傾斜攝影測量技術在鄉村數字化治理中的應用

穆 星

(中色藍圖科技股份有限公司,北京 101300)

0 引言

鄉村數字化治理是農村現代化建設的重要組成部分,傳統的綜合治理平臺多以區域矢量圖和衛星影像等二維空間為主,目前部分企業開發了三維可視化平臺,應用傳統技術如3dMaxCADRevit等進行建模,需要大量人工參與,制作周期長,紋理與實際效果偏差較大,無法實現全真實可視化管理。而鄉村數字化治理環境千差萬別,需要真實還原鄉村實況,以便進行決策管理[1-3]。

傾斜攝影測量技術使用多相機從不同角度獲取影像數據,可以高效、準確地獲取三維信息,具有自動化程度高及成果信息豐富等特點,被廣泛應用于監測與變形分析、舊城改造、輔助古建筑物數字化保護與文化遺產傳承等方面。本研究基于傾斜攝影測量技術建立鄉村實景三維模型,研發了三維可視化綜合管理平臺,通過接口調用實景三維模型,實現實景三維模型應用及鄉村管理等多種功能,研究結果對提升鄉村管理能力、推動鄉村治理體系現代化發展具有一定的參考價值。

1 傾斜攝影測量技術

無人機傾斜攝影測量技術是以無人機為飛行平臺,搭載多角度相機,通過航拍獲取目標物清晰完整的影像數據,改變了傳統航拍技術的限制,有效提高了三維模型生產效率,可更加清晰地反映地面實物的實際情況,大幅度降低三維建模數據的獲取時間、人力及經濟成本。圖1所示,PP′為相機主光軸,ON為被攝點的垂直與地平線方向,t為PP′與ON的夾角,當傾斜角度5°30°時,為高度傾斜影像[4]。

圖1 傾斜攝影的傾斜角度Fig.1 Tilt angle for oblique photography

2 影像數據采集及實景三維模型的重建

2.1 作業區概況

實驗測區為浙江省某鄉村,常住人口約2500人,是一個聚居式的紅色旅游示范村,有著獨特的山水風光及生態優勢。擬利用物聯網、大數據等技術打造“鄉村大腦指揮駕駛艙”,實現對該村的農業、生態環境、事件等相關數據可視化及一體化管理,形成覆蓋鄉村的活地圖,助力生產方式升級、治理模式創新及生活方式改善,打造區域鄉村數字化治理樣板。擬基于無人機傾斜攝影測量技術建立測區實景三維模型,開發三維可視化管理平臺實現相關功能,在實景三維模型基礎上進行綜合分析,整體技術流程如圖2所示[5]。

圖2 整體技術流程設計Fig.2 Overall technical process design

2.2 傾斜攝影影像數據采集

外業影像數據采集應用大疆悟2進行獲取。大疆悟2無人機相機角度分為下視與側視兩種方式,下視云臺角度設為90°,側視角度為45°,分別從房屋的東西南北及頂視方向拍攝,主要參數如表1所示。

表1 悟2參數

應用大疆悟2無人機進行影像數據采集時需應用大疆智圖軟件制定航線計劃,根據采集區域的實際情況制定適合的采集計劃,如航線規劃、高度、速度、采樣時間、傳感器參數等。航線規劃的關鍵是在保證影像覆蓋全面的同時盡可能避免掉線或拍攝死角。需進行像控點數據采集并對無人機及設備進行安全檢查,執行數據采集,按照制定好的航線計劃進行影像數據采集。

2.3 實景三維模型的重建

使用Terra photo軟件對機載激光數碼影像進行勻光勻色處理,通過添加顏色點自動補償大幅度的色彩變化,進行整體色彩分配。實景三維模型重建使用Context Capture Master軟件,添加要建模的照片及控制點信息文件,再進行刺點,輸入外業實測的像控點坐標并進行POS解算。進行空三加密任務,包括提取連接點、匹配連接點、光束法區域網平差、創建區塊提交空三任務。構建不規則三角網,生成實景三維模型,如圖3所示[6]。

圖3 傾斜攝影實景三維模型Fig.3 3D model of tilted photographic reality

3 鄉村數字化治理綜合平臺的設計

使用SuperMap SDX+空間數據庫引擎、SuperMap iServer 10i服務器實現地理空間服務發布,通過SuperMap iClient3D for WebGL API接口加載測區實景三維模型,建立基于B/S架構的綜合治理平臺,實現三維模型的格式轉換、場景加載及空間數據管理[7-8]。

將Context Capture Master軟件建立好的實景三維模型保存為*.osgb格式,并在SuperMap平臺上對該格式模型進行轉換,得到*.scp格式文件,三維模型進行格式轉換及配置文件生成后,在SuperMap iDesktop 10i軟件中新建三維球面場景加載實景模型,壓縮三維場景并生成場景緩存文件*.S3M,生成場景緩存,使用SuperMap SDX+空間數據庫引擎管理空間數據,使用SuperMap iServer 10i服務器實現地理空間服務,發布三維服務。如圖4所示。

圖4 數字鄉村綜合治理平臺Fig.4 Digital rural integrated governance platform

主要實現功能包括:①實景三維模型管理。實景展示。通過傾斜三維模型提供真實、方便、直觀的鄉村實景信息,通過旋轉、縮放等得到測區真實的地形、交通、建筑等。量測分析。在實景三維模型上對建筑物、道路、樹木、土地等進行測量,獲得相應的高度、寬度、面積、體積等數據。規劃設計。在實景三維模型上對道路、綠化、水系等進行分析、規劃及模擬,將規劃結果進行可視化展示,并進行評估及分析。例如,通過模型分析山地與水系的位置、高度、坡度等指標,支持鄉村旅游規劃及生態保護。通過模型分析道路的寬度、長度、交叉口密度等指標,支持交通規劃及道路設計。通過分析建筑分布、使用情況、居住環境等指標支持住房規劃及房屋設計。②鄉村管理。主要包括以下幾方面:a.農業管理。土地管理:實時展示村莊所在地的土地資源及農業發展情況,對村莊所有土地建立地籍管理信息,實時進行查詢。地力管理:利用傳感器分析土壤與底層植被等數據,對農田生態環境進行實時監測及評估。農業氣象預測:發布當地氣象情況,根據氣象預警發布相關通告,以便及時采取應對措施。病害種植管理:當地農業農村局根據季節和氣候變化及當地主要種植農作物發布病蟲害防治建議。b.農村管理。基層黨建:主要管理本地區基層黨建工作,包括黨員工作、黨務工作、聯系群眾、黨建宣傳等。扶貧監測:主要對精準扶貧的扶貧文件及具體扶貧信息進行展示,包括扶貧數據的采集、幫扶管理、產業發展分析、政策宣傳等。農科展示:對優秀農產品、新型經營主體、農戶進行宣傳及推介。c.農民管理。包括農戶基本信息錄入、農人圈互動交流、村民組織活動發起、在線發布需求等。③大數據可視化分析。對應用平臺中涉及的農業、農村、農民指標進行數據挖掘及統計分析,以雷達圖、柱狀圖、折線圖等多維圖形直觀展示三農大數據。

4 結束語

介紹了傾斜攝影測量技術原理、步驟,探究了其在鄉村數字化治理中的應用。結果表明,將傾斜攝影測量技術應用于鄉村數字化治理三維可視化平臺中可為鄉村規劃、監測、管理等提供直觀的數據支撐,提高信息獲取精確度及時效性,對決策分析及實踐制定具有重要的參考價值。