航空摄影测量技术在规划设计教学中的实践和应用

王琳 刘元锋 董娇娇 朱秀云

(华侨大学建筑学院 福建厦门 361021)

航空摄影测量技术在规划设计教学中的实践和应用

王琳 刘元锋 董娇娇 朱秀云

(华侨大学建筑学院 福建厦门 361021)

介绍了无人机航测系统的发展状况，按照无人机航测的基本工作流程介绍了航空摄影测量这种新兴的空间信息采集技术在规划设计教学中的应用状况，讨论的内容包括航测软硬件的发展状况，航测外业工作流程，各种航测数据的特点与应用，并着重介绍了三维Mesh模型及其后期编辑对规划设计教学的意义。

无人机;摄影测量;规划设计教学;地理信息系统

0 引言

航空摄影测量作为一种重要的空间信息采集手段能为城乡规划专业的空间分析和设计教学提供重要的数据支持。随着无人机硬件成本降低和摄影测量软件普及，非测绘专业的建筑院校师生也能掌握基于无人机技术的空间信息采集手段，通过简单的航线规划和航片处理生成高精度DEM/DSM(数字高程/表面模型)，DOM(数字正射影像)和Mesh实体模型等数字测绘产品。数字摄影测量工作站的后处理功能可以进一步对Mesh模型进行修饰、替换以及单体化等操作。在空三成果的基础上，还能进一步提取高精度DLG(数字线划图)数据。这些矢量线划数据可以直接导入AutoCAD中，为传统的规划设计教学提供重要的数据基础。不仅如此，航空摄影测量软件生成的栅格数据(例如DEM和DSM)和矢量数据(DLG转换成的SHP文件)均能导入到ArcGIS等地理信息系统软件进行城镇空间分析的教学实践。而近年来逐渐流行起来的Mesh实体模型能够让设计人员更直观、形象地体验城镇三维空间，通过专业的Mesh模型编修程序(例如DP-Modeler)甚至能把实体模型修改、替换成人为设计成果，使最终设计方案能更合理、和谐地融入周围地理环境中，这也正是“Geodesign”(地理设计)的重要设计理念。总之，高效易用的新兴航测软件使建筑院校的师生也能跨越专业门槛，快速生成数字测绘产品。

随着无人机硬件和航测软件的普及，这种新兴的城镇空间信息采集手段能在建筑院校的设计教学中发挥出更大作用。从前期的航线规划到数字测绘产品的生产再到模型整饰和空间分析均能强化师生对地理空间的认知和理解，为科学合理的设计方案奠定重要的数据基础，使定量化的地理空间分析可以更好地与设计方案结合。本文将按照航空摄影测量的基本工作流程，如图1所示，具体论述各个工作环节和各种数据类型对城乡规划设计教学中的重要作用和意义，并进一步展望这种新兴的空间信息采集手段在规划设计教学中的应用前景。

图1 航空摄影测量应用于规划设计教学的基本工作流程

1 无人机硬件与航测软件的发展现状

目前航测用无人机主要分为固定翼和多旋翼两种。固定翼无人机具有续航时间长、飞行效率高、载荷大等优点，但对净空条件要求高，必须从开阔场地起飞和降落，而且无法实现空中悬停。多旋翼无人机机械简单，能垂直起降，缺点是续航时间短，载荷小，所以固定翼无人机更适用于大面积的航测作业，多旋翼适用于小面积的精准作业。无人机航空摄影测量系统是由软硬件两部分组成，其中硬件部分主要由飞行平台、相机和控制系统构成，软件部分由飞行控制软件和地面监控软件构成[1]。飞行平台提供飞行动力系统，通过搭载不同的云台来完成地面视角无法实现的拍摄工作；相机则承担整个过程的数据获取工作，通过承载不同类型的传感器来获取不同分辨率的地表影像。这些传感器可分为摄影类型、扫描成像类型和雷达成像类型以及非图像类型。控制系统是无人机的飞行控制重心[2]。控制系统的硬件部分主要以信号传递设备和定位设备为主，例如地面站笔记本、微波接收器、遥控器、飞机天线、GPS定位芯片等等。无人机在飞行过程中的导航定位和拍摄动作主要靠飞行控制系统完成(例如引导无人机按照预设航线自动飞行，控制飞行姿态和轨迹、在危险情况下紧急回避和自动降落等)。

无人机航测系统的软件部分主要由地面站的飞行控制软件和地面监控软件组成。如今这两个功能也完全可以在一个软件中实现，能在无人机起飞前进行航线规划，在无人机飞行过程中实时显示飞行器的航线、轨迹、姿态以及其它设备参数和测区地图。飞行过程中的所有设备参数和导航数据可以实时下传到地面站，操作者可以通过航迹规划和路径调整等方式控制无人机的飞行任务[3]。无人机自动获取的带有POS信息的航空照片可以通过数字摄影测量软件自动处理生成各种测绘数据成果，目前应用比较广泛的航测软件有：

(1)ERDAS LPS 数字摄影测量系统

LPS(Leica Photogrammetry Suite)是徕卡公司推出的数字摄影测量及遥感处理软件系列，除了常规遥感卫星影像以外，还可以处理各种数码相机采集的航空影像。它可以完成各种传感器的影像定向、空三加密、以及制作正射影像图等工作。该系统在保证精度的前提下，采用较少人工干预的分布式并行计算，来提高数据生产的效率[2]。

(2)INPHO 摄影测量系统

INPHO 摄影测量系统在世界范围内应用十分广泛。20世纪80 年代的时候，该系统由著名的摄影测量专家学者 Fritz Ackermann教授创立。INPHO支持各种扫描框幅式相机、数字CCD相机、自定义相机、推扫式相机以及卫星传感器获取的影像数据的处理，模块化的产品体系使INPHO 产品能极为方便地整合到其他工作流程[2]。

(3)Virtuo Zo 全数字摄影测量系统

Virtuo Zo 全数字摄影测量系统是适普软件有限公司与武汉大学遥感学院共同研制的全数字摄影测量系统。该系统可以提供流程化的解决方案，包括自动空三加密及制作不同比例尺地形图等工作。其它的国产航测软件还有中国测绘科学院研发的MAP-AT和Pixel Grid。这些软件的制作成本较低,使用方式灵活，具有友好的用户界面、稳定快速的匹配算法、高度自动化的测图方式和生动的三维立体景观显示，同样在行业内得到广泛应用[2]。

(4)Smart 3D实景建模大师

Smart 3D(被Bentley公司收购后更名为ContexCapture)实景建模大师，是一套集合了高端数字影像、计算机虚拟现实以及计算机几何图形算法的全自动高清三维建模软件解决方案。该软件使用从不同角度拍摄建模主体的数码照片作为输入数据源，加入各种可选的处理参数，无需人工干预，生成的三维网格模型能够准确细致地重现建模主体的真实色泽、几何形态及细节构成。应用于无人机航测系统时同样可以生成各种传统测绘产品和细节丰富的Mesh地面模型。这种基于计算机视觉和图像识别技术的航测软件近年来得到很好的发展和推广，被广泛应用于城乡规划、建筑设计，工程施工、科学分析以及文化遗产等领域。其它具有类似功能和设计原理的软件还有瑞士的Pix4D，俄罗斯的Photoscan以及空客(Airbus)公司的街景工厂和像素工厂。

2 航线规划与航测数据的应用

2.1 航线规划

航线规划是航测工作的第一步，以德国Microdrones公司的MD-1000型四旋翼无人机为例，其航线规划软件mdCockpit3.5的工作流程大致如图2所示。

图2 mdCockpit软件的基本航线规划流程

航线规划过程的参数设置会影响航拍效率和拍摄效果，除了固定的相机参数之外，很多参数的设置需要根据测区环境和飞行经验进行设置。例如，创建航线网格时，重叠率的设置关系到航测结果的精度：重叠率越大，建模越真实。规划设计中可以根据项目类型的实际需求设置叠片率的大小。

2.2 航测数据成果的应用

航线规划和航测数据的自动化生产应当结合规划设计教学的前期调研来进行，其主要目的是获取目标区域的基础地理数据，在实地调研和航测外业过程中加深对设计片区的空间特性及其它社会属性的理解和认知。主流的航测软件系统可以通过简单的参数设置完成空三加密，并进一步生成测绘成果如表1所示，这些数据产品对规划设计教学的各个环节都能发挥重要作用。

表1 航测数据成果及其对规划设计教学的意义

(1)DSM(数字表面模型)和DEM(数字高程模型)

数字表面模型和数字高程模型均为地表模型，其区别在于是否有地物高程。在数字表面模型基础上减去植被、建筑等地物即是数字高程模型。在规划设计教学中可以结合ArcGIS的栅格分析功能进行城市空间分析。例如，可以对DEM数据进行表面特征(等高线、坡度、坡向等)提取以及水文特征分析，然后应用于规划区水土流失敏感性、城市建设适宜性、建设用地布局合理性的分析[3]。通过叠加一个城市的公共交通和私人交通信息，DEM/DSM数据还能用来评估一个城市的交通便利程度[4]。另外，数字高程模型还可用于绘制立体透视图，在规划设计表现中更好地反映地形的立体形态，直观地展现规划设计的效果[5]。

(2)数字正射影像(DOM)

数字正射影像具有信息量大、精度高、色彩逼真、空间定位精确等优点，可以弥补传统规划设计中调研信息不足的缺陷。例如，无人机航测获取的正射影像图可用于更新甲方提供的CAD等矢量线划数据，以提升数据的现势性和空间精度[6]。传统规划设计教学中，地形图往往从谷歌地球及现有CAD图中提取，存在精度不够、地物更新滞后、以及缺少坐标参照等问题。利用DOM更新地形图，具有周期短、节省人力物力、作业快捷易懂等优点。此外，利用DOM可以快速提取、更新三线数据(道路、铁路、河流)等其它基础地理信息[7]。通过叠置对比不同时期的正摄影像图，还可以观察城市发展历程，了解城市空间形态的演变以及土地利用的变化。对于城中村等变化较多且细微的地区尤其适用。此外， DOM也可直接用作背景图，进行设计方案的范围标定、面积计算等，或者叠加线划图、文字等信息，方便规划师生更加全面、直观地了解设计地块[7]。

(3)数字线划图(DLG)

数字线划图是传统规划设计教学使用的主要数据，贯穿整个规划设计流程。对线划图的使用包括从CAD软件中获取平面图、立面图、剖面图，导入SU等人工建模软件建立项目模型，导入GIS软件进行空间分析以及导入PS软件中进行平面图、效果图的绘制和修饰等。数字线划图无法由航测软件自动生成，需要在空三结果或者mesh模型的基础上提取，一般使用立体采集设备人工提取。这种传统采集方法的效率较低，而且技术培训门槛较高。近来也有一些软件(例如后文提到的DP-Modeler，其工作流程和测图成果如图3所示，可以直接利用空三结果从原始航片上提取数字线划信息，并实时保存地物要素的空间关系和基础属性信息，一定程度上提高了采集精度和工作效率。

(4)Mesh模型

Mesh模型是近年来逐渐普及的一种地物实体模型，可将目标区域的场景进行真实还原，生成纹理细节丰富、空间定位精准的三维实体模型。Smart3D、Pix4D等基于计算机视觉原理的多视角航测软件能自动从倾斜航片或近景数码照片中匹配特征点并生成密集点云，然后基于一定的算法生成不规则三角网模型。

基于无人机航片生成的Mesh模型无需人工干预，快捷高效，能第一时间构建规划片区的真实地物模型。这对于城中村等构造复杂、人工建模难以处理的地块作用尤为显著。这种包含丰富地块信息的Mesh模型在规划设计中能发挥重要作用。例如可以直接从Mesh模型中提取并测算道路、建筑、地块及等矢量地物信息；通过简单的三维浏览可以从天空视角直观体验规划区的结构和布局；利用DP-Modeler等Mesh模型编辑软件甚至能进一步修饰、替换实体模型，把设计理念融入实体模型中，便于设计前后及不同方案间的对比。

3 Mesh模型的人工修编与设计出图

Mesh模型的编辑方法正在不断发展和完善，目前市场上专门针对航测Mesh模型进行编修的商业软件寥寥无几。本文重点介绍武汉天际航科技有限公司研发的Digital Photo Modeler (以下简称DP-Modeler)，该软件能够针对航测Mesh模型进行人工编修、单体化及矢量测图，这些功能对规划设计工作均有重要意义。

3.1 Mesh模型的编辑和测图工作流程

由倾斜摄影自动建模软件生成的Mesh模型不仅数据量庞大，而且有不同程度的畸变、失真，还无法实现地物单体化，因此难以直接应用于规划设计。需要对Mesh模型进行后期的人工修编和矢量信息提取以及单体化等操作，才能最大限度地发挥出地物实体模型对规划设计的意义。利用DP-Modeler对Mesh模型进行人工编修以及基于空三成果进行航片测图的基本工作流程如图3所示。

图3 Mesh模型的人工修编及测图工作流程

经过DP-Modeler编修后的Mesh模型可以实现以下几个方面的改进：首先，可以对模型信息的缺失或者错误进行修补。例如纠正建筑的几何变形、删除悬浮物、还原丢失部件等。对于一些结构比较复杂的模型，还可以采取与3Dmax联动的方式，来实现模型的精细化修补，达到后期三维GIS应用的要求。其次，可以对材质贴图出现的模糊或被遮挡现象进行完善。这主要通过两种方法来实现，一是选用效果较好的倾斜影像对被遮挡立面进行重新贴图。二是利用PS联动进行图片修改或替换。最后，可以实现建筑等地物的单体化。将重建的obj或ive格式的建筑单体模型导入Mesh模型中，再将Mesh模型所对应的建筑单体踏平，便可在周围地物信息不发生改变的基础上，对Mesh模型进行局部替换和更新。Mesh模型建筑单体化的实现对规划设计方案的人工干预和成果比对具有重要意义。

3.2 Mesh模型人工修编的意义

人工编修后的Mesh模型具有更简化的结构和更准确的材质，并实现人工建模对Mesh实体模型的替换和更新。能在以下4个方面对规划设计教学发挥重要的作用：

(1)为规划设计工作提供前期调研资料和观感

人工编修后的Mesh模型能为规划设计提供第一手的调研资料和真实的地理信息模型。设计师能随时查看Mesh模型，通过直观反复的视觉体验，加深对设计区内地物空间的理解。通过DP-Modeler的测图功能，提取出规划设计需要的数字线化图(DLG)。可以直接对房屋矢量、点状地物进行测算，包括对高程点和等高线进行提取，并对相关地物赋予CASS地物编码，便于后期的分析和制图。

(2)与GIS和建模方案结合，对规划设计成果进行动态评估与即时反馈。

凭借建筑单体化和模型信息的完善，可以将3Dmax、Sketchup等人工建模软件完成的规划设计模型导入Mesh模型中，结合周围的地理环境，提取新的空间地理信息，再利用GIS重新进行空间分析，对规划设计方案进行实时的动态分析与影响评估，从而帮助设计者在多种可能性的规划设计方案中评选出最优的方案。这种新的规划设计手段，有助于实现地理设计理念在城乡规划中的应用。为旧城更新、社区营造等规划问题提供一种新的解决途径。

(3)进行方案的成果评估

对已经建设实施的规划方案，可以通过模型编修对相关数据进行分析和处理。为规划实施方案的及时调整和修编提供合理全面的参考依据。为规划实施后的空间动态进行跟踪评估、数据分析和方案优化。对建成方案的效果评估也有助于为今后类似的规划设计提供参考。

(4)服务于数字城市建设

数字城市是指利用数字城市理论，基于现代测绘技术，开发和应用三维空间信息资源，建设可服务于城市规划、建设和管理，有助于政府、部门、企业、公众的可持续发展的信息基础设施和信息系统[8]。人工编修后的Mesh模型可以通过地理信息发布平台上传，进行资源共享。促进数字城市的建设和实施，最大限度地发挥出航测成果的应用价值。

3.3 与传统设计出图方案的对比

传统的规划设计出图方案主要是先通过前期的人工调研收集各种资料、数据或调查问卷，然后对各种资料进行整理和分析后，利用SketchUP和3Dmax等设计、建模软件来完成最后的方案设计和出图。这种方法在前期调研中会消耗大量的人力物力，效率低下，特别是难以获取设计片区的空间信息和地物属性。在运用SketchUP和3Dmax等软件绘制设计方案时，往往将设计对象与周围环境分离开来作为单独个体处理，这导致最后设计成果与实际环境脱离的情况。在规划设计方案的评选方面，传统方法都是基于评选者的个人经验对方案进行分析预测，主观因素影响很大，难以做到全面、理性地对方案进行筛选。在成果展示方面，传统方法往往在一种虚拟的人为空间环境中展示设计理念，同样具有一定的片面性。

与传统规划设计流程相比，基于航空摄影测量技术的规划设计方案在前期调研过程就能快速全面地获取规划设计需要的各种空间数据。再结合社会属性的调研工作，在设计阶段就能掌握大量的空间信息和地物属性，使设计方案不断优化。在设计成果的展示方面，无需过多的图纸和文本资料，基于Mesh模型的规划成果展示，可以提供形象直观的视觉效果，即使是非专业人员也能看懂和理解，为公众参与规划提供了有利条件。甚至在方案实施以后，仍能为规划管理服务。因此，基于航测技术的规划设计方法不仅能贯穿城乡规划的完整设计和管理流程，而且与传统方法相比也有明显优势，如表2所示。

表2 航测数据与传统数据比较

4 结语

综上所述，无人机航测技术的发展和流行，为城乡规划设计教学提供了一种新兴的地表信息采集手段。尽管它难以替代规划前期社会属性的调研，但对于设计片区空间信息的高效获取具有重要意义。有了这种技术的支持，规划专业的师生在设计教学过程中就不必再担心设计素材的缺失，CAD数据的陈旧、单调，也不用再为各种城镇空间的尺度、布局的认知而困惑。航测技术所提供的丰富数据产品能进一步与地理空间分析结合，借助GIS软件强大的矢量、栅格数据的分析功能，及时掌握规划片区的各种统计、测算成果。丰富的定量分析成果能让设计师更好地把握设计方案的科学、合理性。不仅如此，包括Mesh模型在内的航测数据成果能让设计方案的表达、出图方式更加丰富多样，便于设计前后和设计方案间的对比。Mesh模型的编修、单体化等操作能将设计师的设计方案与地理环境融为一体，实现“地理设计”的和谐共存理念。完善的模型成果、丰富的地理空间数据连同规划师的人工设计方案甚至对数字城市建设以及规划方案的实施、管理及公众参与都有重要意义。

目前航空摄影测量的操作门槛已有很大程度的降低，但这种技术手段毕竟来自不同的学科门类。其间各种算法的选择、参数的设置以及数据格式的转换仍然具有很强的专业性。要想与规划设计教学更好地结合，需要规划专业师生熟练掌握几种航测软件，并具有一定的无人机操控经验。另外，根据国家民航局的规定，无人机的外业操作将更加规范，需要持有无人机驾照的专业人士才能进行操作。更加严格的立法以及专业无人机的价格门槛也在一定程度上限制了航测技术在规划设计领域的普及。随着航测技术门槛的进一步降低、软硬件成本的持续下降以及空管方案的日益深入人心，这种高效、经济的新兴空间信息采集技术将会在规划设计教学中发挥更大的作用，并培养出跨越地理信息采集和城乡规划行业的复合型人才。

[1] 樊江川.无人机航空摄影测树技术研究[D].北京：北京林业大学，2014.

[2] 张文博.无人机航测技术在土地综合整治中的应用研究[D].长沙：长沙理工大学，2013.

[3] 吕春英,佟庆远,李王锋,等.数字高程模型(DEM)的构建及其在城市规划中的应用[A].中国科学技术协会.提高全民科学素质、建设创新型国家——2006中国科协年会论文集(下册)[C].中国科学技术协会,2006:5.

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The practice and application of aerial photogrammetry in the education of urban planning design

WANGLinLIUYuanfengDONGJiaojiaoZHUXiuyun

(College of Architecture,Huaqiao University, Xiamen 361021)

Beginning from recent development of UAV (Unmanned Aerial Vehicle) aerial photogrammetry system,this work introduces the application of this new-born spatial information collection technology in the teaching process in urban planning design according to basic workflows of UAV photogrammetry.The content involved includes recent process on hardware and software platform of UAV photogrammetry,workflows of field process,features and applications of various photogrammetry data products.The significance of 3D Mesh models and its post editing to the design education is emphatically introduced as well.

UAV;Photogrammetry;Planning Design teaching;GIS

国务院侨办课题(11Y0284*)

王琳(1981.2- )，男，讲师。

E-mail:wanglin1981@foxmail.com

2017-01-13

TU198+.3

A

1004-6135(2017)03-0115-06