基于無人機實景三維建模技術的智能測繪與規劃研究與應用

吳錦波 王 鑫 鐘 煒

(天津理工大學 管理學院，天津 300384)

引言

隨著城市建設速度和信息技術的飛速發展，建筑業對城市測繪和規劃的方式提出了高效高質的新要求。一種新的測繪方式也應運而生——無人機實景三維建模技術。無人機實景三維建模技術就是將傾斜攝影技術應用到無人機上，再通過專業軟件處理生成實景三維模型，使測繪更加真實、快速和智能。即通過在同一無人機設備上搭載多臺傳感器，同時從垂直、傾斜等不同角度采集影像[1]，再利用Altizure等專業軟件處理形成實景三維模型。這是一種隨著計算機圖形圖像技術發展而孕育出的將物體以三維模型的方式反映在計算機當中的圖像技術[2-10]。

本文將結合無人機實景三維建模技術在國內外的研究和應用現狀，具體分析其在某高校園區的具體測繪和規劃過程中的智慧應用。

1 國內外研究和應用現狀

城市用地建設飛速增長是較為發達的國家和地區的普遍現象，智慧城市的理念被越來越多提及以更高效高質地進行城市用地建設。而從軍用無人機到民用無人機的普及，配合傾斜攝影技術的發展，使其在建筑測繪上應用更加廣泛。利用無人機實景三維建模技術對城市用地進行智能測繪和規劃是響應智慧城市的發展要求。

1.1 國外發展現狀

城市用地建設的迅猛發展和城市人口的增長對城市用地建設的效率提出了要求。對此，世界各國政府組織都提出了計劃，支持和發展無人機實景三維建模技術在城市用地規劃上的應用。

新加坡共和國位于馬來半島南端、馬六甲海峽出入口。20世紀60年代至70年代中后期，新加坡受到亞洲金融危機的沖擊，政府意識到發展信息通信技術的重要性，于2009年8月全面開啟光纖到戶實施“路網分離”，由基建公司利用無人機實景三維建模技術，進行全盤規劃和維護，避免重復投資。

美國自然資源豐富，工農業生產門類齊全，集約化程度高。但早在2001年，由于經濟發展較快，電力消費持續增長，全國經歷多次大范圍停電。據此，美國提出了智能電網的方案，來維修老舊電力設施和建設新的發電廠。通過無人機實景三維建模技術，搭建城市用地和電網模型，進行深入分析，合理規劃，為新建發電廠進行合理選址，并且利用無人機對電網進行電力巡線，找準病癥，提高維修效率[11]。

1.2 國內發展現狀

我國在城市用地建設上發展迅速但缺少合理的規劃和利用，政府為應對當前形勢出臺了一系列促進無人機實景三維建模技術在城市用地建設應用上的政策。在《國家地理信息產業發展規劃(2014～2020年)》中，明確提出：重點發展低空和無人機航空遙感數據服務，加強高安全度低空遙感平臺的產品化和產業化推廣。

此外，與傳統測繪方式相比，無人機實景三維建模技術擁有不可替代的優勢地位。將人工手測、全站型電子測距儀以及無人機實景三維建模技術進行對比，如表1所示。

表1 主流測繪方式的對比分析

表2 不同國家智能測繪和規劃應用的對比分析

全站儀測量儀器精密，價格高昂，不易運輸和攜帶，在測繪之前需要進行繁雜的準備工作； 人工測繪的效率幾乎是無人機實景三維建模技術的1/600。相比之下，無人機設備輕便，測量前準備工作少，機器到場后可以立即投入使用，效率高，更加適用于較大范圍內的快速測繪。雖然無人機實景三維模型的精度沒有達到毫米級，但是已經可以滿足現代城市快速發展下的智能測繪和規劃需求。

目前我國應用無人機實景三維建模技術較為成熟的是在電網領域。我國在國家電網輸電線路的快速巡線、近距離觀測和故障檢修上都應用無人機系統，集航空、遙感、地理信息、傳感器、信息處理等多個先進技術為一體[12]，具有極高的效率和工作優勢，支撐起電網線路的安全運營。利用多鏡頭融合技術獲取參數后，建立輸電線路的初始幾何模型，利用插值等數學算法來恢復輸電線路的紋理特征，再結合自動化建模軟件實現輸電線路地物紋理模型的快速重建。

1.3 綜合對比

結合無人機實景三維建模技術在新加坡、美國和中國的不同發展情況，如表2所示，可以更清晰地看出將無人機實景三維建模技術應用在智慧城市建設上的優勢。

新加坡、美國、中國各自建設背景不同，卻有共通之處，無人機實景三維建模技術解決了傳統測繪方式效率低下耗費人工的缺點，能夠快速搭建大范圍的城市建設用地模型，為城市智能測繪和規劃提供了新的解決方案。但在國內，無人機實景三維建模技術的運用還不夠成熟，市場還有待開發。

2 某高校園區用地模型建立

本次擬使用大疆四旋翼無人機智能設備，設計合理的航線，運用傾斜攝影技術和Altizure內置算法得到某高校園區實景三維模型，對空地進行智能測繪，以供規劃。

圖1 無人機三維實景建模流程

首先，結合地圖以及實地考察，可知該高校整體建筑物和道路分布較為整齊劃一，整體布局類方形，有規律可循，所以可設計S形飛行航線，以全面采集信息。

其次，為確保同時滿足地物亮度和影像反差，選擇云層密度較低、陽光較為強烈的時段進行航飛采集圖像。

確定S形航線后，選定大疆四旋翼無人機智能設備。同時，為提高成像精度，搭載有效像素為1 235萬、26mm、f/2.2、對焦點為0.5m至無窮遠的鏡頭。

在飛行階段采用傾斜攝影技術，從一個垂直、四個傾斜角度同步曝光采集影像，獲取真實地物信息。

為提高最終的成像質量，在采集圖像時航向重疊控制在60%及以上，旁向重疊控制在30%及以上。得到系列圖像之后，將圖像編號排序，大致分為三組。將三組圖像進行勻光處理和區域平差聯合處理，進行顏色校正，最后得到質量較好的照片。將采集所得照片導入Altizure軟件，整合得到該高校園區的實景三維模型[13]。

圖2 Altizure拼接的某高校園區實景三維模型

此模型精確描述了校園的地物位置，從圖中可以看出，該高校整個校區的排布成四方形，樓與樓之間的距離整齊劃一，大致相似，建筑物的高度也保持在均勻的水平上，整體規劃較為完善。分割南北校區的道路是全校范圍內最寬的一條馬路，為交通要道?？v觀整張圖片，在校區的最西側靠近河道處有一塊荒廢的空地，北校區住宿區和鐘樓附近也有較大面積的空地。在對校園進行二次規劃的時候，應當合理考慮這兩塊空地的使用。

無人機實景三維建模技術在短時間內就給出了該高校園區的實景三維模型，為后期空地規劃提供了極大的便利。但運用無人機傾斜攝影技術獲取的照片也存在一些問題，如在模型匹配時會不可避免地存在模型扭曲變形的問題，主要在建筑物或地物的底角部位。并且實景三維模型是以超高密度點云生成的DSM，不同于人工建?？梢钥刂颇Ｐ偷谋砻鏀盗?，通過計算機自動處理會生成數量驚人的三角面，這對于編輯后續的數據管理及展現都提出了很高的要求。

3 模型分析和智能規劃

3.1 前期分析

得到該高校園區實景三維模型后，進行整體分析，發現校園的基礎設施較為完善，但還缺少一個可以舉辦大型賽事的體育館，擬在原有基礎上新建一大型體育館。

圖3 方案一：擬建體育館位于西邊空地

首先，導入通過測繪得到的該高校園區實景三維模型，在西邊空地上增加一個模擬的體育館模型，通過漫游模型模擬一天中的人流車流對新建體育館和周邊建筑物的影響。由于西邊空地位于校區主干道的盡頭，便于駕車抵達，所以新建體育館會導致一天內進入校內的車流量劇增，且西邊空地周圍沒有多余空地用于停車場的建設，造成交通擁堵。此外，西邊空地位于學院樓和學校辦公中心的附近，過多的人流量對學院和學校的辦公造成極大的負面影響。所以不宜采用方案一。

圖4 方案二：擬建體育館位于鐘樓北邊

接著，運用相同的方式在北邊靠近鐘樓一側的空地進行虛擬體育館建模。建模完成后，該高校園區北區鐘樓的西側還留有較大面積的空地可用于停車場的建設，為交通擁堵問題提供了解決方案。其次，通過實景三維模型，可得虛擬體育館與該校區北門或北門的距離大致相近，說明兩種方案都利于外來人員抵達體育館。此外，北區宿舍樓臨近擬建體育館，有利于在校生的活動。

綜合對比分析虛擬建模的過程，利用信息采集和動態監控、數據技術和分析、互聯協同、智慧化的利用開發和預測決策支持等，可以得出在鐘樓北邊空地建設新體育館是合理的選擇。

圖5 體育館實景三維建模圖

3.2 建設過程

建設過程中充分將實景三維模型和設計模型進行結合，分析對比得出高效高質的建設方案。

確定選址之后，在實景三維模型中導入體育館的設計模型。結合現有道路狀況，分析體育館出入口設置以及采光狀況，得出眼狀體育館應呈南北向分布。此外，利用實景三維模型和設計模型的結合，設計周邊的綠化為貼合體育館建筑的環帶形綠化。

接下來，結合設計模型模擬施工隊的進場以及每天施工人員和設備的流動，得出最佳施工安排。在不影響在校師生正常教學活動的前提下，高效完成體育館的建設項目。

在建設過程中，定期使用無人機實景三維建模技術對體育館以及周邊用地進行建模測繪，更新實景三維模型，結合信息平臺實時管控體育館建設的進度和人員的流動，為該校區體育館的建設提供后備方案和改進建議。

體育館建設完成后，再次使用無人機對該校區進行圖像采集，測繪實景三維模型。與建設初期的合成模型進行重疊對比，總結差異，為下一次的建設提供經驗教訓。

在整個建設過程中，無人機實景三維建模技術和信息平臺的結合運用，有效地提高了土地利用率，促進了建設過程高效高質完成，減少閑置。

圖6 體育館及周邊平面圖

4 結語

通過研究無人機實景三維建模技術在某高校園區的智能測繪和規劃上的應用，深入分析智能算法和圖像處理的計算機輔助技術，從而達到了在該區域進行實景建模數字化快速成模的效果。從測繪建模到設計規劃再到后期運維，無人機實景三維建模技術提供了一個強有力的高效操作平臺，減少不必要的施工步驟和避免不合理的校園規劃，使校園布局規劃高效高質完成，建立起一個整體的智慧校園系統。整個測繪的過程和規劃的結果在房地產勘察和用地規劃領域有較強的應用價值。

相信在未來信息技術越發完善的條件之下，該技術可以在我國城市用地建設上廣泛應用。