无人机倾斜摄影技术在乡村三维规划中的应用研究

范 印,李 果,刘登飞

(1.河南工业职业技术学院,河南 南阳 473000;2.河南省自然资源监测院 河南省地质灾害防治重点实验室,河南 郑州 450000)

0 引言

《中共中央、国务院关于实施乡村振兴战略的意见》中提出了“到2050 年,乡村全面振兴,农业强、农村美、农民富全面实现”的奋斗目标,笔者认为,村庄规划是否科学合理事关振兴全局。

现在乡村建设过程中,无规划、乱规划的现象比较普遍,农村耕地破坏情况比较严重。 大量的基础测绘数据作为决策依据是做好乡村规划工作、美丽乡村建设的前提。 传统的数据获取手段以人工测绘为主,耗时较长,费用高。 而利用无人机航测技术,能够快速地获得大量的村庄实景照片数据,照片数据导入三维建模软件进行智能化数据处理,得到实景三维模型等新型测绘产品,人不需要去现场就可以进行规划设计,大部分的工作由室外转到室内。

1 倾斜摄影测量的原理

倾斜摄影测量技术,是相对于传统的竖直航空摄影测量而言的,能够在飞行平台上搭载多台不同角度的相机,同时从垂直、前、后、左、右等多个角度拍摄地面实景影像,而垂直摄影测量是一个镜头一个方向,局限性较大,不能真实反映地物地貌的真实情况,倾斜摄影测量优势明显[1]。

在摄影前确定航摄分区、航线设计、航线敷设、航高、重叠度,同时,进行像控点布设与测量提供精确的空间定位信息,从而实现利用多角度影像建立带有精确地理信息坐标的实景三维模型。

2 应用案例

2.1 项目区概况

A 村位于河南省安阳市滑县县城东南角,属暖温带-亚热带气候,冬季寒冷雨雪少,春季干旱风沙多,夏季炎热雨水丰沛,秋季晴和日照足。 人口约8 000 人,距离县城仅5 km,距离安阳市区约70 km,北部有S222省道通过,东侧有S213 省道与大广高速路通过,老史路贯穿整个村域连接S222 与S213 省道,区位条件较好,交通优势明显,农作物主要盛产西瓜、西芹等。

2.2 数据采集

在进行无人机外业飞行之前,需要提前了解测区的天气情况,应该选择在晴朗无云的天气条件下进行,确保作业现场飞机能够平稳正常飞行,获取到的外业数据准确,可供内业测图利用[2]。 根据测区面积大小,进行无人机航线的自动规划设计,本次任务飞机飞行高度200 m,影像分辨率为4 cm,航向和旁向重度率分别为85%,75%。

2.3 三维建模

本次建模采用实景三维建模软件 Context Capture,这款软件可以根据照片创建规模宏大的三维实景模型,可以快速为各种类型的基础设施项目生成最大尺寸、最具挑战性的现状三维模型,包括源自任何数码照片的与整个城市同样大小的规模,还支持最精密复杂的航空相机系统和 UAV 采集系统。 与传统建模工艺相比,倾斜摄影测量的相机传感器可以在无人机上从多个不同角度同时进行拍摄,多角度的照片能较好地反映物体全部的纹理信息。 三维建模技术的主要流程如下[3]。

(1)数据预处理。 由于飞行高度、飞行角度、天气状况等因素,导致获取照片的色彩与实际地物相比会存在一定失真的现象,需要利用PS 对原始照片进行匀光匀色等处理操作,最后要删除起飞、降落等产生的多余照片。 把采集到的影像进行畸变差改正与匀光匀色等一系列相关处理,确保获取合格照片。

(2)新建工程,导入外业获取的原始数据。 进行空中三角测量、光束法区域网平差,每张照片的更精确的6 个外方位元素被精确计算得到,加密的控制点的三维坐标及更好的同名像点匹配结果被得到。 在已知每张影像外方位元素的情况下,进行密集匹配,获取高密度三维点云数据。

(3)根据高密度点云数据,生成测区不规则三角网(Triangulated Irregular Network,TIN),不规则三角网一种矢量形式的地理信息数据,多个折点手拉手组成网状三角形。 CC 支持 Delaunay 三角测量算法,维模型白膜与TIN 格网叠加。

(4)对不规则三角格网进行纹理映射,白膜上呈现真实的地物颜色信息,建立村庄的实景三维模型。

(5)正射影像图(Digital Orthophoto Map,简称DOM)是利用数字表面模型对原始照片,经微分纠正、镶嵌等操作处理后,形成的影像数据集以及正射影像。

(6)数字地形图生产,获得实景三维模型和数字正射影像后,将模型数据导入CASS3D 地物采集平台,可以在平台上进行裸眼立体测图,实时得到二维地形图测绘产品[4]。 地物绘制完成后,采集三维模型高程点,自动生成等高线,经图廓整饰后形成大比例的数字地形图,地形如图1 所示。

图1 地形

2.4 村庄具体规划

本村庄规划是在无人机航测所获得的数字正射影像和村庄实景三维模型上进行,村庄现状数据现势性强,精度较高,地物地理信息数据全面无漏洞,实景三维模型可以多角度全方位呈现村庄实景面貌,在模型上进行规划设计,规划专业人员可以与村民保持沟通,征求各方意见,保证规划的合理性、科学性和吸纳群众的真实反馈意见,老粮库规划、沿湖绿地规划总平面图及鸟瞰图如图2—3 所示。 广场三维规划设计及公园规划设计如图4—5 所示。

图2 老粮库规划总平面

图3 沿湖绿地规划总平面图及鸟瞰

图4 广场三维规划设计

图5 公园规划设计

3 结语

本文通过无人机倾斜摄影技术获得大量的地物倾斜照片数据,照片数据经过处理后,得到了村庄的正射影像图、数字高程模型、数字地形地貌数据、实景三维模型,在此成果基础上对A 村的老粮库和沿湖绿地进行了规划设计。 利用无人机倾斜摄影技术不仅可以节约大量的时间和资金成本,而且可以以较快的速度获取最新的、高精度的测绘数据成果[5]。 同时基于村庄实景三维模型设计,规划设计更加具有立体感、多角度、全方位的展示,设计成果能够吸纳群众真实的反馈意见。