本项目拟采用无人机倾斜摄影进行乡村公路的规划实践（如图2所示）。

图2案例区卫星图

3.2 规划流程

步骤一：可行性研究。结合工程项目的相关调研资料，对项目进行技术、经济的可行性分析，特别是进行无人机倾斜摄影数据采集的可行性研究，之后，进行目标地块的空间信息融合。其实景三维空间信息应用部分包括单体建筑物的三维精细建模、实景三维模型的建立以及GIS平台对接等相关内容（如图3所示）：

图3目标地块的空间信息融合示意

步骤二：进行无人机倾斜摄影数据采集。采用大疆inspirel作为飞行平台，将无人机和摄影设备进行组装后，使用双“S”型航路规划对目标区域进行倾斜摄影原始数据的采集（将搭载的单镜头和pix4d移动软件配合使用，可以达到与使用无镜头相机进行图像采集基本相似的结果），采集时将目标区域分为若干个200 m×300 m地块进行单独的数据采集。

步骤三：实景三维空间信息构建。将倾斜摄影原始数据经自动化生成后处理为osgb格式文件，经几何校正、联合平差，以及连续TIN三角网等过程处理后，得到目标区域的倾斜摄影三维模型数据；根据图像识别及路径判断的相关原理，将满足一定倾斜度以及重合度（60～70%）的数据进行拼接，得到像采集位置点云图；然后基于点云模型，采用平铺图像于点阵的方法将二维模型生成三维模型，最终得到实景三维模型（如图4所示）：

图4三维空间信息的构建

步骤四：实景三维空间信息的应用。首先是进行单体三维精细建模，采用3dmax三维建模软件对目标区域的重点建筑物、公路、景观小品等进行实体建模；然后将实景三维模型和单体三维精细模型一同导入GIS平台中，并与高分辨率三维场景进行匹配和叠加（如图5所示）：

图5实景三维空间信息的应用过程

步骤五：成果展示。将得到的目标区域三维模型进行多种途径的展示，并分为现有三维现状、拟采取的改造、规划方案，以及规划改造后的不同时期效果进行对比展示，使项目主管及普通民众对规划结果有一个直观认识，以便于规划方案得到进一步地详细分析及改进（如图6所示）：

图6规划改造成果展示

3.3 应用成果评价

在无人机倾斜摄影及GIS技术支持下，实现实景三维空间在乡村公路规划中的应用，能够获得更加准确的空间位置信息，相较于传统的二维平面规划技术，其主要优势有以下几点：（1）模型具备完整的三维特征，更加直观具体化；（2）能够快速高效对目标区域进行测绘分析，节约人工和成本，解决了传统测绘工作的局限性；（3）利用实景三维模型可以在一天内实现对村镇信息的统计，方便其真实高效地与城镇规划相比较；（4）完成实景三维模型后，可以为后续的相关规划和保护工作提供完备的空间信息、数据信息及其他数据，并可以实现叠加设计规划的影响预测和判断，极大提升规划设计的科学性；（5）实景三维空间信息模型的精度较高，在本工程中平均平面中误差和高程中误差仅为0.083m和0.299m。

与此同时，在本工程实施过程中，发现需要在今后解决的一些问题：如因数据量过大需高性能数据存储硬件支撑、在植被茂密区域容易导致数据失真、当目标区域过大时，需要采用大型无人机进行数据采集等。

4.结束语

本文以无人机倾斜摄影技术为基础，结合3D GIS空间信息技术，建立起乡村公路规划方法体系，实现了实景三维空间技术在乡村公路规划中的应用，该方法不仅解决了传统二维平面规划时存在的局限性，而且大大节约人工和成本，并能为规划者及其他利益相关者提供真实高效的空间位置信息，大大提升了乡村道路规划的科学性，值得在今后的工作中推广运用。