傾斜攝影測量三維重建在城市規劃管理中的應用研究

郭海樂

(東莞市地理信息與規劃編制研究中心，廣東 東莞 523000)

0 引 言

計算機技術的發展實現了對城市規劃、管理、建設的維度，城市理的數字化表達正逐步由二維向三維過渡，與之對應的城市規模化建設也呈現一種立體化趨勢[1]。相比常規的二維化表達，三維數據具有更強的豐富性與立體性，可在規劃過程中，實現空間的動態化交互。

傳統的城市規劃管理以二維人工建模方式進行操作，盡管此種操作方式可以滿足城市規劃管理的基本需求，但在此過程中需要管理方投入大量的人力與物力資源，通過布設傳感器人工獲取數據信息。一旦傳感儀器的布設位置存在偏差，便會在構建復雜場景結構時出現精度方面誤差。而在本文的研究中，引進了傾斜攝影技術，采用三維激光掃描的方式，對構建場景的精度與效率進行針對性處理[2]。以此解決點云數據冗余量大、場景重構效率低、算法計算步驟復雜等問題。但相關此方面的研究截至目前尚未輸出有效的研究成果，大多檢驗僅局限于理論。因此，本文將基于實踐層面，對此項技術在城市規劃管理中的應用進行深入研究，以期通過此次研究，實現對城市三維立體模型的高效率構建，解決城市傳統規劃管理工作存在的不足。

1 基于傾斜攝影測量三維重建的城市規劃管理

1.1 傾斜攝影測量像控點選取與測定

在對城市規劃管理前，首先需要通過傾斜攝影測量像控點對城市整體面貌進行把握。在對像控點選取時，根據城市規劃建設的特點，應當采用平高點作為主要的測控點[3]。同時，選擇以無人機航拍攝像上影像能夠清晰顯示，并且坐標明確的特征點作為像控點。利用ZJCORS對需要進行規劃管理的城市區域的像控點進行測量。在測量的過程中，保證對每個像控點完成2次觀測，并且每次不得少于10個歷元，選擇每次測量得到的數據平均值作為最終的測定結果。傾斜攝影測量像控點布設方案。

圖1 傾斜攝影測量像控點布設方案示意圖

圖1中K1～K13表示為該區域當中所有的測控點，為了確保后續測量及匹配的效率，針對圖像當中存在的部分不具備較高測量價值的測點，例如K2、K3、K9等，可將其排除，選擇將剩余測點作為像控點[4]。在實際操作中，針對像控點測量可選用GNSS RTk配合電子手簿的方式完成測定。

1.2 無人機傾斜攝影及城市影像匹配

在上述傾斜攝影測量像控點的基礎上，利用無人機實現對城市圖像的傾斜攝影。在實際操作中，首先需要針對無人機的性能進行檢驗，再根據規劃管理需要對無人機的飛行路線進行明確，最后完成數據的采集以及對城市影像的匹配[5]。無人機的性能測試主要是針對其是否能正常起飛，電池電量是否充足等問題進行檢驗。在確定無人機的運行質量后，要求無人機在飛行過程中其相應的航攝參數應當按照表1所列來設定。

表1 無人機傾斜航攝參數表

按照表1所示內容對無人機傾斜航攝參數設定，以此能夠確保城市規劃管理范圍內模型的完整性。為了提高影響的匹配精度，本文選擇引入Siamese網絡對影像特征元素進行完整性保留，并將傳統方法中取出的池化層抽象語義特征進行充分保留，以此確保最終匹配效果符合后續城市風貌三維模型的構建需要。

1.3 基于點云數據的城市風貌三維模型重構

結合上述測量得到的影像圖像的點云數據對城市風貌三維模型進行構建。將模型看作一個二元組，其表達式為：(K，T)，其中K表示為模型當中所有的拓撲信息集合，T表示為模型當中所有頂點結構集合，其表達式為：T={t1，t2，t3，……，tn}，以此通過(K，T)確定網格結構當中的集合圖像以及對應位置。同時，為了能夠保證構建的三維模型精度更高，避免點云數據密度和噪聲的影響，可在建模過程中，保留與城市地物結構相關的邊緣性數據，結合Delaunay法的應用，構建城市風貌形態的三角網。并使用Voronoi構建相鄰線條的外接圓，構建場景中三角形的最大角和最小角，通過三角網格的方式實現對三維模型的重構，如圖2所示。

圖2 基于點云數據的城市風貌三維模型示意圖

通過上述構建的城市風貌三維模型可更加真實并詳細地展示城市地理面貌，并為規劃管理人員以及后期城市在發展和建設中的旅游服務業、房地產開發等項目帶來便利條件。

2 對比實驗

結合本文上述論述內容，完成對基于傾斜攝影測量三維重建的城市規劃管理方法在理論層面上的設計，為驗證該方法在實際城市規劃建設當中是否能夠實現對其有效管理，選擇將某城市作為研究區域，針對該城市正在開展的規劃項目分別利用本文提出的管理方法和傳統管理方法對其進行規劃管理。已知在兩種管理方法當中都需要實現對城市規劃模型的建立，因此，為了方便驗證，可以選擇將兩種管理方法中模型在水平方向、垂直方向以及空間坐標方向上的精度作為實驗評價依據。三個方向上的誤差可通過以下公式計算得出：

(1)

公式中，m表示為水平方向、垂直方向或空間坐標方向上模型的誤差；n表示為測點個數；[ΔΔ]表示為觀測點與真值之間的差。根據上述公式，在兩種管理方法中在其模型上隨機選擇三個對應位置作為測點，并計算模型三個測點上三個方向上的誤差，并將得出的實驗結果繪制成表2。

表2 兩種管理方法模型誤差對照表

從表2記錄結果可以看出，本文管理方法其模型上三個測點在三個方向上的誤差均在0.010～0.025 m范圍以內，而傳統管理方法模型上三個測點在三個方向上的誤差均超過了0.100 0 m，嚴重不符合城市規劃中對規劃模型提出的精度要求。因此，通過上述對比實驗得出結論：本文提出的引入傾斜攝影測量三維重建的管理方法在實際應用中能夠為城市規劃管理提供更高精度的輔助條件。

3 結束語

為了解決城市規劃管理工作中存在的問題，本文此次研究引進了傾斜攝影測量技術，結合獲取的點云數據，進行城市風貌的三維重構研究。為了證明此次研究成果可真正應用到城市規劃管理與建設中，選擇將某城市作為研究區域，采用實驗的方式，對設計的成功進行了檢驗。總之，在新技術的應用與指示下，外業數據采集能力、點云數據處理效率、重構場景的真實性均在不同程度上呈現提升趨勢。因此，可在后期的相關研究中，嘗試將本文設計的成果應用到試點工程的管理與規劃中，在經過多次實踐證明此方法有效后，再將此方法應用到試點城市的建設工作中，以此實現我國城市規劃與建設的可持續發展。