基于實景三維技術的園林規劃設計應用研究

高小慧 胡永進 馬凱迪 胡耀天

一、引言

隨著地理信息、物聯網、大數據、計算機等技術的飛速發展和規劃設計理念的逐步提升，規劃行業正在發生深刻的變革。在傳統的園林規劃設計中，常常采用1：500大比例尺地形圖作為規劃底圖，存在數據采集工作量大、成本高、符號化不直觀等問題；同時規劃設計常采用CAD軟件進行圖形繪制，屬性管理能力弱；二維數據難以整體了解現實世界中的地物特征、對規劃區域現狀描述能力不足，通過二維數據制作的效果圖與現實世界真實情況難以完好的契合等問題。隨著無人機行業以及實景三維技術的快速發展，對當前的規劃和管理技術手段提出了更高要求，也給規劃設計提供了全新的技術手段。

隨著地理信息三維實景化技術的不斷成熟，商業化的無人機價格、技術門檻越來越低，為規劃設計提供了更多科學便捷的技術手段。采用大疆無人機構建規劃區高精度實景三維地圖模型，并通過地理信息技術進行空間規劃分析，其直觀易懂、規劃效果實時展示、工作周期短等特點受到規劃院和設計院的廣泛關注，可應用于較大范圍的園林規劃設計、房地產項目展示、規劃設計等領域。

本文擬開展基于實景三維技術的規劃設計應用研究，通過大疆無人機進行高精度實景三維模型生產，并基于開源的Cesuim 3DGIS三維引擎進行規劃設計，并通過三維平臺進行日照分析、通視分析等空間分析技術，提高園林規劃的技術水平，為大范圍的園林規劃設計等提供借鑒。

二、實景三維生產及平臺關鍵技術

（一）實景三維概述

實景三維（3D Real Scene）是通過建立數字虛擬空間的方式，在三維場景中對現實空間中的物理實體進行真實化、立體化、時序化的映射與描述，實景三維作為新型的標準化測繪基礎數據逐漸替代了傳統的二維產品，為國家基礎設施建設提供統一的信息化空間底座。實景三維數據可以在數字虛擬空間中建立具有結構化及語義化的地理實體模型，支持人機物的兼容理解與實時感知，以實景三維層級和表達內容為標準，其主要可分為部件級、城市級和地形級三種。

隨著近些年遙感軟硬件技術的極速發展，無人機實景三維建設已經成為當前的主流手段。其主要方法是利用無人機平臺獲取不同角度的傾斜數據，并輔以無人機位置及姿態等數據建立三維實景模型，主要步驟包括多視角影像匹配、聯合平差、三角網構建、紋理映射等步驟。與傳統攝影測量相比，這種方式提供了豐富的地物側面紋理信息，在視覺效果上有了巨大提升，同時還提供了一個可量測的模型，將大量的外業調繪工作轉為內業處理，大幅提升了測繪作業效率。

（二） 關鍵技術

本文研究涉及的園林規劃為小范圍場景，以大疆無人機為數據采集設備，通過無人機傾斜航測的方式構建小范圍實景三維模型。

1.無人機傾斜航測系統

無人機航攝系統用于航空遙感影像的獲取，其硬件設備主要包括無人機飛行平臺和影像傳感器，軟件設備包括飛控系統、地面監控系統、發射與回收系統、數據傳輸系統等，這些設備和系統的共同作用可以實現無人機的遙感影像采集，并將數據傳輸到地面進行后續處理和分析。大疆無人機則對各個模塊進行了高度集成，輕便小巧，方便作業。

2.像控布設與測量技術

像控點布設方案與測量精度直接影響了整個空間加密精度，因此科學的布設和測量方案至關重要。在1：500地形圖測量時，像控點中誤差應優于2cm。像控布設時，宜制作具有明顯中心點的人工標志，根據航線設計的走向與間隔，按一定間距均勻分布于測區內。像控測量時，宜采用三角對中支架替代手扶對中桿的方式固定儀器，以保證觀測精度。

3.多視影像匹配技術

空三加密軟件根據多視影像的POS信息和光學信息，采用一定的算法與多視幾何技術，快速準確地匹配各影像間的同名點，豐富的冗余影像可以糾正錯誤的匹配信息，從而保證模型精度。

（三）3D GIS基礎理論

3D GIS 是一個綜合性研究領域，其涉及技術多樣，包括三維可視化、計算機圖形、空間數據結構、虛擬現實和三維空間交互與分析等。不同于二維 GIS，3D GIS使用三維數據模型進行空間查詢和建模分析。同時，3D GIS 具有直觀的三維可視化效果，這使它成為地理信息系統中的一個重要分支，用于規劃設計的3DGIS有以下幾個關鍵技術。

1.三維可視化技術

三維可視化就是以三維立體的形式來表現數據的技術和方法，是一種需要在空間表達中通過特殊的數學模型進行成果直觀表達的一種工具。現實世界通過傾斜攝影測量、手工建模等方式進行一系列變換處理，包括數據預處理、幾何變換、選擇光照模型和紋理映射，形成虛擬的數字化場景等，并通過空間數據庫位置匹配掛接，將各行業的業務數據立體化地呈現出來，形成更具自然的效果和更為直觀地感知的三維可視化場景，是數字孿生技術的關鍵技術。

2.3D GIS數據組織技術

三維地理信息系統（3D GIS）包含大量數據，主要有數字高程模型（DEM）、數字地形圖（DLG）、傾斜攝影的實景三維模型和手工建模的規劃仿真模型等。常見的矢量數據格式有 ESRI shapefile、MapInfo TAB，空間數據包括Geographic Database（Geodatabase）和Google Keyhole Markup Language（KML）等，空間數據庫具有管理海量數據、圖形和屬性數據一體化存儲、支持多用戶并發訪問、具備訪問權限控制和數據安全機制等優點。

為提升三維地理信息系統的性能和顯示效率，可以采用四叉樹LOD（Level of Detail）技術分層處理影像和地形數據。此方法可建立一系列金字塔狀數據集，并可通過分塊的瓦片金字塔模型，減少數據訪問量、提高輸入輸出效率、進一步優化系統性能和數據顯示效果。

3.3D GIS規劃應用

3D GIS應用領域廣泛，是當今主流數字孿生技術的基礎底座。在規劃領域中，3D GIS主要用于對當地的地形地貌、土地利用、空間布局以及建設部署等進行一定時期的規劃設計，其中在規劃應用中，建筑物和地形地貌是3D GIS的主要對象，其可以在規劃設計中考慮建筑物和地形地貌，從而為城市和社會發展提供支持。3D GIS還可以用于其他領域，例如城市管理、環境監測和資源管理等。通過3D GIS系統，一方面可以把城市規劃所需基礎信息通過直觀表現，并可利用日照分析、緩沖分析等眾多空間分析算法模型，進行多維的定量分析，讓規劃設計人員能夠從更宏觀、更全面、更直觀、更科學地了解和掌握城市各類信息；另一方面，還可將規劃設計成果通過三維仿真和大數據分析等技術進行模擬推演，將未來城市的交通擁堵、洪水淹沒、城市變遷等各類場景進行直觀推演，來逐步修正規劃設計成果，從而進一步提高規劃的科學性、可操作性和前瞻性。

三、實景三維模型生產實踐

（一）總體技術流程

本研究主要研究了利用在江蘇句容某高校開展基于實景三維模型的3D GIS規劃試驗，研究利用大疆Phantom 4 Pro無人機和ContextCapture軟件，對實景進行了三維建模。同時，通過同步測量的檢查點對成果精度進行檢測，確保數據符合要求。經過后期數據切片發布處理，導入到3D GIS平臺中，進行現狀實景三維展示、規劃分析等規劃設計，以此來挖掘消費級無人機在規劃設計領域更多應用場景。

基于實景三維的3 D GIS園林規劃設計，主要涉及航飛階段、像控階段，以及數據處理階段、系統規劃展示各環節。主要技術流程如圖1所示。

（二） 生產過程試驗

1.實驗設備介紹

大疆無人機以旋翼無人機為主，經濟適用、操控靈活，工業化程度高，安全性好，但其動力有限、續航時間通常比較短，更加適用于小范圍的航飛。本文根據園林規劃范圍相對較小、精細化要求高等特點，主要利用單位已采購的大疆精靈4Pro無人機搭載標配相機采集試驗區3公分的多鏡頭傾斜影像。大疆精靈4Pro具有6個視覺傳感器、主相機、GPS/GLONASS雙模衛星定位系統、IMU和指南針雙冗余傳感器等模塊裝置，可以幫助無人機在安全飛行的同時獲取高分辨圖像、位置定位等重要信息，詳見圖2。其影像采集設備技術參數如表1所示。

2.測區航攝方案設計

航攝方案設計包括航飛高度和航線設計。采用DJI GS PRO航線規劃軟件，并參考天地圖數據進行航線設計。在規劃航線前，劃定項目航飛范圍并了解測區地貌，根據測區海拔高程和作業范圍進行合理的任務規劃，以提高作業效率并避免意外。

航線設計需要從建筑物高度、分布及測區形狀等因素進行綜合考慮，根據國家傾斜攝影測量技術標準，本試驗區在航線設計上按照東西方向，航向80%、旁向70%重疊度進行航攝，并在攝區外多出一條航線，確保后續數據處理模型的完整度。

3. 地面像控點噴涂

地面像控點對于整個測區三維模型精度至關重要，可以按照測區范圍，根據國家傾斜測量規范，按每條航線隔60-80米布設一個像控點，選符合攝影測量加密像控點位要求的明顯地物作為地標點，在實地無法選定明顯地物點、易造成內業判讀困難的地區，應布設人工標志。人工標志需采用等腰直角三角模具，使用紅藍自噴油漆在航飛前提前做好標志。并采用RTKCORS模式可在航飛前或航飛后采用GPS儀器精確測定像控點三維坐標。如圖4所示。

4.無人機傾斜航飛

無人機航拍最佳拍攝時間為9：00～15：00之間，此外，天氣情況也是一個重要因素，在光線適中、能見度好的條件下，航拍影像質量更佳。本研究使用大疆的Pix4DCapture軟件操縱無人機按照預先設計的航線自主飛行，獲取多個相機鏡頭的傾斜影像，如圖5所示。

5.園林規劃區三維實景模型處理

園林規劃的基礎是三維實景模型，而ContextCapture是目前主流的傾斜三維模型數據處理方法。對不同時間段的航拍影像進行處理主要包括以下四步：（1）對所有航拍影像進行勻光勻色處理；（2）構建自由網模型，主要過程包括空三加密技術進行影像匹配、連接點粗差剔除等操作；（3）建立生成基于影像的超高密度點云，過程包括使用地面像控點、POS數據和無人機平臺校驗參數等進行整體區域網平差，解算多視影像外方位元素和加密點地面坐標；（4）基于點云數據構建TIN模型，并結合影像紋理生成高分辨率實景三維模型。