李敏勇

(廈門興才職業(yè)技術(shù)學(xué)院 藝術(shù)與建筑學(xué)院，福建 廈門，361024)

隨著城市化的不斷推進，全國各地逐步掀起了鄉(xiāng)村振興的建設(shè)浪潮，但在很多地方鄉(xiāng)村景觀規(guī)劃在很大程度上受到城市景觀規(guī)劃的影響，未能考慮到鄉(xiāng)村的實際情況?，F(xiàn)在鄉(xiāng)村景觀的規(guī)劃設(shè)計逐漸引起了相關(guān)部門的重視，但用于設(shè)計鄉(xiāng)村景觀規(guī)劃方案的傳統(tǒng)手工三維模型所需采集的數(shù)據(jù)量大，耗費時間長，對外業(yè)數(shù)據(jù)采集人員要求高，所以丟失、遺漏數(shù)據(jù)等情況經(jīng)常發(fā)生，導(dǎo)致鄉(xiāng)村景觀中的建筑細(xì)部構(gòu)造只能通過建模人員推測而得，人工干預(yù)的程度較高，結(jié)果較為主觀，與實際的場景偏差較大，而且精度方面并不能滿足項目落地階段的需求[1]。如何以高效的方式獲取真實準(zhǔn)確的實景三維模型，并將規(guī)劃方案與模型完美地進行無縫融合，然后在此基礎(chǔ)上優(yōu)化調(diào)整，是鄉(xiāng)村景觀規(guī)劃設(shè)計中必須考慮的問題。利用無人機傾斜攝影技術(shù)快速生成精度高的實景三維模型為鄉(xiāng)村景觀規(guī)劃設(shè)計提供了一種新思路。

目前，傾斜攝影技術(shù)在國內(nèi)還處于起步階段，其在鄉(xiāng)村景觀規(guī)劃中的應(yīng)用較為少見，現(xiàn)階段大部分是運用于城市與建筑規(guī)劃這些領(lǐng)域。薄正權(quán)等[2]利用傾斜攝影技術(shù)構(gòu)建長春城區(qū)數(shù)字化實景模型，為智慧城市的發(fā)展做出了一定貢獻；趙雷等[3]通過傾斜攝影技術(shù)采集了城市建筑物空間的相關(guān)數(shù)據(jù)，為城市管理審核與違法建筑的拆除提供有力的依據(jù)；王保國等[4]將擬規(guī)劃的三維方案導(dǎo)入無人機傾斜攝影，測量生成實景三維模型，對規(guī)劃方案進行比選，提前發(fā)現(xiàn)規(guī)劃方案中存在的不足之處；柳婷等[5]針對城市軌道交通規(guī)劃選線，將傾斜攝影測量應(yīng)用于BIM+GIS技術(shù)，對周邊軌道交通線路的信息資源進行有效整合。雖然傾斜攝影技術(shù)在城市與建筑規(guī)劃中的應(yīng)用正逐步走向成熟，將傾斜攝影技術(shù)應(yīng)用于鄉(xiāng)村景觀規(guī)劃設(shè)計相關(guān)的研究卻很少。研究傾斜攝影技術(shù)在鄉(xiāng)村景觀規(guī)劃設(shè)計中的應(yīng)用有極大的現(xiàn)實意義，因為傾斜攝影技術(shù)可以在較短的時間內(nèi)獲取目標(biāo)的空間位置與全景三維坐標(biāo)，并借助軟件快速、精確、高效地建立三維實景模型，為鄉(xiāng)村景觀規(guī)劃設(shè)計帶來巨大的突破。應(yīng)用傾斜攝影技術(shù)輔助鄉(xiāng)村景觀規(guī)劃設(shè)計，建立規(guī)劃區(qū)的實景三維環(huán)境，將方案的三維模型與鄉(xiāng)村景觀實景模型進行結(jié)合，對鄉(xiāng)村景觀規(guī)劃方案進行多角度、全方位的展現(xiàn)，這有利于提升鄉(xiāng)村景觀規(guī)劃方案的科學(xué)性，為專家審定方案提供可靠的依據(jù)，從而更好地推動全國鄉(xiāng)村的建設(shè)[6]。

一、傾斜攝影技術(shù)對于鄉(xiāng)村景觀規(guī)劃的重要性

傾斜攝影測量技術(shù)是近年來在國內(nèi)外測繪領(lǐng)域興起的一項高新技術(shù)，其利用多旋翼無人機到實地航拍影像，再經(jīng)過軟件自動化建模生成實景三維模型，可以完整、無差別地還原真實的鄉(xiāng)村景觀，從而避免了人工建模時有選擇的還原所帶來的信息損失。運用傾斜攝影測量技術(shù)生成的實景三維模型支持三維瀏覽、量測，含有完整的地理特征和空間信息，是鄉(xiāng)村景觀的直觀表達(dá)，可以滿足規(guī)劃方案多角度、全方面分析的要求。傾斜攝影技術(shù)對于鄉(xiāng)村景觀規(guī)劃設(shè)計的意義主要體現(xiàn)在以下幾方面：

(一)可反映鄉(xiāng)村景觀的真實情況

傳統(tǒng)鄉(xiāng)村景觀規(guī)劃通?；贑AD平面圖與拍攝的照片，估算建筑物的形狀、高度等信息，利用3ds Max及PS等制圖軟件進行人工建模與渲染，但利用這種方法生成的三維模型精度較低，表現(xiàn)效果與實際場景差別較大。運用傾斜攝影技術(shù)，規(guī)劃設(shè)計范圍內(nèi)的地形、地貌與建筑都可以借助傾斜攝影技術(shù)采集的數(shù)據(jù)生成如圖1所示的三維實景數(shù)字模型，而且可以將規(guī)劃方案融入這個實景模型中，形成一個虛擬現(xiàn)實的場景。通過這個場景，可以準(zhǔn)確地判斷人的視線范圍或景觀通廊內(nèi)的建筑高度是否超標(biāo)，同時也能全方位、多角度地觀察規(guī)劃區(qū)域內(nèi)的建設(shè)是否會對周邊的景觀節(jié)點造成影響，直觀地感受規(guī)劃設(shè)計方案實施落地后的景觀效果。借助規(guī)劃方案與實景模型結(jié)合的動態(tài)交互體驗可以對規(guī)劃方案的合理性進行全面的審視與判定，將方案中不合理的部分進行調(diào)整優(yōu)化從而獲得切合實際的規(guī)劃設(shè)計方案。規(guī)劃方案通過與真實的三維鄉(xiāng)村景觀模型結(jié)合的方式，可以幫助規(guī)劃設(shè)計人員更加科學(xué)、有效地進行工作[7]。

圖1 鄉(xiāng)村景觀三維實景模型 Fig.1 3D scene model of rural landscape

(二)具有完整的地理與空間信息

目前大部分鄉(xiāng)村景觀規(guī)劃設(shè)計利用CAD、3ds Max及PS等制圖軟件生成效果圖來表現(xiàn)區(qū)域的三維空間。然而，CAD 是一個獨立的平面設(shè)計系統(tǒng)，3D 是一個獨立的建模系統(tǒng)，而PS的處理則只是僵硬固定的合成效果，并且這些三維模型都不具有地理信息，沒法準(zhǔn)確對應(yīng)現(xiàn)場的情況，這對于后期方案的評審與實施都有一定影響。傾斜攝影技術(shù)在數(shù)據(jù)采集時搭載高精度的IMU/GPS系統(tǒng)，在獲取多角度傾斜影像的同時，記錄高精度POS數(shù)據(jù)，經(jīng)過軟件自動化解算后能在輸出的三維成果中附帶完整、準(zhǔn)確的地理信息和體量信息。規(guī)劃設(shè)計人員通過傾斜攝影技術(shù)對空間數(shù)據(jù)的采集和分析，不僅可以對鄉(xiāng)村景觀環(huán)境進行系統(tǒng)化、定量化的信息表達(dá)，還能將規(guī)劃設(shè)計區(qū)域內(nèi)的三維空間效果表現(xiàn)出來，同時還可以提供表現(xiàn)圖、虛擬模型等手段所難以提供的實景空間體驗，通過這種方式可以更加有效地組織景觀空間與豐富視覺效果，從而彌補傳統(tǒng)鄉(xiāng)村景觀規(guī)劃手法的缺陷[8]。

(三)三維建模效率較高

傳統(tǒng)手工三維模型雖然具備一定的三維可視化效果，但因為鄉(xiāng)村景觀的數(shù)據(jù)采集的工作量大，時間長，對外業(yè)數(shù)據(jù)采集人員要求較高，導(dǎo)致傳統(tǒng)手工模型生產(chǎn)難度大，經(jīng)常出現(xiàn)丟失、遺漏數(shù)據(jù)等問題，這些都對建模的效率造成一定的影響?；趦A斜攝影技術(shù)的三維建模的效率比傳統(tǒng)的手工建模有了明顯的提升，因為傾斜攝影采集一個架次的傾斜數(shù)據(jù)往往只需25分鐘，便可獲取約1 500張傾斜影像，然后利用Context Capture分布式圖形處理軟件進行處理，其獨特之處在于可支持多臺運算引擎進行集群處理，原理是將待重建模型拆分為多個瓦塊后派發(fā)至接入同一內(nèi)網(wǎng)的運算引擎當(dāng)中，利用多臺計算機的性能進行同一個模型的重建。隨后利用Street Factory進行三維場景自動生成，可全自動進行正攝影像與傾斜影像的聯(lián)合空中三角測量，構(gòu)建三維模型，進行快速的精細(xì)紋理貼圖。通過該方法可使建模效率倍增，速度可以高達(dá)4 h/km2，大大節(jié)約了鄉(xiāng)村景觀規(guī)劃設(shè)計中三維建模的時間。

(四)生成精度高、可瀏覽的三維模型

傳統(tǒng)的鄉(xiāng)村景觀規(guī)劃通常用鳥瞰效果圖來表現(xiàn)它的整體平面效果，但這只能從較為局限的角度感受方案的鳥瞰效果，與之相對應(yīng)的三維模型因為受限于計算機的性能很難實現(xiàn)空間的漫游，只能用相對靜態(tài)的方式感受方案的三維效果。另外，由于建模的數(shù)據(jù)量較大，所以丟失、遺漏數(shù)據(jù)的問題經(jīng)常出現(xiàn)，導(dǎo)致最終生成的模型人工干預(yù)的程度較高，大大影響了鄉(xiāng)村景觀實景模型的精度，使方案的最終成果受到了一定程度的影響。利用傾斜攝影技術(shù)構(gòu)建的模型可通過LocaSpace Viewer來進行三維實景空間的漫游，空間布局的合理性可以借助動態(tài)觀察的形式來判定，多角度、全方面地審視景觀規(guī)劃效果，重點對視線通廊、布局的合理性、景觀節(jié)點的空間體驗感受進行評判。動態(tài)漫游一方面突破了空間定點觀測的局限性，另一方面能夠以連續(xù)的視線轉(zhuǎn)移來真實地感受規(guī)劃方案的三維環(huán)境。同時，斜攝影數(shù)據(jù)也可以在Acute3D軟件中進行快速查看，并針對鄉(xiāng)村景觀中的各種要素進行量測。圖2為用多種方式測量的照片，測量主要以鄉(xiāng)村景觀中的建筑的尺寸為參照依據(jù)。針對Acute3D中量測建筑模型的數(shù)據(jù)成果，抽樣選取5棟建筑的數(shù)據(jù)與通過傳統(tǒng)卷尺測量、手持激光測距儀、三維激光掃描儀等多種量測方法所得的數(shù)據(jù)進行對比驗證，其精度誤差均小于10cm，可以滿足村規(guī)劃建設(shè)的精度要求，對比結(jié)果如表1所示。

圖2 多種方式量測以驗證精度Fig.2 Measurement in various ways to verify the accuracy

建筑墻面編號Acute3D中量測墻寬(mm)卷尺測量墻寬(mm)手持激光測距墻寬(mm)三維激光掃描墻寬(mm)L0317 0307 0167 0037 040R1024 4504 4304 4414 420L08911 25011 16511 19211 180R0406226 1856 1916 170L0213 9203 9053 8663 900

二、傾斜攝影原理與技術(shù)路線

傾斜攝影技術(shù)采集影像的方式是通過同個飛行平臺上的多臺傳感器從一個垂直、四個傾斜的角度拍攝來實現(xiàn)，改變了以前正射影像只能從垂直角度采集影像的缺陷，它由傾斜攝影數(shù)據(jù)獲取技術(shù)和數(shù)據(jù)處理技術(shù)組成。傾斜攝影搭載的相機與GPS接收機、IMU高度集成。因此，傾斜攝影不僅可以用相機來提供影像信息，還可以通過 GPS與IMU提供位置和狀態(tài)信息[9],利用這種方式獲取的全面數(shù)據(jù)可以借助先進的定位、融合、建模等技術(shù)自動生成真實的三維鄉(xiāng)村景觀模型，大大提高了鄉(xiāng)村景觀三維建模的效率。

(一)傾斜攝影設(shè)備

本次研究所進行的案例均由圖3所示的多旋翼雙鏡頭傾斜攝影無人機進行傾斜影像的數(shù)據(jù)采集。該飛行器是由廈門云上晴空航空科技有限公司研發(fā)的YS-1200傾斜攝影無人機，起飛最大允許載重量為8.2kg，作業(yè)高度為50～300米，以軸距為1.2米的八旋翼作為數(shù)據(jù)采集平臺，作業(yè)時掛載兩個SONY A5100相機，單個相機有效像素為2 460萬，掛載相機后單次飛行作業(yè)時長可達(dá)25分鐘。YS-1200無人飛行器中安有一組二軸相機云臺，只需搭載兩臺相機。在一個航點云臺旋轉(zhuǎn)4次，每次旋轉(zhuǎn)兩臺相機各采集一張傾斜影像，即可在單個航點采集8個角度的照片數(shù)據(jù)，所獲取的影像像素可達(dá)2 430萬，同時云臺設(shè)有三層濾震系統(tǒng)，使照片成像消除運動模糊的問題。

圖3 YS-1200多旋翼雙鏡頭傾斜攝影無人機Fig.3 YS-1200 multi-rotor double- lensoblique photography UAV

(二)技術(shù)原理

以圖4中的主流的五鏡頭傾斜航攝設(shè)備為參考，飛機在拍攝多角度相片的同時，記錄下當(dāng)前的航高、坐標(biāo)、航速、俯仰角等信息。處理信息的核心技術(shù)主要有：多視影像聯(lián)合平差、多視影像密集匹配、數(shù)字表面模型生成和真正射影像糾正。在數(shù)據(jù)采集完成后傾斜影像的建模處理主要通過以下兩個步驟進行：

1.空中三角測量步驟對已采集的傾斜影像特征點進行大量的計算和提取，針對所獲取的特征點采用多視影像密集匹配的方式快速準(zhǔn)確地獲取多視影像上的同名點坐標(biāo)，圖片的空間位置與姿態(tài)角度可以利用反向解算得出，并對圖片間存在的關(guān)系進行確認(rèn)。

2.Context Capture軟件通過空三加密點計算后進行模型重建的工作，調(diào)整好輸出三維模型的空間框架后進行重生成，可得出不規(guī)則三角網(wǎng)TIN，并且生成該三維模型的白模，最后通過三維模型形狀位置從傾斜影像數(shù)據(jù)里選擇合適的貼圖進行紋理的貼合，輸出紋理真實的可視化實景三維模型。

圖4 五鏡頭傾斜航攝設(shè)備Fig.4 Five- lens oblique aerial cameras

(三)技術(shù)路線

本研究利用無人機傾斜攝影獲取鄉(xiāng)村景觀環(huán)境的影像與數(shù)據(jù)，通過相關(guān)軟件對數(shù)據(jù)進行處理，自動生成三維實景數(shù)字模型，將其應(yīng)用于鄉(xiāng)村景觀規(guī)劃設(shè)計中。具體技術(shù)路線是：利用無人機傾斜攝影獲取高分辨率影像數(shù)據(jù)進行解譯，得到鄉(xiāng)村景觀影像數(shù)據(jù)，通過Context Capture對數(shù)據(jù)進行預(yù)處理；利用包含POS信息的照片進行空中三角測量計算，得出各照片的三維位置，并導(dǎo)出空三角處理結(jié)果；然后回到General界面，單擊右側(cè)New reconstruction進行模型構(gòu)建，之后輸出OBJ格式的模型將該成果導(dǎo)入3D Max專業(yè)三維處理軟件當(dāng)中進行應(yīng)用。通過軟件生成的鄉(xiāng)村景觀三維實景模型，可將其應(yīng)用于鄉(xiāng)村景觀規(guī)劃設(shè)計中，研究技術(shù)路線如圖5所示。

圖5 技術(shù)路線Fig.5 Technical route

三、基于傾斜攝影技術(shù)的松嶺村景觀規(guī)劃設(shè)計

(一)區(qū)域概況

松嶺村位于福建漳州龍海市東泗鄉(xiāng)南溪下游，背靠玳瑁山，距廈門市區(qū)約45公里。該村農(nóng)業(yè)耕地面積為34.67公頃，山地面積為114.67公頃。對松嶺村的景觀規(guī)劃依托東泗鄉(xiāng)“十里花溪”景觀帶進行。該案例可突出體現(xiàn)傾斜攝影技術(shù)在鄉(xiāng)村景觀規(guī)劃設(shè)計中的應(yīng)用，通過傾斜攝影獲取的鄉(xiāng)村景觀環(huán)境信息、建筑外觀信息為松嶺村的鄉(xiāng)村景觀規(guī)劃設(shè)計提供了原始數(shù)據(jù)。

(二)航線設(shè)計

圖6 無人機航線Fig.6 UAV route

為保證邊緣物體能夠立體成像，航線所覆蓋范圍要超過測區(qū)邊界線200 m以上?？紤]項目目標(biāo)區(qū)域范圍較大，可以分塊對測區(qū)進行航拍測量，因為單架次飛行航時有限，可以將大范圍飛行航線分段多架次飛行。航線可以布設(shè)多條，單架次只飛其中的 2 或 4 條，整個航線飛行結(jié)束可以不用考慮各架次之間的航線重疊，可以有效減少作業(yè)時間，提高工作效率，最終規(guī)劃航線如圖6所示。繪制航線區(qū)域后可在谷歌地圖、LocaSpace等在線地圖軟件中查看相對位置及區(qū)域內(nèi)各部分位置的高程差，分析所規(guī)劃航飛區(qū)域的安全性；進行現(xiàn)場踏勘，尋找合適的飛機起降地點，留意航線區(qū)域內(nèi)是否有高山、高樓、電塔等不安全因素，以確定飛行的高度；參照飛行區(qū)域的大小和飛行環(huán)境允許的飛行高度，根據(jù)案例的精度需求設(shè)置飛行速度、飛行高度、航向重疊度、旁向重疊度等參數(shù)；設(shè)置完成后按照航線設(shè)計數(shù)據(jù)飛行，航空攝影時，飛行要盡可能平穩(wěn)，旋偏角、航偏角不能超過規(guī)范要求。

(三)數(shù)據(jù)處理

圖7 空中三角測量成果三維視圖Fig.7 3D view of aerial triangulation results

傾斜攝影完成后，將獲取的測區(qū)影像中變形、扭曲的圖像按要求進行修復(fù)，影像達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)之后，對影像進行統(tǒng)一編號，然后運行Context Capture Center Engine啟動引擎，打開Context Capture Center Master，新建項目并設(shè)置存儲路徑，在程序左側(cè)項目欄中右鍵點擊導(dǎo)入?yún)^(qū)塊，選擇Import blocks將預(yù)處理過程所編輯的Block Import Sample表格導(dǎo)入。區(qū)塊導(dǎo)入后可在項目欄選中該區(qū)塊并點擊Photos查看所添加照片的信息，此時已根據(jù)Excel表格中的路徑添加POS文件夾中兩臺相機帶有POS信息的照片。確認(rèn)所添加照片無誤后還需單擊Add photos添加兩組不包含POS信息的照片，隨機選擇照片，在右側(cè)信息欄中查看照片信息，主要查看經(jīng)緯度、高程是否與照片關(guān)聯(lián)。利用包含POS信息的照片和兩組照片進行空中三角測量的計算，其目的是計算出各照片的三維位置?？罩腥菧y量結(jié)束后會出現(xiàn)如圖7所顯示的界面，界面中會提示數(shù)據(jù)處理結(jié)果的一些信息，并可導(dǎo)出空三處理結(jié)果。最后單擊3D view以三維形式查看空中三角測量的成果，單擊頂部各航點可查看到相對位置的照片信息。

(四)生成實景三維模型

在數(shù)據(jù)處理完之后，通過自動建模軟件加載測區(qū)影像，空中三角測量結(jié)束后回到General界面，單擊右側(cè)New reconstruction進行模型重建。同時，點擊Spatial framework對新建模型的空間框架進行設(shè)置，可在該界面進行所輸出模型坐標(biāo)系統(tǒng)的定義，通常將坐標(biāo)系統(tǒng)更改為WGS84坐標(biāo)系統(tǒng)。由于單個模型數(shù)據(jù)量較大，普通計算機性能不足以滿足運算，因此在重建模型時應(yīng)將整個模型拆分為多個瓦塊。在模型重建向?qū)е锌蛇M行成果輸出格式、成果輸出質(zhì)量的選擇。Format格式選項中可選擇較為常用的3MX、S3C、OSGB以及可在3D MAX軟件中打開的OBJ格式等。在Texture compression紋理壓縮選項中可以選擇貼圖紋理的質(zhì)量，相對而言質(zhì)量越高，數(shù)據(jù)處理的時間越長且數(shù)據(jù)量越大。在Context Capture中模型重建時選擇輸出OBJ格式的模型即可將該成果導(dǎo)入至3D Max專業(yè)三維處理軟件中進行應(yīng)用，圖8為模型初步渲染的成果。

圖8 模型渲染的初步成果Fig.8 Preliminary results of model rendering

(五)基于實景模型的方案效果

在鄉(xiāng)村景觀的實景三維模型生成之后，可以全方位地查看規(guī)劃方案中的要素與其周圍真實場景融合之后的效果。借助相關(guān)軟件的應(yīng)用，可以對規(guī)劃設(shè)計區(qū)域內(nèi)的高度、寬度、坡度等進行量測，也可以對實景三維模型中的方案進行視域分析、景觀尺度分析、景觀立面分析等，還可以在實景三維模型中調(diào)整方案不合理的部分，并將調(diào)整后的方案進行前后對比，分析調(diào)整前后方案的優(yōu)劣之處，以便于更好地把握規(guī)劃方向，使整個規(guī)劃設(shè)計范圍內(nèi)的景觀與周圍風(fēng)格、色調(diào)保持一致，規(guī)避規(guī)劃方案中的缺陷，提高規(guī)劃設(shè)計方案的合理性和可行性[10]。圖9為松嶺村村口景觀三維實景現(xiàn)狀，圖10為規(guī)劃方案結(jié)合鄉(xiāng)村景觀實景三維模型后優(yōu)化調(diào)整導(dǎo)出的部分效果圖。

圖9 松嶺村村口景觀三維實景現(xiàn)狀圖Fig.9 3D view of the village entrance in Songling

圖10 松嶺村村口景觀三維規(guī)劃效果圖Fig.10 Renderings of 3D planning of village landscape in Songling

在實施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的背景下，鄉(xiāng)村建設(shè)對規(guī)劃編制和規(guī)劃管理等工作提出了更高的要求。傾斜攝影技術(shù)可以給傳統(tǒng)鄉(xiāng)村景觀規(guī)劃領(lǐng)域帶來新的變革與突破，鄉(xiāng)村景觀規(guī)劃從二維圖紙化轉(zhuǎn)向三維可視化已成趨勢。利用無人機傾斜攝影技術(shù)生成的實景三維模型在鄉(xiāng)村景觀規(guī)劃方面的應(yīng)用還有待拓展，這項技術(shù)的應(yīng)用在國內(nèi)仍處在一個不斷探索的階段。大數(shù)據(jù)量帶來的多種數(shù)據(jù)成果輸出，雖已有應(yīng)用實例，但是在鄉(xiāng)村景觀規(guī)劃方面的應(yīng)用方法仍然極其有限，并且缺乏技術(shù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)與數(shù)據(jù)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，隨著技術(shù)的發(fā)展，這些問題會迎刃而解，傾斜攝影技術(shù)在鄉(xiāng)村景觀規(guī)劃領(lǐng)域的應(yīng)用將變得更加廣泛和成熟。