賈宗寶,李睿智

(河北省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第八地質(zhì)大隊(duì),河北 秦皇島 066000)

0 引言

舊城區(qū)作為城市的歷史遺產(chǎn)、文化記憶及城市形象的重要組成部分具有獨(dú)特的價(jià)值及潛力,部分建筑需要保留并對(duì)其進(jìn)行改造及重建,以提升城市形象,改善居住環(huán)境,保護(hù)文化遺產(chǎn),增強(qiáng)城市韌性,提升居民生活質(zhì)量。舊城改造離不開前期測量,改造測量可以全面了解其環(huán)境特征及資源分布情況,為規(guī)劃設(shè)計(jì)與合理利用及保護(hù)自然資源提供基礎(chǔ)信息。但傳統(tǒng)的測量方法(如全站儀測量、三維激光掃描儀)往往受限于時(shí)間、成本及數(shù)據(jù)質(zhì)量等因素,故低空傾斜攝影測量技術(shù)成為一種重要的測量手段。其使用無人機(jī)搭載傾斜攝影設(shè)備,將高分辨率的影像數(shù)據(jù)與精確的定位信息相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)了對(duì)舊城區(qū)高效、準(zhǔn)確的三維測量及建模,可獲取詳細(xì)的城市數(shù)據(jù)及信息,包括建筑物、街道、街角及其他地物形態(tài)、尺寸、位置等[1-2]。

為挖掘低空傾斜攝影測量技術(shù)在舊城改造中的應(yīng)用潛力,分析其在違章建筑監(jiān)測、城市規(guī)劃設(shè)計(jì)及三維數(shù)字化管理等方面的具體應(yīng)用,對(duì)實(shí)際案例進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及分析,探討該技術(shù)在空間數(shù)據(jù)獲取、準(zhǔn)確定位及建模等方面的優(yōu)勢(shì),為舊城改造項(xiàng)目的規(guī)劃及決策提供參考。

1 低空傾斜攝影測量技術(shù)

無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)是以無人機(jī)為飛行平臺(tái)搭載多角度相機(jī),通過航拍獲取目標(biāo)物清晰完整的影像數(shù)據(jù),克服了傳統(tǒng)航拍技術(shù)的限制,有效提高了三維模型生產(chǎn)效率,可以更加清晰地反映地面實(shí)物的情況,大幅度降低了三維建模數(shù)據(jù)的獲取時(shí)間、人力及經(jīng)濟(jì)成本。低空攝影測量航高通常為100～1000 m,具有成果快、生產(chǎn)周期短、運(yùn)作成本低、可操作性強(qiáng)等特點(diǎn),在危險(xiǎn)區(qū)域圖像實(shí)時(shí)獲取、土地變化監(jiān)測、建筑物違章監(jiān)管、環(huán)境監(jiān)測及應(yīng)急指揮等方面有著廣泛應(yīng)用。其系統(tǒng)組成包括兩部分:①無人機(jī)飛行平臺(tái),包括數(shù)碼相機(jī)及導(dǎo)航控制系統(tǒng),用來進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。②地面站即地面控制系統(tǒng),用來設(shè)計(jì)航線、控制無人機(jī)飛行及數(shù)據(jù)處理等。

傾斜攝影測量按照相機(jī)鏡頭數(shù)量可分為五鏡頭相機(jī)、四鏡頭相機(jī)、三鏡頭相機(jī)、雙鏡頭攝像機(jī)及單鏡頭相機(jī)等,在無人機(jī)飛行標(biāo)準(zhǔn)中,航空攝像機(jī)的像素必須在3500萬以上,本研究主要應(yīng)用五鏡頭相機(jī)采集影像數(shù)據(jù)。

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

2 影像數(shù)據(jù)采集及實(shí)景三維模型重建

2.1 作業(yè)區(qū)概況

實(shí)驗(yàn)測區(qū)為某市擬進(jìn)行規(guī)劃建設(shè)的鄉(xiāng)鎮(zhèn),總占地面積約1.5 km2,主要以20世紀(jì)90年代居民樓及農(nóng)民自建房為主,需對(duì)該區(qū)域進(jìn)行改造,獲取測區(qū)數(shù)據(jù),為后期規(guī)劃設(shè)計(jì)提供參考信息。擬應(yīng)用無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)建立測區(qū)實(shí)景三維模型,在模型基礎(chǔ)上進(jìn)行應(yīng)用分析,整體技術(shù)流程如圖2所示:

進(jìn)行測區(qū)資料資料收集與分析,外業(yè)數(shù)據(jù)采集包括影像數(shù)據(jù)及像控點(diǎn)數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)采集完成后進(jìn)行實(shí)景三維模型重建及應(yīng)用分析。

2.2 傾斜攝影影像數(shù)據(jù)采集

結(jié)合測區(qū)實(shí)際情況,選擇“混合翼無人機(jī)+五鏡頭傾斜相機(jī)”等搭載傾斜相機(jī)的方式獲取傾斜影像,航向重疊度按優(yōu)于80%設(shè)計(jì),旁向重疊度按優(yōu)于70%設(shè)計(jì),無人機(jī)為飛馬V100混合翼無人機(jī),主要參數(shù)如表1所示[3]。

表1 飛馬V100參數(shù)表

應(yīng)用飛馬控制系統(tǒng)制定航線計(jì)劃,在數(shù)字地圖衛(wèi)星影像上確定合適的航點(diǎn)。航點(diǎn)的選擇應(yīng)充分考慮目標(biāo)物體的形狀、復(fù)雜程度及采集要求,保證航線覆蓋區(qū)域全面高效。進(jìn)行設(shè)備調(diào)試,將傾斜相機(jī)設(shè)備與無人機(jī)等載體平臺(tái)進(jìn)行連接,設(shè)置各項(xiàng)參數(shù)并校準(zhǔn),以確保設(shè)備正常工作及數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。執(zhí)行飛行任務(wù),無人機(jī)按照預(yù)設(shè)的飛行路徑及高度飛行,傾斜相機(jī)自動(dòng)采集測區(qū)傾斜影像數(shù)據(jù)。

2.3 實(shí)景三維模型重建

內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理中,由于光影及采集時(shí)間等原因,需對(duì)影像數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理,使用Terra photo軟件對(duì)機(jī)載激光數(shù)碼影像進(jìn)行勻光勻色處理,通過添加顏色點(diǎn)自動(dòng)補(bǔ)償大幅度的色彩變化進(jìn)行整體色彩分配。實(shí)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(diǎn)信息文件,再進(jìn)行刺點(diǎn),輸入外業(yè)實(shí)測的像控點(diǎn)坐標(biāo)并進(jìn)行POS解算。進(jìn)行空三加密任務(wù),包括提取連接點(diǎn)、匹配連接點(diǎn)、光束法區(qū)域網(wǎng)平差、創(chuàng)建區(qū)塊提交空三任務(wù)。構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)及模型紋理貼圖,生成包含真實(shí)貼圖信息的實(shí)景三維模型。建立好的測區(qū)實(shí)景三維模型如圖3所示[4-5]:

圖3 舊城區(qū)傾斜攝影實(shí)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(shù)的應(yīng)用

違章建筑監(jiān)測。低空傾斜攝影測量技術(shù)可實(shí)現(xiàn)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(jié)構(gòu)及形態(tài),識(shí)別出可能的違建部分,直觀顯示違章建筑的位置、規(guī)模及類型,為決策者提供直觀、科學(xué)的依據(jù),進(jìn)一步加強(qiáng)違章建筑的監(jiān)測及管理。違章建筑物拆除前后的實(shí)景三維效果對(duì)比如圖4[6]。

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

城市規(guī)劃及設(shè)計(jì)。通過對(duì)舊城實(shí)景三維模型進(jìn)行分析模擬,評(píng)估城市空間的使用及布局效果,優(yōu)化道路網(wǎng)絡(luò)及建筑物的位置與形狀,實(shí)現(xiàn)城市規(guī)劃的科學(xué)決策。還可進(jìn)行景觀設(shè)計(jì),在舊城景觀中添加植被、公共設(shè)施及文化元素,提升城市形象。將設(shè)計(jì)好的BIM道路模型導(dǎo)入到實(shí)景三維模型中,如圖5[7]。數(shù)字化監(jiān)測管理。低空傾斜攝影測量技術(shù)可通過數(shù)字化監(jiān)測平臺(tái)進(jìn)行可視化展示及呈現(xiàn)。將實(shí)景三維模型與地理信息系統(tǒng)(GIS)相結(jié)合,在地圖上直觀地顯示違章建筑的位置、規(guī)模及類型,提供相應(yīng)的屬性信息,快速準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)、定位及處理違章建筑問題,促進(jìn)城市規(guī)劃與管理的科學(xué)化、智能化發(fā)展[8]。將舊城實(shí)景三維模型與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相結(jié)合,創(chuàng)造虛擬旅游、文化體驗(yàn)及教育教學(xué)等多樣化應(yīng)用,為人們提供豐富、全面的旅游文化體驗(yàn)。

4 結(jié)束語

舊城區(qū)建筑密集,亂搭亂建及相互遮擋嚴(yán)重,故建立的三維模型拉花、缺失、扭曲問題比較嚴(yán)重,需在航線設(shè)計(jì)、測量手段上進(jìn)一步探究解決方案?？蓱?yīng)用低空傾斜攝影測量技術(shù),來為舊城改造的管控及評(píng)估提供依據(jù)。