傾斜攝影技術(shù)在城鄉(xiāng)規(guī)劃中的應(yīng)用

劉 宇 峰

(山西省城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，山西 太原　030001)

1　概述

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)、工業(yè)4.0、云計(jì)算、BIM等技術(shù)的快速發(fā)展，給人們的生活帶來了翻天覆地的變化，也給傳統(tǒng)規(guī)劃行業(yè)帶來了極大的變革與挑戰(zhàn)，信息化新技術(shù)已經(jīng)越來越多的應(yīng)用于規(guī)劃編制中，為規(guī)劃設(shè)計(jì)的全過程提供調(diào)研、分析、方案設(shè)計(jì)、評(píng)價(jià)等支持工具，以數(shù)據(jù)實(shí)證提高設(shè)計(jì)的科學(xué)性并激發(fā)規(guī)劃設(shè)計(jì)人員的創(chuàng)造力[1]。

無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)正是在這樣的一個(gè)時(shí)代背景下興起并成為規(guī)劃行業(yè)中的一項(xiàng)重要技術(shù)手段。

1.1　傾斜攝影概念

傾斜攝影技術(shù)是遙感與測(cè)繪領(lǐng)域近年來發(fā)展起來的一項(xiàng)高新技術(shù)。它改變了傳統(tǒng)航測(cè)單相機(jī)只能從垂直角度拍攝獲取正射影像的局限，通過在同一飛行平臺(tái)上搭載多臺(tái)傳感器，同時(shí)從垂直、側(cè)視等不同角度采集帶有空間信息的真實(shí)影像，以獲取更加全面的地物紋理細(xì)節(jié)，為用戶呈現(xiàn)了符合人眼視覺的真實(shí)直觀世界[2]?；趦A斜攝影技術(shù)生產(chǎn)的模型不但完美的還原了真實(shí)場(chǎng)景的視覺感受，其還具有真實(shí)的地理坐標(biāo)信息和可量測(cè)性，我們稱之為真三維模型。

1.2　傾斜攝影特點(diǎn)

與傳統(tǒng)建模技術(shù)相比，傾斜攝影具有真實(shí)性、高效率和高性價(jià)比的特點(diǎn)[3]。

真實(shí)性：傾斜攝影模型可寫實(shí)地反映地物的外觀、位置、高度等屬性，能夠獲取更加全面的地物紋理細(xì)節(jié)，呈現(xiàn)出符合人眼視覺的真實(shí)世界。讓規(guī)劃人員從多個(gè)角度觀察地物，更加全面、直觀的掌握規(guī)劃區(qū)域的實(shí)際情況。

高效率：傾斜攝影技術(shù)借助無人機(jī)等多種飛行載體，利用專業(yè)處理軟件，可快速采集影像數(shù)據(jù)、實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化三維建模。通常需要1年～2年才能完成的中小城市人工建模工作，借助傾斜攝影技術(shù)只需3個(gè)月～5個(gè)月時(shí)間即可完成。

高性價(jià)比：傾斜攝影模型是帶有空間位置信息的測(cè)影像數(shù)據(jù)，通過與地面控制點(diǎn)相結(jié)合，可以獲得基于真實(shí)坐標(biāo)的高精度模型，可直接對(duì)成果模型進(jìn)行高度、長(zhǎng)度、面積、土方量等的量測(cè)，極大地?cái)U(kuò)展了遙感影像的應(yīng)用領(lǐng)域，同時(shí)，在生成三維模型的基礎(chǔ)上，還可以進(jìn)一步快速生成正射影像、地形圖等多種數(shù)據(jù)成果，替代傳統(tǒng)航空攝影測(cè)量。

2　傾斜攝影技術(shù)在城鄉(xiāng)規(guī)劃中的應(yīng)用

傾斜攝影技術(shù)的種種優(yōu)點(diǎn)，使得它可以在城鄉(xiāng)規(guī)劃行業(yè)中起到很重要的作用，無論是在規(guī)劃編制的前期資料獲取階段，還是規(guī)劃編制的過程中，亦或是在城市規(guī)劃管理中(見圖1)，都能夠體現(xiàn)出傾斜攝影的巨大作用。

2.1　基礎(chǔ)應(yīng)用

傾斜攝影技術(shù)最直接、最基礎(chǔ)的應(yīng)用就是為規(guī)劃人員提供規(guī)劃區(qū)域的三維模型。在規(guī)劃現(xiàn)狀調(diào)研階段，傾斜攝影技術(shù)將規(guī)劃區(qū)域的現(xiàn)狀情況完整的展現(xiàn)出來，讓規(guī)劃人員能夠?qū)σ?guī)劃區(qū)域在宏觀和微觀的層面都有更加清晰、直觀的了解。規(guī)劃人員不必再像往常那樣，花費(fèi)大量的時(shí)間進(jìn)行規(guī)劃現(xiàn)狀踏勘，而是可以更多的將精力放在規(guī)劃設(shè)計(jì)本身。這極大的提高了工作效率。

通過與地面控制點(diǎn)相結(jié)合，傾斜攝影模型可獲取高精度的定位信息，并直接用于生產(chǎn)測(cè)繪地形圖。生產(chǎn)出的地形圖最高精度可以達(dá)到1∶500(見圖2)。通過傾斜攝影技術(shù)，規(guī)劃人員不但獲取到了規(guī)劃區(qū)域的真三維模型，還得到了高精度的地形圖。

在傾斜攝影真三維模型的基礎(chǔ)上，我們還能進(jìn)一步生產(chǎn)得到規(guī)劃區(qū)域的數(shù)字正攝影像(DOM)、數(shù)字高程模型(DEM)、數(shù)字表面模型(DSM)等多種數(shù)據(jù)，極大的豐富了規(guī)劃基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的獲取來源。

2.2　輔助規(guī)劃設(shè)計(jì)

傾斜攝影模型除了能夠直接作為規(guī)劃編制人員現(xiàn)狀調(diào)研的基礎(chǔ)，為規(guī)劃人員時(shí)刻提供規(guī)劃區(qū)域全方位真實(shí)場(chǎng)景外，還可以更多的應(yīng)用于輔助規(guī)劃設(shè)計(jì)，為規(guī)劃人員提供大量的數(shù)據(jù)支撐和輔助分析功能。

2.2.1空間分析

傾斜攝影模型是高精度的地表全要素真三維模型，我們可以直接在模型上實(shí)現(xiàn)對(duì)地物長(zhǎng)度、面積和土方量的量測(cè)功能，這在傳統(tǒng)規(guī)劃手段是無法實(shí)現(xiàn)，甚至無法想象的。

利用從傾斜攝影數(shù)據(jù)模型中提取的高程點(diǎn)云、DEM和地形圖數(shù)據(jù)，結(jié)合GIS軟件，規(guī)劃設(shè)計(jì)人員可以進(jìn)行地形分析、坡度分析、坡向分析、水文分析、填挖方分析等多種空間分析來為規(guī)劃設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支撐(見圖3)。

除此以外，規(guī)劃人員還可以結(jié)合規(guī)劃方案，對(duì)規(guī)劃區(qū)域進(jìn)行諸如通視分析、可視域分析、天際線分析、日照分析、緩沖區(qū)分析等多種分析來檢驗(yàn)規(guī)劃設(shè)計(jì)是否滿足需要。

2.2.2實(shí)景模擬

在規(guī)劃設(shè)計(jì)過程中，規(guī)劃編制人員可以利用傾斜攝影模型作為規(guī)劃設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，直接在三維模型上進(jìn)行地形修改，建筑規(guī)劃、房屋拆遷改造等設(shè)計(jì)工作，而不再是依賴于傳統(tǒng)的抽象地圖數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)，使得規(guī)劃人員真正的站在上帝視角審視整個(gè)規(guī)劃區(qū)域，讓規(guī)劃編制過程更加的貼近真實(shí)。

在規(guī)劃匯報(bào)、規(guī)劃成果展示階段，傾斜攝影也能夠充分的發(fā)揮其真三維建模的優(yōu)勢(shì)，通過將規(guī)劃設(shè)計(jì)成果與傾斜攝影模型進(jìn)行結(jié)合，給用戶帶來極大的真實(shí)沉浸感。使得規(guī)劃不再是獨(dú)立于紙上，而是真真正正的與實(shí)際相結(jié)合，為用戶展現(xiàn)規(guī)劃實(shí)施后的真實(shí)場(chǎng)景效果(見圖4)。

2.2.3方案比選

規(guī)劃方案與周邊環(huán)境能否和諧共生，哪種規(guī)劃方案更符合需要，這些都是檢驗(yàn)規(guī)劃編制成果的重要指標(biāo)，傳統(tǒng)的規(guī)劃方案比選，只是針對(duì)方案本身，或者放入模擬場(chǎng)景來進(jìn)行比對(duì)，很難做到基于真實(shí)環(huán)境來檢驗(yàn)方案的優(yōu)劣，效果與實(shí)際差異很大，而將傾斜攝影模型與規(guī)劃方案結(jié)合，利用三維信息平臺(tái)進(jìn)行方案比選，能夠完美模擬方案建成后的真實(shí)場(chǎng)景，得到最優(yōu)結(jié)果。

2.2.4歷史文化資源保護(hù)

歷史文化資源是一個(gè)城市最具特色價(jià)值的資源，是一個(gè)城市的象征，歷史文化資源的保護(hù)工作，一直都是規(guī)劃行業(yè)的一個(gè)重要組成部分，傳統(tǒng)的保護(hù)工作，主要依賴于大量的文字、影像、視頻、地形圖等資料，保護(hù)難度很大，借助高精度的傾斜攝影模型(如圖5所示)可以開發(fā)歷史文化資源保護(hù)管理系統(tǒng)，能夠全方位的完整記錄歷史文化資源的信息，將零散的、毫無聯(lián)系的各類資料集合于建筑模型上。通過系統(tǒng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)信息化傳播、網(wǎng)絡(luò)化展示，為規(guī)劃保護(hù)方案提供依據(jù)，提升數(shù)據(jù)價(jià)值。

2.2.5規(guī)劃管理

在城市規(guī)劃管理中，傾斜攝影同樣可以發(fā)揮巨大的作用。首先，傾斜攝影模型可以作為城市精細(xì)化管理的現(xiàn)狀模型，利用三維信息管理平臺(tái)，我們可以將傾斜攝影模型進(jìn)行單體化，并對(duì)每一個(gè)建筑單位附加屬性，甚至對(duì)單個(gè)建筑的每一層，每一戶附加屬性，實(shí)現(xiàn)分戶屬性查詢和各類統(tǒng)計(jì)分析功能，極大的提升了城市規(guī)劃管理的效率。其次，通過將規(guī)劃成果放入傾斜攝影三維審批系統(tǒng)中，能夠?qū)ζ溥M(jìn)行視線分析、限高分析、天際線分析、可視域分析、日照分析等，讓我們可以清楚的看到規(guī)劃對(duì)城市的影響。最后，我們還可以基于傾斜攝影三維模型進(jìn)行違法用地監(jiān)察，相較于傳統(tǒng)的監(jiān)察方式，其識(shí)別違法用地和違章建設(shè)的效率、準(zhǔn)確率更高。

3　問題

雖然傾斜攝影具有諸多的優(yōu)點(diǎn)，在城鄉(xiāng)規(guī)劃編制、管理工作中都具有重要的意義，但是不可否認(rèn)的是，目前，傾斜攝影技術(shù)仍然存在一些問題。

3.1　數(shù)據(jù)處理復(fù)雜

傾斜攝影模型的制作需要根據(jù)規(guī)劃區(qū)域的實(shí)際情況，選取合適的飛行高度，飛行速度，照片重疊率等，這些都需要經(jīng)驗(yàn)豐富的專業(yè)無人機(jī)飛手。飛行所得的數(shù)據(jù)量也是非常巨大的，需要內(nèi)業(yè)人員進(jìn)行篩選、勻色、控制點(diǎn)匹配等大量復(fù)雜的預(yù)處理工作。最終，通過合理的安排空三分區(qū)、模型參數(shù)設(shè)置后才能生成可用的傾斜攝影真三維模型，整個(gè)模型制作過程會(huì)遇到各種復(fù)雜的問題，需要內(nèi)、外業(yè)人員根據(jù)實(shí)際情況，密切配合，協(xié)力完成。數(shù)據(jù)處理流程較為復(fù)雜。

3.2　模型質(zhì)量有待提高

傾斜攝影技術(shù)早在2010年就已經(jīng)引入國(guó)內(nèi)，但是初期是采用有人機(jī)作為數(shù)據(jù)采集平臺(tái)，受到飛行設(shè)備、相機(jī)設(shè)備的限制，所制作的傾斜攝影模型精度較差，難以滿足規(guī)劃行業(yè)的需要。

近年來，無人機(jī)技術(shù)開始興起，將其作為傾斜攝影傳感器的搭載平臺(tái)，能夠極大的提升傾斜攝影模型的生產(chǎn)效率和建模精度(見圖6)，使得傾斜攝影技術(shù)真正的在規(guī)劃行業(yè)有了用武之地。但是，目前的傾斜攝影模型仍然存在高精度模型制作成本巨大、建筑屋檐下較難真實(shí)還原等問題。

3.3　應(yīng)用軟件缺乏

傾斜攝影模型技術(shù)是一個(gè)完整的產(chǎn)業(yè)鏈，單純的模型并不能發(fā)揮出傾斜攝影技術(shù)的全部?jī)r(jià)值，想真正的讓傾斜攝影技術(shù)在城鄉(xiāng)規(guī)劃編制行業(yè)發(fā)揮其應(yīng)有的價(jià)值，需要專業(yè)化定制開發(fā)的軟件平臺(tái)，目前的傾斜攝影技術(shù)還處于起步階段，國(guó)內(nèi)大量的相關(guān)行業(yè)都僅僅局限于初期的模型制作，后續(xù)的專業(yè)軟件平臺(tái)開發(fā)滯后，無法滿足日益增長(zhǎng)的使用需求，亟待解決。

4　結(jié)語

雖然無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)只是發(fā)展了短短幾年，但是已經(jīng)在規(guī)劃行業(yè)中的多個(gè)領(lǐng)域有了較為豐富的應(yīng)用，傾斜攝影技術(shù)為我們開啟了一扇前景無限廣闊的大門。注定將成為引領(lǐng)規(guī)劃行業(yè)從二維平面規(guī)劃向三維立體規(guī)劃轉(zhuǎn)變的一項(xiàng)革命性的技術(shù)。

可以預(yù)見，在不久的將來，隨著VR技術(shù)、AR技術(shù)、人工智能和計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，基于傾斜攝影的三維規(guī)劃系統(tǒng)將以真實(shí)的視覺效果、流暢的應(yīng)用體驗(yàn)等顯著優(yōu)勢(shì)開啟人們“別具一格”的規(guī)劃新模式。