基于低空遙感數據的數字城鄉系統設計與實現

周智勇，李蓮芳

(重慶市勘測院，重慶 400020)

1 引 言

城鄉統籌是通過城鄉資源共享、人力互助、產業互補、通過城市帶動農村、工業帶動農業、建立城鄉互動、良性循環、共同發展的一體化體制。2010年，國務院批準重慶市成為國家城鄉統籌發展綜合改革試驗區，它的意義可以與當年的深圳、浦東相媲美。隨著城鎮化的推進，各區縣對基礎數據的需求越來越迫切。但重慶已有基礎航攝影像存在分辨率不高，現勢性不好等局限，且常規航攝受到空域管制、成本高等影響。

低空遙感飛行平臺主要有固定翼無人機、直升機、飛艇等幾種，考慮航拍對航攝姿態保持要求，固定翼無人機具有明顯優勢，所以重慶市勘測院及時從中國測繪科學研究院引進固定翼無人機，并同時引進能夠快速處理無人機影像數據的像素工廠，為低空遙感數據快速獲取和處理提供了完美解決方案。

2 低空遙感數據的特點

低空無人機由于自身的操控特性及受風力的影響，平臺穩定性遠遠無法同飛機及衛星平臺相比［1］。如以固定翼無人機為低空遙感平臺時，盡管對無人機進行實時自動控制，無人機仍然很難嚴格按照預定的航線進行直線飛行，數碼相機的姿態也不可能保持固定不動，因而所拍攝影像間的預設重疊度無法得到嚴格保證，相鄰影像間很可能存在較大的旋角和上下錯動［2］，城區低空遙感攝影時，高層建筑物在相鄰影像上存在很大變形，建筑物屋頂對周邊地形、低矮地物存在較大的壓蓋。但低空無人機作業選擇性強，準確度高，機動靈活，作業周期短，時效性好，維護使用費低，經濟實用，安全性好［3，4］。

由于低空遙感平臺的這些特性，獲取的低空遙感影像具有重疊度高，像幅較小，影像數量多，現勢性好等特點，同時影像紋理清晰，分辨率高，可達厘米級，色彩鮮明，且由于無人機機動靈活的特征，可對同一區域進行短周期重復獲取，實現遠程變化監測，適時掌控城鄉建設進程，滿足城鄉規劃建設與管理需求。

3 數字城鄉系統設計

3.1 設計思路

結合目前城鄉建設和管理的各種需求，本文提出了一套利用低空遙感數據制作數字城鄉系統的思路。對目標區域進行無人機航攝，利用獲取的高現勢性，高分辨率的低空遙感數據以及建成區已有地形圖，構建數字城鄉數據庫，并可集成各專業部門專題數據，在數字環境下為城鄉建設、管理科學化提供平臺。

3.2 系統設計

按照規范化的信息分類標準和統一的地理空間關系，該系統對各項城市基礎地理空間數據進行科學存儲和管理，實現快速采集、建庫、查詢以及數據發布、資源共享。將大規模的、動態變化的基礎資料轉換為數字化的、可視化的、可操作和共享的信息資源，提供給相關部門和社會各界使用。如圖1 所示:

4 數字城鄉系統實現

4.1 實驗區概況

實驗區位于重慶西北部的銅梁區，是中國人民解放軍特等功臣邱少云的故鄉和銅梁龍燈的發祥地，同時是國家衛生城市，距離重慶主城65 km。實驗區包括銅梁城區、蒲呂工業園區及控規區域，總面積104 km2。

圖1 系統架構圖

4.2 低空遙感數據的獲取與處理

根據區域范圍進行航線設計，并選擇晴好天氣進行POS 輔助航攝，共分7 個架次獲取0.12 m高分辨率數碼影像約6 000張。利用像素工廠依據POS 數據自動航線排列，連接點自動匹配［5］，人工干預進行自由網處理，添加地面控制點，完成空中三角測量。

將空三成果導出，建立立體模型，在全數字攝影測量工作站上進行三維特征點線面采集，制作得到高精度DEM 數據。在像素工廠中導入DEM，結合立體像對進行逐片微分糾正，并自動生成裁切線，加上少量人工干預，進行全局勻色、鑲嵌及裁切，得到標準1∶2 000分幅DOM。如圖2 所示:

圖2 1∶2 000 分幅DOM 圖的制作

4.3 地形三維模型制作

基于在全數字攝影測量工作站上采集的三維特征點線面，通過FME 轉換生成TIN 三角網，對區域TIN三角網根據標準1∶2 000 分幅范圍進行裁切，并自動以1∶2 000 圖幅號進行命名。TIN 裁切利用MicroStation 進行，使用MDL 編寫裁剪算法來實現圖幅裁剪TIN 三角網數據的自動化［6］。同時為提高地形三維精度，在切割TIN 三角網時按1∶500 分幅進行細化分割，并在Creator 地形文件中分節點以1∶500圖幅號名存放。相應地，DOM 按1∶500 分幅進行裁切并用1∶500圖號命名。根據圖幅號對應關系，利用程序自動將DOM 紋理映射到相應TIN 三角網，完成地形三維模型制作。如圖3 所示:

圖3 地形三維模型

4.4 建筑物三維模型制作

對城市建成地區依據1∶500地形圖進行道路、建筑、地形、綠化、小品等要素的模型建立，紋理根據實地采集的照片修整處理并貼到相應模型上。建筑物模型的高度根據1∶500地形圖上提取，地形圖上沒有實測高程的建筑物通過立體方式或DSM 數據獲取。根據DOM對屋頂的造型進行精細建模。規劃方案根據立面圖、剖面圖、效果圖等數據進行精細模型。如圖4 所示:

圖4 建筑物精細模型

4.5 系統功能

(1)三維瀏覽

系統提供靈活的瀏覽方式，可平移、旋轉、定制視點，支持預設路徑進行自動播放，同時支持人行、車行及飛行等多種模式。

(2)空間分析

實現三維測量分析，如測量空間點、空間距離、面積等;同時可進行通視性分析、水淹沒模擬分析。

(3)方案替換

系統支持同一地塊多方案替換展示，如在建工地現狀與未來規劃方案替換展示、拆遷前與拆遷后對比展示等。如圖5 所示:

圖5 拆遷前后規劃方案對比展示

(4)數據疊加分析

系統支持圖片、矢量等不同類型數據的導入，并實現數據疊加功能。如導入控規路網矢量，并可根據設計標高模擬修建后的效果，同時計算地塊的挖填方量，為場平標高設計提供依據。如圖6 所示:

圖6 路網數據疊加分析

(5)系統輸出

系統提供靈活的數據處理方式，如導出場景數據、錄制影片、截圖輸出等功能。

6 結 語

隨著數據可視化大勢所趨，遙感、導航、地理信息系統等技術可以極大提高空間信息分析能力，對各種空間區域的發展規劃、資源開發、人口分布、農業生產、城鄉建設等進行模擬演示或動態監測，可以直觀、科學地展示經濟社會發展規律，集成各類信息，廣泛應用于經濟社會各領域。本系統具有以下幾方面特點:

(1)實現數據共享。數字城鄉系統作為城鄉基礎數字信息平臺，服務于城市規劃、市政、交通、公安、消防、房產、旅游等行業，與視頻監控物聯網結合起來，實現智慧城市管理的定性、定量分析，一套數據服務于政府各部門，實現基礎數據共享平臺搭建。

(2)真實直觀可視化。數字城鄉系統采用真實三維方式展現，避免了專業圖表的繁雜，通過系統對相關場景的360 度無障礙瀏覽，為管理者真實了解城鄉發展現狀、科學制定城鄉規劃決策提供科學化手段。

(3)數據現勢性保障。城鎮建設具有發展變化快的特點，而低空遙感具有機動靈活、快速響應的能力，可依城市變化速度和特點，對變化區域不定期進行航攝，快速獲取最新遙感數據，實現對平臺及時更新與維護，保證了平臺數據的現勢性。

［1］王利勇，王慧，李鵬程等．低空遙感數字影像的點特征提取算子的比較［J］．測繪科學，2011(1):121～124．

［2］王玉宏，陳永立．低空遙感影像匹配與拼接技術研究［J］．測繪信息與工程，2009(2):47～49．

［3］范承嘯，韓俊，熊志軍．無人機遙感技術現狀與應用［J］．測繪科學，2009(5):214～215．

［4］金玉玲．低空遙感在土地資源動態管理中的應用研究［J］．測繪與空間地理信息，2013(3):135～136．

［5］鄒曉亮，繆劍，張永生等．基于像素工廠的無人機影像空三優化技術［J］．測繪科學技術學報，2012(5):362～367．

［6］唐相楨，王陽生．關于改進MicroStation 中矩形圍柵剪切TIN 數據的討論［J］．城市勘測，2011(1):43～44．