低空倾斜摄影测量技术在旧城改造中的应用

贾宗宝,李睿智

(河北省地质矿产勘查开发局第八地质大队,河北 秦皇岛 066000)

0 引言

旧城区作为城市的历史遗产、文化记忆及城市形象的重要组成部分具有独特的价值及潜力,部分建筑需要保留并对其进行改造及重建,以提升城市形象,改善居住环境,保护文化遗产,增强城市韧性,提升居民生活质量。旧城改造离不开前期测量,改造测量可以全面了解其环境特征及资源分布情况,为规划设计与合理利用及保护自然资源提供基础信息。但传统的测量方法(如全站仪测量、三维激光扫描仪)往往受限于时间、成本及数据质量等因素,故低空倾斜摄影测量技术成为一种重要的测量手段。其使用无人机搭载倾斜摄影设备,将高分辨率的影像数据与精确的定位信息相结合,实现了对旧城区高效、准确的三维测量及建模,可获取详细的城市数据及信息,包括建筑物、街道、街角及其他地物形态、尺寸、位置等[1-2]。

为挖掘低空倾斜摄影测量技术在旧城改造中的应用潜力,分析其在违章建筑监测、城市规划设计及三维数字化管理等方面的具体应用,对实际案例进行数据采集及分析,探讨该技术在空间数据获取、准确定位及建模等方面的优势,为旧城改造项目的规划及决策提供参考。

1 低空倾斜摄影测量技术

无人机倾斜摄影测量技术是以无人机为飞行平台搭载多角度相机,通过航拍获取目标物清晰完整的影像数据,克服了传统航拍技术的限制,有效提高了三维模型生产效率,可以更加清晰地反映地面实物的情况,大幅度降低了三维建模数据的获取时间、人力及经济成本。低空摄影测量航高通常为100～1000 m,具有成果快、生产周期短、运作成本低、可操作性强等特点,在危险区域图像实时获取、土地变化监测、建筑物违章监管、环境监测及应急指挥等方面有着广泛应用。其系统组成包括两部分:①无人机飞行平台,包括数码相机及导航控制系统,用来进行数据采集。②地面站即地面控制系统,用来设计航线、控制无人机飞行及数据处理等。

倾斜摄影测量按照相机镜头数量可分为五镜头相机、四镜头相机、三镜头相机、双镜头摄像机及单镜头相机等,在无人机飞行标准中,航空摄像机的像素必须在3500万以上,本研究主要应用五镜头相机采集影像数据。

图1 倾斜摄影倾斜角度Fig.1 Tilt angle for oblique photography

2 影像数据采集及实景三维模型重建

2.1 作业区概况

实验测区为某市拟进行规划建设的乡镇,总占地面积约1.5 km2,主要以20世纪90年代居民楼及农民自建房为主,需对该区域进行改造,获取测区数据,为后期规划设计提供参考信息。拟应用无人机倾斜摄影测量技术建立测区实景三维模型,在模型基础上进行应用分析,整体技术流程如图2所示:

进行测区资料资料收集与分析,外业数据采集包括影像数据及像控点数据,数据采集完成后进行实景三维模型重建及应用分析。

2.2 倾斜摄影影像数据采集

结合测区实际情况,选择“混合翼无人机+五镜头倾斜相机”等搭载倾斜相机的方式获取倾斜影像,航向重叠度按优于80%设计,旁向重叠度按优于70%设计,无人机为飞马V100混合翼无人机,主要参数如表1所示[3]。

表1 飞马V100参数表

应用飞马控制系统制定航线计划,在数字地图卫星影像上确定合适的航点。航点的选择应充分考虑目标物体的形状、复杂程度及采集要求,保证航线覆盖区域全面高效。进行设备调试,将倾斜相机设备与无人机等载体平台进行连接,设置各项参数并校准,以确保设备正常工作及数据的准确性。执行飞行任务,无人机按照预设的飞行路径及高度飞行,倾斜相机自动采集测区倾斜影像数据。

2.3 实景三维模型重建

内业数据处理中,由于光影及采集时间等原因,需对影像数据进行预处理,使用Terra photo软件对机载激光数码影像进行匀光匀色处理,通过添加颜色点自动补偿大幅度的色彩变化进行整体色彩分配。实景三维模型重建使用Context Capture Master软件,添加要建模的照片及控制点信息文件,再进行刺点,输入外业实测的像控点坐标并进行POS解算。进行空三加密任务,包括提取连接点、匹配连接点、光束法区域网平差、创建区块提交空三任务。构建不规则三角网及模型纹理贴图,生成包含真实贴图信息的实景三维模型。建立好的测区实景三维模型如图3所示[4-5]:

图3 旧城区倾斜摄影实景三维模型Fig.3 3D model of slanting photography real scene of old city

3 低空倾斜摄影测量技术的应用

违章建筑监测。低空倾斜摄影测量技术可实现多角度的观测及分析,从不同角度及方向观察建筑物,更全面地了解建筑物结构及形态,识别出可能的违建部分,直观显示违章建筑的位置、规模及类型,为决策者提供直观、科学的依据,进一步加强违章建筑的监测及管理。违章建筑物拆除前后的实景三维效果对比如图4[6]。

图4 违章建筑拆除前后对比Fig.4 Comparison of illegal buildings before and after demolition

城市规划及设计。通过对旧城实景三维模型进行分析模拟,评估城市空间的使用及布局效果,优化道路网络及建筑物的位置与形状,实现城市规划的科学决策。还可进行景观设计,在旧城景观中添加植被、公共设施及文化元素,提升城市形象。将设计好的BIM道路模型导入到实景三维模型中,如图5[7]。数字化监测管理。低空倾斜摄影测量技术可通过数字化监测平台进行可视化展示及呈现。将实景三维模型与地理信息系统(GIS)相结合,在地图上直观地显示违章建筑的位置、规模及类型,提供相应的属性信息,快速准确地发现、定位及处理违章建筑问题,促进城市规划与管理的科学化、智能化发展[8]。将旧城实景三维模型与虚拟现实技术相结合,创造虚拟旅游、文化体验及教育教学等多样化应用,为人们提供丰富、全面的旅游文化体验。

4 结束语

旧城区建筑密集,乱搭乱建及相互遮挡严重,故建立的三维模型拉花、缺失、扭曲问题比较严重,需在航线设计、测量手段上进一步探究解决方案。可应用低空倾斜摄影测量技术,来为旧城改造的管控及评估提供依据。