航空攝影測量技術在規劃設計教學中的實踐和應用

王琳 劉元鋒 董嬌嬌 朱秀云

(華僑大學建筑學院 福建廈門 361021)

航空攝影測量技術在規劃設計教學中的實踐和應用

王琳 劉元鋒 董嬌嬌 朱秀云

(華僑大學建筑學院 福建廈門 361021)

介紹了無人機航測系統的發展狀況，按照無人機航測的基本工作流程介紹了航空攝影測量這種新興的空間信息采集技術在規劃設計教學中的應用狀況，討論的內容包括航測軟硬件的發展狀況，航測外業工作流程，各種航測數據的特點與應用，并著重介紹了三維Mesh模型及其后期編輯對規劃設計教學的意義。

無人機;攝影測量;規劃設計教學;地理信息系統

0 引言

航空攝影測量作為一種重要的空間信息采集手段能為城鄉規劃專業的空間分析和設計教學提供重要的數據支持。隨著無人機硬件成本降低和攝影測量軟件普及，非測繪專業的建筑院校師生也能掌握基于無人機技術的空間信息采集手段，通過簡單的航線規劃和航片處理生成高精度DEM/DSM(數字高程/表面模型)，DOM(數字正射影像)和Mesh實體模型等數字測繪產品。數字攝影測量工作站的后處理功能可以進一步對Mesh模型進行修飾、替換以及單體化等操作。在空三成果的基礎上，還能進一步提取高精度DLG(數字線劃圖)數據。這些矢量線劃數據可以直接導入AutoCAD中，為傳統的規劃設計教學提供重要的數據基礎。不僅如此，航空攝影測量軟件生成的柵格數據(例如DEM和DSM)和矢量數據(DLG轉換成的SHP文件)均能導入到ArcGIS等地理信息系統軟件進行城鎮空間分析的教學實踐。而近年來逐漸流行起來的Mesh實體模型能夠讓設計人員更直觀、形象地體驗城鎮三維空間，通過專業的Mesh模型編修程序(例如DP-Modeler)甚至能把實體模型修改、替換成人為設計成果，使最終設計方案能更合理、和諧地融入周圍地理環境中，這也正是“Geodesign”(地理設計)的重要設計理念。總之，高效易用的新興航測軟件使建筑院校的師生也能跨越專業門檻，快速生成數字測繪產品。

隨著無人機硬件和航測軟件的普及，這種新興的城鎮空間信息采集手段能在建筑院校的設計教學中發揮出更大作用。從前期的航線規劃到數字測繪產品的生產再到模型整飾和空間分析均能強化師生對地理空間的認知和理解，為科學合理的設計方案奠定重要的數據基礎，使定量化的地理空間分析可以更好地與設計方案結合。本文將按照航空攝影測量的基本工作流程，如圖1所示，具體論述各個工作環節和各種數據類型對城鄉規劃設計教學中的重要作用和意義，并進一步展望這種新興的空間信息采集手段在規劃設計教學中的應用前景。

圖1 航空攝影測量應用于規劃設計教學的基本工作流程

1 無人機硬件與航測軟件的發展現狀

目前航測用無人機主要分為固定翼和多旋翼兩種。固定翼無人機具有續航時間長、飛行效率高、載荷大等優點，但對凈空條件要求高，必須從開闊場地起飛和降落，而且無法實現空中懸停。多旋翼無人機機械簡單，能垂直起降，缺點是續航時間短，載荷小，所以固定翼無人機更適用于大面積的航測作業，多旋翼適用于小面積的精準作業。無人機航空攝影測量系統是由軟硬件兩部分組成，其中硬件部分主要由飛行平臺、相機和控制系統構成，軟件部分由飛行控制軟件和地面監控軟件構成[1]。飛行平臺提供飛行動力系統，通過搭載不同的云臺來完成地面視角無法實現的拍攝工作；相機則承擔整個過程的數據獲取工作，通過承載不同類型的傳感器來獲取不同分辨率的地表影像。這些傳感器可分為攝影類型、掃描成像類型和雷達成像類型以及非圖像類型。控制系統是無人機的飛行控制重心[2]。控制系統的硬件部分主要以信號傳遞設備和定位設備為主，例如地面站筆記本、微波接收器、遙控器、飛機天線、GPS定位芯片等等。無人機在飛行過程中的導航定位和拍攝動作主要靠飛行控制系統完成(例如引導無人機按照預設航線自動飛行，控制飛行姿態和軌跡、在危險情況下緊急回避和自動降落等)。

無人機航測系統的軟件部分主要由地面站的飛行控制軟件和地面監控軟件組成。如今這兩個功能也完全可以在一個軟件中實現，能在無人機起飛前進行航線規劃，在無人機飛行過程中實時顯示飛行器的航線、軌跡、姿態以及其它設備參數和測區地圖。飛行過程中的所有設備參數和導航數據可以實時下傳到地面站，操作者可以通過航跡規劃和路徑調整等方式控制無人機的飛行任務[3]。無人機自動獲取的帶有POS信息的航空照片可以通過數字攝影測量軟件自動處理生成各種測繪數據成果，目前應用比較廣泛的航測軟件有：

(1)ERDAS LPS 數字攝影測量系統

LPS(Leica Photogrammetry Suite)是徠卡公司推出的數字攝影測量及遙感處理軟件系列，除了常規遙感衛星影像以外，還可以處理各種數碼相機采集的航空影像。它可以完成各種傳感器的影像定向、空三加密、以及制作正射影像圖等工作。該系統在保證精度的前提下，采用較少人工干預的分布式并行計算，來提高數據生產的效率[2]。

(2)INPHO 攝影測量系統

INPHO 攝影測量系統在世界范圍內應用十分廣泛。20世紀80 年代的時候，該系統由著名的攝影測量專家學者 Fritz Ackermann教授創立。INPHO支持各種掃描框幅式相機、數字CCD相機、自定義相機、推掃式相機以及衛星傳感器獲取的影像數據的處理，模塊化的產品體系使INPHO 產品能極為方便地整合到其他工作流程[2]。

(3)Virtuo Zo 全數字攝影測量系統

Virtuo Zo 全數字攝影測量系統是適普軟件有限公司與武漢大學遙感學院共同研制的全數字攝影測量系統。該系統可以提供流程化的解決方案，包括自動空三加密及制作不同比例尺地形圖等工作。其它的國產航測軟件還有中國測繪科學院研發的MAP-AT和Pixel Grid。這些軟件的制作成本較低,使用方式靈活，具有友好的用戶界面、穩定快速的匹配算法、高度自動化的測圖方式和生動的三維立體景觀顯示，同樣在行業內得到廣泛應用[2]。

(4)Smart 3D實景建模大師

Smart 3D(被Bentley公司收購后更名為ContexCapture)實景建模大師，是一套集合了高端數字影像、計算機虛擬現實以及計算機幾何圖形算法的全自動高清三維建模軟件解決方案。該軟件使用從不同角度拍攝建模主體的數碼照片作為輸入數據源，加入各種可選的處理參數，無需人工干預，生成的三維網格模型能夠準確細致地重現建模主體的真實色澤、幾何形態及細節構成。應用于無人機航測系統時同樣可以生成各種傳統測繪產品和細節豐富的Mesh地面模型。這種基于計算機視覺和圖像識別技術的航測軟件近年來得到很好的發展和推廣，被廣泛應用于城鄉規劃、建筑設計，工程施工、科學分析以及文化遺產等領域。其它具有類似功能和設計原理的軟件還有瑞士的Pix4D，俄羅斯的Photoscan以及空客(Airbus)公司的街景工廠和像素工廠。

2 航線規劃與航測數據的應用

2.1 航線規劃

航線規劃是航測工作的第一步，以德國Microdrones公司的MD-1000型四旋翼無人機為例，其航線規劃軟件mdCockpit3.5的工作流程大致如圖2所示。

圖2 mdCockpit軟件的基本航線規劃流程

航線規劃過程的參數設置會影響航拍效率和拍攝效果，除了固定的相機參數之外，很多參數的設置需要根據測區環境和飛行經驗進行設置。例如，創建航線網格時，重疊率的設置關系到航測結果的精度：重疊率越大，建模越真實。規劃設計中可以根據項目類型的實際需求設置疊片率的大小。

2.2 航測數據成果的應用

航線規劃和航測數據的自動化生產應當結合規劃設計教學的前期調研來進行，其主要目的是獲取目標區域的基礎地理數據，在實地調研和航測外業過程中加深對設計片區的空間特性及其它社會屬性的理解和認知。主流的航測軟件系統可以通過簡單的參數設置完成空三加密，并進一步生成測繪成果如表1所示，這些數據產品對規劃設計教學的各個環節都能發揮重要作用。

表1 航測數據成果及其對規劃設計教學的意義

(1)DSM(數字表面模型)和DEM(數字高程模型)

數字表面模型和數字高程模型均為地表模型，其區別在于是否有地物高程。在數字表面模型基礎上減去植被、建筑等地物即是數字高程模型。在規劃設計教學中可以結合ArcGIS的柵格分析功能進行城市空間分析。例如，可以對DEM數據進行表面特征(等高線、坡度、坡向等)提取以及水文特征分析，然后應用于規劃區水土流失敏感性、城市建設適宜性、建設用地布局合理性的分析[3]。通過疊加一個城市的公共交通和私人交通信息，DEM/DSM數據還能用來評估一個城市的交通便利程度[4]。另外，數字高程模型還可用于繪制立體透視圖，在規劃設計表現中更好地反映地形的立體形態，直觀地展現規劃設計的效果[5]。

(2)數字正射影像(DOM)

數字正射影像具有信息量大、精度高、色彩逼真、空間定位精確等優點，可以彌補傳統規劃設計中調研信息不足的缺陷。例如，無人機航測獲取的正射影像圖可用于更新甲方提供的CAD等矢量線劃數據，以提升數據的現勢性和空間精度[6]。傳統規劃設計教學中，地形圖往往從谷歌地球及現有CAD圖中提取，存在精度不夠、地物更新滯后、以及缺少坐標參照等問題。利用DOM更新地形圖，具有周期短、節省人力物力、作業快捷易懂等優點。此外，利用DOM可以快速提取、更新三線數據(道路、鐵路、河流)等其它基礎地理信息[7]。通過疊置對比不同時期的正攝影像圖，還可以觀察城市發展歷程，了解城市空間形態的演變以及土地利用的變化。對于城中村等變化較多且細微的地區尤其適用。此外， DOM也可直接用作背景圖，進行設計方案的范圍標定、面積計算等，或者疊加線劃圖、文字等信息，方便規劃師生更加全面、直觀地了解設計地塊[7]。

(3)數字線劃圖(DLG)

數字線劃圖是傳統規劃設計教學使用的主要數據，貫穿整個規劃設計流程。對線劃圖的使用包括從CAD軟件中獲取平面圖、立面圖、剖面圖，導入SU等人工建模軟件建立項目模型，導入GIS軟件進行空間分析以及導入PS軟件中進行平面圖、效果圖的繪制和修飾等。數字線劃圖無法由航測軟件自動生成，需要在空三結果或者mesh模型的基礎上提取，一般使用立體采集設備人工提取。這種傳統采集方法的效率較低，而且技術培訓門檻較高。近來也有一些軟件(例如后文提到的DP-Modeler，其工作流程和測圖成果如圖3所示，可以直接利用空三結果從原始航片上提取數字線劃信息，并實時保存地物要素的空間關系和基礎屬性信息，一定程度上提高了采集精度和工作效率。

(4)Mesh模型

Mesh模型是近年來逐漸普及的一種地物實體模型，可將目標區域的場景進行真實還原，生成紋理細節豐富、空間定位精準的三維實體模型。Smart3D、Pix4D等基于計算機視覺原理的多視角航測軟件能自動從傾斜航片或近景數碼照片中匹配特征點并生成密集點云，然后基于一定的算法生成不規則三角網模型。

基于無人機航片生成的Mesh模型無需人工干預，快捷高效，能第一時間構建規劃片區的真實地物模型。這對于城中村等構造復雜、人工建模難以處理的地塊作用尤為顯著。這種包含豐富地塊信息的Mesh模型在規劃設計中能發揮重要作用。例如可以直接從Mesh模型中提取并測算道路、建筑、地塊及等矢量地物信息；通過簡單的三維瀏覽可以從天空視角直觀體驗規劃區的結構和布局；利用DP-Modeler等Mesh模型編輯軟件甚至能進一步修飾、替換實體模型，把設計理念融入實體模型中，便于設計前后及不同方案間的對比。

3 Mesh模型的人工修編與設計出圖

Mesh模型的編輯方法正在不斷發展和完善，目前市場上專門針對航測Mesh模型進行編修的商業軟件寥寥無幾。本文重點介紹武漢天際航科技有限公司研發的Digital Photo Modeler (以下簡稱DP-Modeler)，該軟件能夠針對航測Mesh模型進行人工編修、單體化及矢量測圖，這些功能對規劃設計工作均有重要意義。

3.1 Mesh模型的編輯和測圖工作流程

由傾斜攝影自動建模軟件生成的Mesh模型不僅數據量龐大，而且有不同程度的畸變、失真，還無法實現地物單體化，因此難以直接應用于規劃設計。需要對Mesh模型進行后期的人工修編和矢量信息提取以及單體化等操作，才能最大限度地發揮出地物實體模型對規劃設計的意義。利用DP-Modeler對Mesh模型進行人工編修以及基于空三成果進行航片測圖的基本工作流程如圖3所示。

圖3 Mesh模型的人工修編及測圖工作流程

經過DP-Modeler編修后的Mesh模型可以實現以下幾個方面的改進：首先，可以對模型信息的缺失或者錯誤進行修補。例如糾正建筑的幾何變形、刪除懸浮物、還原丟失部件等。對于一些結構比較復雜的模型，還可以采取與3Dmax聯動的方式，來實現模型的精細化修補，達到后期三維GIS應用的要求。其次，可以對材質貼圖出現的模糊或被遮擋現象進行完善。這主要通過兩種方法來實現，一是選用效果較好的傾斜影像對被遮擋立面進行重新貼圖。二是利用PS聯動進行圖片修改或替換。最后，可以實現建筑等地物的單體化。將重建的obj或ive格式的建筑單體模型導入Mesh模型中，再將Mesh模型所對應的建筑單體踏平，便可在周圍地物信息不發生改變的基礎上，對Mesh模型進行局部替換和更新。Mesh模型建筑單體化的實現對規劃設計方案的人工干預和成果比對具有重要意義。

3.2 Mesh模型人工修編的意義

人工編修后的Mesh模型具有更簡化的結構和更準確的材質，并實現人工建模對Mesh實體模型的替換和更新。能在以下4個方面對規劃設計教學發揮重要的作用：

(1)為規劃設計工作提供前期調研資料和觀感

人工編修后的Mesh模型能為規劃設計提供第一手的調研資料和真實的地理信息模型。設計師能隨時查看Mesh模型，通過直觀反復的視覺體驗，加深對設計區內地物空間的理解。通過DP-Modeler的測圖功能，提取出規劃設計需要的數字線化圖(DLG)。可以直接對房屋矢量、點狀地物進行測算，包括對高程點和等高線進行提取，并對相關地物賦予CASS地物編碼，便于后期的分析和制圖。

(2)與GIS和建模方案結合，對規劃設計成果進行動態評估與即時反饋。

憑借建筑單體化和模型信息的完善，可以將3Dmax、Sketchup等人工建模軟件完成的規劃設計模型導入Mesh模型中，結合周圍的地理環境，提取新的空間地理信息，再利用GIS重新進行空間分析，對規劃設計方案進行實時的動態分析與影響評估，從而幫助設計者在多種可能性的規劃設計方案中評選出最優的方案。這種新的規劃設計手段，有助于實現地理設計理念在城鄉規劃中的應用。為舊城更新、社區營造等規劃問題提供一種新的解決途徑。

(3)進行方案的成果評估

對已經建設實施的規劃方案，可以通過模型編修對相關數據進行分析和處理。為規劃實施方案的及時調整和修編提供合理全面的參考依據。為規劃實施后的空間動態進行跟蹤評估、數據分析和方案優化。對建成方案的效果評估也有助于為今后類似的規劃設計提供參考。

(4)服務于數字城市建設

數字城市是指利用數字城市理論，基于現代測繪技術，開發和應用三維空間信息資源，建設可服務于城市規劃、建設和管理，有助于政府、部門、企業、公眾的可持續發展的信息基礎設施和信息系統[8]。人工編修后的Mesh模型可以通過地理信息發布平臺上傳，進行資源共享。促進數字城市的建設和實施，最大限度地發揮出航測成果的應用價值。

3.3 與傳統設計出圖方案的對比

傳統的規劃設計出圖方案主要是先通過前期的人工調研收集各種資料、數據或調查問卷，然后對各種資料進行整理和分析后，利用SketchUP和3Dmax等設計、建模軟件來完成最后的方案設計和出圖。這種方法在前期調研中會消耗大量的人力物力，效率低下，特別是難以獲取設計片區的空間信息和地物屬性。在運用SketchUP和3Dmax等軟件繪制設計方案時，往往將設計對象與周圍環境分離開來作為單獨個體處理，這導致最后設計成果與實際環境脫離的情況。在規劃設計方案的評選方面，傳統方法都是基于評選者的個人經驗對方案進行分析預測，主觀因素影響很大，難以做到全面、理性地對方案進行篩選。在成果展示方面，傳統方法往往在一種虛擬的人為空間環境中展示設計理念，同樣具有一定的片面性。

與傳統規劃設計流程相比，基于航空攝影測量技術的規劃設計方案在前期調研過程就能快速全面地獲取規劃設計需要的各種空間數據。再結合社會屬性的調研工作，在設計階段就能掌握大量的空間信息和地物屬性，使設計方案不斷優化。在設計成果的展示方面，無需過多的圖紙和文本資料，基于Mesh模型的規劃成果展示，可以提供形象直觀的視覺效果，即使是非專業人員也能看懂和理解，為公眾參與規劃提供了有利條件。甚至在方案實施以后，仍能為規劃管理服務。因此，基于航測技術的規劃設計方法不僅能貫穿城鄉規劃的完整設計和管理流程，而且與傳統方法相比也有明顯優勢，如表2所示。

表2 航測數據與傳統數據比較

4 結語

綜上所述，無人機航測技術的發展和流行，為城鄉規劃設計教學提供了一種新興的地表信息采集手段。盡管它難以替代規劃前期社會屬性的調研，但對于設計片區空間信息的高效獲取具有重要意義。有了這種技術的支持，規劃專業的師生在設計教學過程中就不必再擔心設計素材的缺失，CAD數據的陳舊、單調，也不用再為各種城鎮空間的尺度、布局的認知而困惑。航測技術所提供的豐富數據產品能進一步與地理空間分析結合，借助GIS軟件強大的矢量、柵格數據的分析功能，及時掌握規劃片區的各種統計、測算成果。豐富的定量分析成果能讓設計師更好地把握設計方案的科學、合理性。不僅如此，包括Mesh模型在內的航測數據成果能讓設計方案的表達、出圖方式更加豐富多樣，便于設計前后和設計方案間的對比。Mesh模型的編修、單體化等操作能將設計師的設計方案與地理環境融為一體，實現“地理設計”的和諧共存理念。完善的模型成果、豐富的地理空間數據連同規劃師的人工設計方案甚至對數字城市建設以及規劃方案的實施、管理及公眾參與都有重要意義。

目前航空攝影測量的操作門檻已有很大程度的降低，但這種技術手段畢竟來自不同的學科門類。其間各種算法的選擇、參數的設置以及數據格式的轉換仍然具有很強的專業性。要想與規劃設計教學更好地結合，需要規劃專業師生熟練掌握幾種航測軟件，并具有一定的無人機操控經驗。另外，根據國家民航局的規定，無人機的外業操作將更加規范，需要持有無人機駕照的專業人士才能進行操作。更加嚴格的立法以及專業無人機的價格門檻也在一定程度上限制了航測技術在規劃設計領域的普及。隨著航測技術門檻的進一步降低、軟硬件成本的持續下降以及空管方案的日益深入人心，這種高效、經濟的新興空間信息采集技術將會在規劃設計教學中發揮更大的作用，并培養出跨越地理信息采集和城鄉規劃行業的復合型人才。

[1] 樊江川.無人機航空攝影測樹技術研究[D].北京：北京林業大學，2014.

[2] 張文博.無人機航測技術在土地綜合整治中的應用研究[D].長沙：長沙理工大學，2013.

[3] 呂春英,佟慶遠,李王鋒,等.數字高程模型(DEM)的構建及其在城市規劃中的應用[A].中國科學技術協會.提高全民科學素質、建設創新型國家——2006中國科協年會論文集(下冊)[C].中國科學技術協會,2006:5.

[4] 余威,鄭瑞山.GIS數字高程模型技術在城市規劃設計中的運用[J].天津城市建設學院學報,2006,(3):170-173.

[5] 李宏賓.數字高程模型(DEM)與應用[A].河南省土木建筑學會.河南省土木建筑學會2009年學術大會論文集[C].河南省土木建筑學會,2009:3.

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[8] 馬普軍,劉新芳.數字城市建設中的三維建模[J].科技展望，2016(10).

The practice and application of aerial photogrammetry in the education of urban planning design

WANGLinLIUYuanfengDONGJiaojiaoZHUXiuyun

(College of Architecture,Huaqiao University, Xiamen 361021)

Beginning from recent development of UAV (Unmanned Aerial Vehicle) aerial photogrammetry system,this work introduces the application of this new-born spatial information collection technology in the teaching process in urban planning design according to basic workflows of UAV photogrammetry.The content involved includes recent process on hardware and software platform of UAV photogrammetry,workflows of field process,features and applications of various photogrammetry data products.The significance of 3D Mesh models and its post editing to the design education is emphatically introduced as well.

UAV;Photogrammetry;Planning Design teaching;GIS

國務院僑辦課題(11Y0284*)

王琳(1981.2- )，男，講師。

E-mail:wanglin1981@foxmail.com

2017-01-13

TU198+.3

A

1004-6135(2017)03-0115-06