無人機低空攝影在城市規劃領域中的應用

■韓科成，耿玉秀 ■.同濟大學，上海市 0009；.國起城市規劃（上海）有限公司，上海市 00437

1 綜述

近年來，無人機技術發展迅猛并逐步形成龐大的下游產業，各種掛載設備和應用平臺紛紛推出，其中低空攝影的應用最為廣泛。以大疆創新精靈系列（DJIPhantom）為代表的民用四軸無人機的普及使得低空攝影門檻大大降低，除影像行業外，許多傳統行業都嘗試引入無人機平臺，積極探索產業拓展方向。

“互聯網+”戰略的提出推動了經濟轉型升級和產業迭代進化，城市規劃行業也逐步轉向數據驅動型。傳統的數據采集、處理、應用和更新效率已不能滿足當前背景下城市規劃工作的需求，新興的無人機低空攝影技術成為繼衛星遙感、地形測繪之外的有效補充，非常適合小范圍高精度數據的快速獲取。

目前，無人機低空攝影在城市規劃領域應用的一般步驟是：首先，根據精度需求進行圖像數據的初步采集；然后，借助計算機對二維圖像運算，生成全景圖像、正射影像或建立三維模型；再次，結合城市規劃設計和管理需求，開發三維規劃信息系統、規劃決策輔助系統、規劃管理系統、公眾參與系統［1］［2］［3］［4］等。早在2008年，F.Pugnaloni研究員就嘗試通過古建筑周邊環境重建進行風貌協調的建筑空間設計，2012年日本學者K.Sugihara和Z.Shen將虛擬現實技術引入城市設計，2013年西班牙學者M.L.Marsal-Llacuna和I.Boada-Oliveras聯名撰文指出可視化的城市規劃數據融合（VisualUrbanPlanningIntegratedData，VUPID）系統可以提高規劃效率。近年來，基于無人機攝影的三維模型重建技術在輔助規劃設計、輔助規劃決策、城市問題研究、人機交互信息查詢［5］［6］［7］等方面有著諸多嘗試?？梢灶A期，無人機低空攝影將逐步滲透規劃現狀調研、規劃方案推演、規劃審批決策、規劃監察和規劃公眾參與等城市規劃全生命周期。

2 技術實現

2.1 技術概述

目前，無人機低空攝影在城市規劃中的應用除了直接使用航拍影像外，還包括三維環境虛擬和三維空間建立兩類深度應用。前者與后者的本質區別在于：前者僅是通過空間環境的“模擬”達到對使用者“感官欺騙”的目的；后者是對空間環境三維模型的真實重建，生成的三維模型可與當前主流技術實現無縫對接，其中也包括虛擬現實技術。

2.1.1 三維環境虛擬

三維環境虛擬是基于虛擬現實技術（VirtualReality）的應用，通過對二維圖像的拼合建立三維虛擬環境，其他使用者借助設備“進入”虛擬空間，并通過與虛擬環境交互獲得“身臨其境”的感受。

2.1.2 三維空間建立

三維空間建立是基于傾斜攝影技術的三維模型重建，通過二維圖像的空三運算建立數字正射影像（DigitalOrthophotoMap，DOM）、數字表面模型（DigitalSurfaceModel，DSM）和數字高程模型（DigitalElevationModel，DEM）。通過三維模型重建，在保留空間實體色彩和紋理的基礎上賦予空間數據參數，可實現空間可視化與三維動態交互。

2.2 實現路徑

除特殊掛載設備外，無人機低空攝影采集數據多為二維圖像，需要整合、運算、矯正后方能更為有效的使用。

2.2.1 三維環境虛擬

要實現三維環境虛擬需要經過全景拍攝、全景拼合、虛擬展示三個環節，虛擬展示環節需要使用VR眼鏡。

圖3 三維環境虛擬簡要過程

（1）全景拍攝。無人機定點懸停后，通過控制航向角和鏡頭俯仰以當前點為中心進行水平360度和垂直90度拍攝。特別注意的是，為實現后期影像的順利拼合相鄰影像間需有重疊并且拍攝過程中鏡頭焦點能夠相對穩定不發生位移。

（2）全景拼合。圖像拼接借助PTGui等專用軟件，將拍攝的多張影像拼合成長寬比為2：1的全景圖片。全景圖片可以理解為展開的球形圖，因相機懸掛于無人機下方無法拍攝到完整天空，所以全景圖拼合后還需對頂部圖像進行修補以形成完整的天空影像，該流程被稱作“補天”。

（3）虛擬展示。虛擬展示功能可使用KrpanoViewer平臺實現，全景圖上傳后自動切圖、壓縮和發布，通過HTML5技術進行展現且支持VR模式，使用者可佩戴VR眼鏡體驗。VR眼鏡自帶陀螺儀，通過追蹤使用者頭部動作來實現畫面順滑切換營造“身臨其境”的感覺。

2.2.2 三維空間建立

三維空間模型建立需要經過航線規劃、圖像采集、圖像預處理、空三運算等環節，最終可以生成數字正射影像（DOM）、數字表面模型（DSM）和數字高程模型（DEM）。

（1）航線規劃。無人機航拍前，需要根據精度要求確定拍攝高度、重疊比例、拍攝密度等主要參數，并向當地公安部門和空管部門上報拍攝計劃。航線規劃建議采用第三方軟件Altizure，軟件按照五向攝影法規劃航線并可預估飛行時間，飛行拍攝過程中會自動對鏡頭傾角進行控制。

（2）圖像采集。為獲得高質量的影像，需要選擇晴朗、通透、弱風的天氣進行拍攝作業。拍攝時，根據環境亮度等確定相機曝光參數以保證影像質量。

（3）圖像預處理。光線和角度因素會導致部分照片亮度存在差異，由此圖形運算之前需要對個別圖像進行色彩和亮度調整。

（4）空三運算?？杖\算即空中三角測量技術，該運算過程建議使用PhotoScan軟件?？杖\算過程較為復雜，包括三角測量、點云生成、DSM生成、DEM生成等步驟，運算過程對計算機硬件要求較高，一般使用專業圖形工作站完成該運算過程。

3 城市規劃中的應用

3.1 應用場景

3.1.1 規劃編制階段

（1）規劃調研。受衛星遙感圖和地形測繪圖周期長、預算高、更新慢等限制，城市規劃現場調研一般會花費較多時間用于核實現狀建設情況與基礎資料的差異。無人機攝影引入后，可在較短時間內合成三維環境全景圖和正射影像圖，這將大大提高現場調研效率。

圖10 三維虛擬和三維模型在城市規劃中的應用

（2）方案推敲。方案推敲過程中可能隨時需要回憶現場情況，如果調研存在遺漏只能往返現場。無人機攝影引入后，可隨時通過三維環境虛擬“回到現場”，重新尋找問題解決問題。

（3）方案展示。融合實景的方案展示更容易對方案優劣進行比選，評判更為客觀，特別是新增建設與周邊環境風貌協調方面。

3.1.2 規劃審批與管理階段

（1）輔助決策。無人機傾斜攝影構建的城市三維模型可融合進地理信息GIS管理平臺，方便實現控高分析、視線分析、日照分析和三維測量等功能，這種全局三維模型對于輔助決策有著重要意義。通過實景影像建立的真實三維模型可以讓審批人員對實體空間尺度把握更為準確，提升審批決策的科學性。

（2）規劃監察。傳統規劃監察需要經過現場定位測量、圖紙判讀和信息比對等環節，耗時長效率低并且存在判斷偏差。另外，因條件限制或業主單位不配合等因素導致定位測量難以推進的情況時有發生，無人機三維空間重建可有效規避該類問題并大大提高工作效率。

（3）信息建設。建立好的三維模型可通過單體提取、錄入屬性數據建立項目庫，方便查閱和管理。

3.1.3 規劃公眾參與階段

（1）數字城市。通過三維模型重建可以向公眾提供街景地圖、三維城市、虛擬城市等展示功能和實用工具，方便民眾生活的同時可更好的認知城市。

（2）規劃公眾參與。三維模型引入規劃可以將城市規劃轉變為公眾易懂的表達方式，提高公眾參與的積極性。

3.1.4 規劃多行業協同階段

通過三維空間重建，可以廣泛進行準確和有針對性的仿真和研究工作，如日照模擬分析、風廊模擬分析、交通模擬分析、電磁環境模擬分析、噪聲模擬分析、熱島效應模擬分析以及突發事件疏散分析等。

3.2 技術應用價值

無人機低空攝影可廣泛應用于城市規劃的編制、公示和管理實施過程中，該技術應用的價值和意義在于：①數據動態更新提高工作效率。無論是虛擬三維環境還是三維空間模型，皆可通過替換部分有變更的影像數據來實現整體模型的動態更新，這可大幅降低工作成本提高工作效率；②三維模型承載信息豐富，方便二次開發。精靈系列無人機拍攝影像自帶POS信息，通過空三運算校對后可1：1還原空間數據，同時建筑色彩和紋理信息也得以保留。附帶真實空間數據的模型載體為后期的三維測量，日照、高度、視線分析提供了基礎，三維模型通過格式轉換與主流軟件相兼容，便于二次開發使用；③新技術推動規劃行業革新。無人機攝影三維模型重建技術可以將規劃編制技術推向更高層級。首先，在大尺度城市空間分析方面，三維空間測量可推動規劃定性分析向結論更為準確的定量分析轉變。其次，“真實場景式”三維空間模型的展示更利于普通民眾理解城市規劃，這也是未來城市規劃公眾參與的重要發展方向。

3.3 問題和不足

無人機低空攝影在城市規劃中的應用仍然存在不少問題，制度建設、技術規程、行業協同等方面皆需不斷完善。

首先，對地成像在當前法規體制上屬于重點監管領域，需要獲得測繪許可。其次，“低小慢”航空器對民航存有威脅使得無人機本身也受到嚴格監管，無人機操作手相關技術要求和持證上崗尚未形成明確的法律法規。再次，無人機航拍成果尚無統一技術規范，不同應用軟件和數據形式充斥市場且難以互相兼容，由此用戶使用時產生較多問題。最后，城市規劃管理尚未形成高兼容性的三維平臺，城市規劃編制技術體系和管理體系尚需不斷優化。

4 小結

隨著法律法規和相關技術規范的不斷完善，無人機平臺的引入將為城市規劃編制提供技術手段，為規劃管理提供精準數據支持，為規劃決策提供科學信息保障，為推動智慧城市建設發揮積極作用。無人機攝影重建的三維模型具有真實性、兼容性、高效性等特點，隨著三維地理信息系統的深入研究和應用，該技術必將成為智慧城市發展的重要技術支撐。

［1］朱偉，程正奎.三維城市規劃信息系統建設研究［J］.科技視界，2013（13）：157-158.

［2］朱圣，羅再謙，等.數字全景地圖技術及在規劃管理中應用的研究［J］.城市勘測，2012（2）：37-41.

［3］曾忠平，李宗華，等.基于三維GIS的城市規劃信息系統研究［J］.重慶建筑大學學報，2007（05）：26-30.

［4］高海峰.基于Skyline三維城市規劃輔助決策系統設計與實現［D］.華東理工大學，2012.

［5］胡文慶.傾斜攝影測量三維重建在城市規劃管理中的應用研究［D］.昆明理工大學，2016.

［6］劉玉潔.城市三維模型及其在城市規劃中的應用［D］.天津師范大學，2014.

［7］崔瑤瑤，杜甘霖，等.無人機傾斜攝影三維建模在農房確權登記發證項目中的應用［J］.測繪通報，2017（S1）：192-194.