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倾斜摄影技术在规划工作中的初步应用·云顶线路快速检测中心

发布时间:2022-03-30 来源:城乡发展研究中心 作者: 王启斌

2022年3月25日,云顶国际线路快速检测中心城乡发展研究中心举办了以“倾斜摄影技术在规划工作中的初步应用”为题的所室技术交流会,现将技术交流总结如下:
2022年3月25日,云顶国际线路快速检测中心城乡发展研究中心举办了以“倾斜摄影技术在规划工作中的初步应用”为题的所室技术交流会,现将技术交流总结如下:


政策背景



2022年2月24日,自然资源部办公厅发文《关于全面推进实景三维中国建设的通知》(自然资办发〔2022〕7号),提出了“实景三维作为真实、立体、时序化反映人类生产、生活和生态空间的时空信息,是国家重要的新型基础设施,通过“人机兼容、物联感知、泛在服务”实现数字空间与现实空间的实时关联互通,为数字中国提供统一的空间定位框架和分析基础,是数字政府、数字经济重要的战略性数据资源和生产要素。实景三维中国建设是面向新时期测绘地理信息事业服务经济社会发展和生态文明建设新定位、新需求,对传统基础测绘业务的转型升级,是测绘地理信息服务的发展方向和基本模式,已经纳入“十四五”自然资源保护和利用规划。”

并明确了以下建设目标:“到2025年,5米格网的地形级实景三维实现对全国陆地及主要岛屿覆盖,5厘米分辨率的城市级实景三维初步实现对地级以上城市覆盖,国家和省市县多级实景三维在线与离线相结合的服务系统初步建成,地级以上城市初步形成数字空间与现实空间实时关联互通能力,为数字中国、数字政府和数字经济提供三维空间定位框架和分析基础,50%以上的政府决策、生产调度和生活规划可通过线上实景三维空间完成。

到2035年,优于2米格网的地形级实景三维实现对全国陆地及主要岛屿必要覆盖,优于5厘米分辨率的城市级实景三维实现对地级以上城市和有条件的县级城市覆盖,国家和省市县多级实景三维在线系统实现泛在服务,地级以上城市和有条件的县级城市实现数字空间与现实空间实时关联互通,服务数字中国、数字政府和数字经济的能力进一步增强,80%以上的政府决策、生产调度和生活规划可通过线上实景三维空间完成。”


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基本概念



1.技术发展

从古至今,地图的发展大致经历了三个阶段。古代,使用古地图和书画来表现,如以俯视和侧视相结合绘制的平遥县城邑图和以“散点透视法”摄取绘制的清明上河图等。进入到上个世纪,地图绘制从传统古老的计里画方制图法向现代的经纬网制图法转变,同时航天遥感制图技术开始出现,常见的有各类军事地图、70年代卫星影像等。现如今,随着低空无人机的广泛应用,倾斜摄影技术应运而生,即现在最常见的数字划线图和倾斜摄影模型。地图从二维走向三维,同时全面真实准确的反应现实世界。


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2.基本概念

DEM,即数字高程模型。是通过有限的地形高程数据实现对地面地形的数字化模拟(即地形表面形态的数字化表达),它是用一组有序数值阵列形式表示地面高程的一种实体地面模型。常见12米/30米DEM。数据精度一般、数据维度为三维、可视化较差、文件大小较小。

DOM,即数字正射影像图。是对航空(或航天)相片进行数字微分纠正和镶嵌,按一定图幅范围裁剪生成的数字正射影像集。它是同时具有地图几何精度和影像特征的图像。常见三调影像等。数据精度较高,如三调影像为1M分辨率;数据维度为二维影像、可视化较强、文件大小较大。


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DSM,即数字地表模型。是指包含了地表建筑物、桥梁和树木等高度的地面高程模型。和DEM相比,DEM只包含了地形的高程信息,并未包含其它地表信息,DSM是在DEM的基础上,进一步涵盖了除地面以外的其它地表信息的高程。数据精度较高,数据维度为三维、可视化较差,不具有纹理信息;文件大小适中。

DLG,即数字线划地图。是对经过扫描,几何纠正后的每幅图中,将其中一种或多种地图要素进行矢量化而形成的一种矢量化数据文件。其数据量小,便于分层,能快速生成专题地图,所以也称作数字矢量专题信息。是目前规划工作中应用最广泛的地图底图。数据精度较高、数据维度一般为二维地图、可视化较差、文件大小很小。


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倾斜摄影技术是国际摄影测量领域近十几年发展起来的一项高新技术,该技术通过从一个垂直、四个倾斜、五个不同的视角同步采集影像,获取到丰富的建筑物顶面及侧视的高分辨率纹理。它不仅能够真实地反映地物情况,高精度地获取物方纹理信息,还可通过先进的定位、融合、建模等技术,生成真实的三维城市模型

特点一:反映地物周边真实情况
相对于正射影像,倾斜影像能让用户从多个角度观察地物,更加真实的反映地物的实际情况,极大的弥补了基于正射影像应用的不足。
特点二:倾斜影像可实现单张影像量测
通过配套软件的应用,可直接基于成果影像进行包括高度、长度、面积、角度、坡度等的量测,扩展了倾斜摄影技术在行业中的应用。
特点三:建筑物侧面纹理可采集
针对各种三维数字城市应用,利用航空摄影大规模成图的特点,加上从倾斜影像批量提取及贴纹理的方式,能够有效的降低城市三维建模成本。

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技术流程




1.数学基础

1)空间坐标系
地理坐标系:数据生产中球面坐标系采用WGS84地理坐标;
平面坐标系统:我国平面坐标主要是CGCS2000 投影坐标系统。
2)高程基准
三维实景模型成果高程基准一般采用1985国家高程基准。
3)地图投影
平面投影采用高斯-克吕格投影,按3°带分带计算。
4)数据格式
实景三维模型数据输出格式采用OSGB、OBJ、3Dtiles等格式。

2.勘察阶段

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3.飞行设备选择

目前,云顶国际线路快速检测中心配备了经纬M600 pro及精灵4 pro无人机,可依据测区实际需求灵活选择设备。经纬M600 pro具有载重能力强、抗风能力强、作业效率高等特点,适合1平方千米左右的项目使用。一般飞行高度为80-120米,进行1-1.5cm分辨率图像获取。精灵4 pro具有自重轻、灵活性好等特点,适宜0.25平方千米左右小范围项目使用,同时可进行低空近地飞行以及对塔状建筑环绕飞行,可满足高精度建模需求。



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4.分区划分

根据项目区实际地形及建筑物高度情况,可设置不同参数对测区进行分区飞行。


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 5.航飞方案确定

对设备、飞行高度、重叠率、飞行速度、外扩距离等参数进行确定,划定航线。


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6.像控点布设

根据项目实际需求,需在飞行前进行像控点的布设和坐标采集。


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7.倾斜摄影技术短板

1)远看逼真、近地模糊

无人机在低空影像采集过程中,由于存在相机盲区,容易造成建筑沿下模糊的现象,需使用带有GPS定位功能的手机、相机等在地面对建筑沿下进行补充拍摄。同时由于地面存在车辆、人员走动,地面纹理不固定,依造成地面模糊的现象。倾斜摄影模型本质为TIN模型,无法对树木等不规则物体精确建模。综合以上原因,使得倾斜摄影模型会出现近地模糊的现象。


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2)连续肌理破洞

由于倾斜摄影模型是基于照片进行建模,实际项目中,在遇到大水面、连续农田、树林等纹理近乎一致的情况时,计算机无法进行空中三角形测量计算,这样就会导致生成的模型在大水面、连续农田、树林等情况时会出现模型破洞的情况。

图为基于45张手机拍摄照片生成的云顶国际线路快速检测中心城乡发展研究中心小会议室模型,由于会议桌、墙面、地面为连续近似纹理,模型出现了大规模破洞。而党建墙、书架、顶棚因为纹理信息丰富,模型进行了很好的构建。


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项目应用



在国土空间规划“五级三类四体系”的框架下,全国、省、市级总体规划主要依托DEM、DOM等进行工作。而在市级、县级、乡镇级总体规划、面向建成区内部的存量规划、各类详细规划以及专项规划中,都可进行倾斜摄影技术的应用,为规划工作提供真实、准确的规划底图。同时,在编制审批体系和实施监督体系方面,也可运用倾斜摄影技术对政府治理能力现代化提供技术支撑。


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 云顶国际线路快速检测中心城乡发展研究中心自2018年配备无人机以来,倾斜摄影技术在各类型项目进行了广泛的应用。2018年,平遥田园综合体项目中,运用倾斜摄影技术对规划范围内所有村庄进行了历史文化资源的普查;在六河村人居环境整治以及实用性村庄规划项目中,运用倾斜摄影技术对村庄及周边环境进行了三维重建,为人居环境整治效果、规划高度管控等提供了模拟底图;在大阳泉村保护实施规划、景观设计项目中,运用倾斜摄影技术对村庄核心区进行了三维重建,为各类要素保护、景观设计提供了分析底图。2019年,在平遥国际工作坊 县衙街区城市更新工作中,运用倾斜摄影技术对平遥古城县衙街区进行了三维重建,为历史建筑三维建档、国际团队交流沟通提供了极大的便捷。2021年,经纬M600 pro无人机的配备,飞行能力得到极大的提升。在介休历史建筑普查中,运用倾斜摄影技术对整个介休古城进行了三维重建,为历史建筑普查和建档工作提供了工作基础;同时在太谷区、平遥县、榆社县、代县等地区村庄规划、汾河廊带概念规划等项目中也进行了广泛应用。于此同时,2021年5月,云顶国际线路快速检测中心成功申报住房和城乡建设部科研开发项目“基于倾斜摄影技术的历史文化名城街区动态监测技术研究——以平遥古城为例”,标志着云顶国际线路快速检测中心倾斜摄影技术从传统规划编制应用走向规划实施与管理层面的跨越。


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