无人机倾斜摄影测量技术在城市规划中的应用

无人机倾斜摄影测量技术在城市规划中的应用

胡品

戴维量行（深圳）土地房地产评估咨询有限公司 广东深圳 518000

摘要：相较于城市二维平面数据，基于低空无人机构建的城市实景三维模型具有真实、直观的特点，在城市面貌展示、规划分析及规划辅助决策方面具有一定优势。针对低空无人机倾斜摄影测量构建城市实景三维模型的关键技术，探讨模型在城市规划中的实际应用，为城市规划主管部门获取城市详细信息提供新思路。

关键词：无人机；倾斜摄影测量；城市规划

城市建筑物逐步向高层、超高层发展，大比例尺地形图、城市规划图、建设用地管制区等传统二维平面数据不能完整地对城市进行描述和表达，城市面貌不能得到直观展示。城市实景三维模型构建成为当前研究和应用的热点，大中型城市相继开展城市三维模型建设项目。无人机摄影测量技术是将GNSS动态定位、摄影测量及惯导技术相融合的现代化测量技术，在自然资源调查、城市三维模型建立以及矿山测量工作中应用广泛。在城市规划方面，实景三维模型能够直观地展示城市面貌，便于规划调整与决策。因此，本文通过无人机倾斜摄影测量技术建立城市实景模型用于城市规划研究。

1 无人机倾斜摄影测量原理

无人机倾斜摄影测量系统组成主要分为两个部分。一是定位系统，无人机搭载高精度的GNSS定位系统与POS系统，记录拍摄精确位置及姿态；二是摄影系统，无人机倾斜摄影测量搭载5个镜头，其中一个垂直镜头，前后左右方向各一个镜头，采用高分辨率传感器获取测区范围内地表真实纹理。

无人机倾斜摄影测量工作的作业流程分为3个阶段。一是前期准备工作，即确定好航摄区域，根据测量要求选择无人机及拍摄系统类型，规范化航飞路线及飞行参数；二是实地飞行作业，根据测区情况布设控制点位，按照设计的飞行航线进行实际航飞，获取测量数据；三是数据处理，将获取的数据导入数据处理软件中，进行自动化解算及建模。

2 实例应用

2.1 测区概况

研究区域位于某省某城区，城区东南高西北低，高差较大。市区内部高楼林立，高大植被覆盖且多集中于道路两侧，小区内部多低矮灌木，对无人机倾斜摄影测量影响较小。实验区为该市的高新区，项目采集面积约3.6 km2，实景三维模型建设面积约2.5 km2，包括居民区、高架桥、公路、公园等城市建筑要素。

2.2 航飞参数设置

本文选用低空无人机为消费级小型四旋翼无人机，型号为大疆4RTK，该无人机能够在低空环境下稳定飞行，且可以接受卫星定位信号和基准站定位信号，实现厘米级的定位精度。

2.2.1 飞行航高

无人机的飞行航高主要是根据地面分辨率要求进行设置。对于比例尺为1∶500地形图，地面分辨率要求≤5 cm；对于比例尺为1∶1 000的地形图，要求为8～10 cm；对于比例尺为1∶2 000的地形图，要求为15～20 cm。

2.2.2 像片重叠度

像片重叠度分为航向和旁向两种重叠度，根据低空摄影测量要求，像片的航向重叠度应在60%～80%之间，不得小于53%；旁向重叠度应在15%～60%之间，不得小于8%。如果测区的地表起伏较大，则需要适当增加影像重叠度。

影像的重叠度对于建模精度非常重要，影像重叠度越高，像片间的公共点越多，建模精度越高，但是不能一味追求测量精度，重叠度越高，影片的数据量越大，对于数据存储以及后期数据处理的工作量也会增加。因此，像片的重叠度设置需根据测区情况具体分析，通常情况下由于倾斜摄影测量的数据对地物的重叠率要求较高，一般航向和航线重叠度设置较大。

2.2.3 航线参数

航线规划是整个飞行任务规划的重点，需要结合测区地形与无人机的性能进行设计。对测区的大小进行分析后，确定飞行方向及航线长度。在进行航线规划时，要将参数布设超出测区范围，防止测区边缘数据不全，造成返工补测。

2.3 地面控制点布设

为提高数据解算精度，对影像偏差进行纠正，需要在测区内部布设一定数量的控制点。采用RTK进行控制点的布设，移动站直接连接城市CORS系统，坐标系为CGCS2000坐标系，高程系统为1985坐标系。小区域范围内，高程异常值基本相同，获取的高程数据根据高程异常值可直接转化为1985高程系统。根据测区的形状进行控制点位布设，在测区内测控点均匀分布，在测区边缘布设一定数量的控制点，防止测区边缘因控制点不足，导致误差偏大。控制点的布设可充分利用城市现有的点、线、面特征，为了保护城市整洁面貌也可采用标靶板的方式进行控制点布设，靶标大小通常为10倍的地面分辨率，本次设置大小为45 cm×45 cm。通常情况下，控制点多布设于较为空旷的区域，如研究区的广场处、道路拐角处及楼顶平台处等。

2.4 空三加密

空三加密是依据航摄像片的共线方程，采用少量地面控制点对像片进行坐标解算，实现像片的物方坐标系向地面坐标系的转变。空三加密关系到三维模型的质量和精度。将测区内15个控制点及无人机接受的GNSS差分信号作为空三加密参数，剩余10个平高点作为检查点。

2.5 内业数据处理

2.5.1 影像数据预处理

实验区共飞行15架次，获取像片共计56 236张，每次飞行完均要详细检查飞行质量，包括每张像片的POS数据是否完整。在模型建立前，要将每次开机试飞的照片剔除，提取曝光过度的照片，进行亮度和匀色的预处理。

2.5.2 多视影像联合平差

多视影像联合平差是数据处理的重要一步，对于倾斜摄影测量，多视影像包括垂直像片和倾斜像片两种像片类型，因此在进行联合平差时，选择的影像匹配算法需要忽略影像的变形。本文设计使用的联合平差方法是通过SIFT算法进行影像的特征提取，通过控制点与POS数据进行区域网平差计算，得到像片外方位元素。

无人机倾斜摄影测量从不同方向的5个镜头获取测区影像，像片无法避免存在遮挡和缩放，垂直测量的三角测量无法解决这类问题，因此采用多视影像联合的方式进行影像处理。通过金字塔匹配方法，将影像的同名点从粗略到精细进行匹配，并将像控点数据和POS数据加入数据解算，求得像片外方位元素。

2.5.3 不规则三角网

采用SIFT进行影像的特征提取、空三及多视影像密级匹配工作后，得到点云数据。根据提取的点云数据构建TIN模型，TIN模型是将提取的点云特征点进行临近点的构建，且三角形之间不会出现重叠压盖现象，建立不规则的三角网，通过不规则的三角网对建筑物表面进行描述。

TIN三角格网模型是将地形的关系通过点与线及三角形的面进行表述，是一种矢量的拓扑关系，可以对地面进行细致的表现，地表形态越复杂，三角格网的数量越多，运算时间越长，地表越平整或越简单，用于表示地表特征的三角形相应减少，构建模型运算量越小。

2.5.4 纹理匹配

纹理匹配是实景三维模型建立至关重要的一步，在建立的白模各项限差满足要求后，在软件中进行三维模型重构，设置空间坐标系为CGCS2000坐标系，划定模型输出范围，划定的范围要与计算机的性能相匹配。通常情况下，计算机的运行内存越大，可划分的地块越大，一般运算内存不超过计算机总内存的1/3。各项参数设置完成后，软件可自动选择合适的纹理进行模型映射。

3 实景三维模式在规划中的应用

3.1 日照分析

对于小区规划建设，日照分析是必不可少的一项内容。对于新建小区，最直接的日照分析是根据建筑物的实际高度进行阳光遮挡分析。在城市实景三维模型中可根据规划建设的高楼进行1∶1复制，通过调节光照时间及方向，研究每栋楼的光照高度、时间变化。

3.2 可视域分析

对于重要的景观、景点，可视域分析极为重要，周边的建筑物太高会阻挡视线，影响城市旅游价值。因此，在城市规划过程中需要充分考虑可视域。通过城市实景三维模型，可根据给定的观测点，研究其可视范围，观测重要目标物是否在可视范围内，并可根据实际需要调节角度和距离，对可视范围内的建筑物进行分析。

3.3 辅助规划审批

规划审批是规划工作中重要的环节，只有经过规划审批，项目才能有序地进入下一步骤。传统的审批工作是基于二维平面图，在平面图纸上进行规划设计，对空间的考虑不够完善。通过城市三维实景模型建立，可更直观地对审批项目周边环境进行判断，考虑内容更全面，有助于审批质量的提升，便于规划者决策。

4 结语

本文通过低空无人机实现试验区实景三维模型的建立，详细介绍了倾斜摄影测量技术的相关理论、数据处理流程及三维模型建立过程，并对建立的城市实景三维模型在规划工作中的应用进行分析。试验结果表明，实景三维模型可直观地展示城市面貌，为规划工作提供决策依据。

参考文献：

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[2]赵龙.基于倾斜摄影测量的大比例尺地形图测绘[J].智能城市,2023,9(06):78-80.

[3]孙佳龙.无人机倾斜摄影测量在房地一体化测绘中的应用研究[J].测绘与空间地理信息,2023,46(05):131-134.