倾斜摄影测量技术在乡村数字化治理中的应用

穆 星

(中色蓝图科技股份有限公司,北京 101300)

0 引言

乡村数字化治理是农村现代化建设的重要组成部分,传统的综合治理平台多以区域矢量图和卫星影像等二维空间为主,目前部分企业开发了三维可视化平台,应用传统技术如3dMaxCADRevit等进行建模,需要大量人工参与,制作周期长,纹理与实际效果偏差较大,无法实现全真实可视化管理。而乡村数字化治理环境千差万别,需要真实还原乡村实况,以便进行决策管理[1-3]。

倾斜摄影测量技术使用多相机从不同角度获取影像数据,可以高效、准确地获取三维信息,具有自动化程度高及成果信息丰富等特点,被广泛应用于监测与变形分析、旧城改造、辅助古建筑物数字化保护与文化遗产传承等方面。本研究基于倾斜摄影测量技术建立乡村实景三维模型,研发了三维可视化综合管理平台,通过接口调用实景三维模型,实现实景三维模型应用及乡村管理等多种功能,研究结果对提升乡村管理能力、推动乡村治理体系现代化发展具有一定的参考价值。

1 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,改变了传统航拍技术的限制,有效提高了三维模型生产效率,可更加清晰地反映地面实物的实际情况,大幅度降低三维建模数据的获取时间、人力及经济成本。图1所示,PP′为相机主光轴,ON为被摄点的垂直与地平线方向,t为PP′与ON的夹角,当倾斜角度5°30°时,为高度倾斜影像[4]。

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

2 影像数据采集及实景三维模型的重建

2.1 作业区概况

实验测区为浙江省某乡村,常住人口约2500人,是一个聚居式的红色旅游示范村,有着独特的山水风光及生态优势。拟利用物联网、大数据等技术打造“乡村大脑指挥驾驶舱”,实现对该村的农业、生态环境、事件等相关数据可视化及一体化管理,形成覆盖乡村的活地图,助力生产方式升级、治理模式创新及生活方式改善,打造区域乡村数字化治理样板。拟基于无人机倾斜摄影测量技术建立测区实景三维模型,开发三维可视化管理平台实现相关功能,在实景三维模型基础上进行综合分析,整体技术流程如图2所示[5]。

图2 整体技术流程设计Fig.2 Overall technical process design

2.2 倾斜摄影影像数据采集

外业影像数据采集应用大疆悟2进行获取。大疆悟2无人机相机角度分为下视与侧视两种方式,下视云台角度设为90°,侧视角度为45°,分别从房屋的东西南北及顶视方向拍摄,主要参数如表1所示。

表1 悟2参数

应用大疆悟2无人机进行影像数据采集时需应用大疆智图软件制定航线计划,根据采集区域的实际情况制定适合的采集计划,如航线规划、高度、速度、采样时间、传感器参数等。航线规划的关键是在保证影像覆盖全面的同时尽可能避免掉线或拍摄死角。需进行像控点数据采集并对无人机及设备进行安全检查,执行数据采集,按照制定好的航线计划进行影像数据采集。

2.3 实景三维模型的重建

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,生成实景三维模型,如图3所示[6]。

图3 倾斜摄影实景三维模型Fig.3 3D model of tilted photographic reality

3 乡村数字化治理综合平台的设计

使用SuperMap SDX+空间数据库引擎、SuperMap iServer 10i服务器实现地理空间服务发布,通过SuperMap iClient3D for WebGL API接口加载测区实景三维模型,建立基于B/S架构的综合治理平台,实现三维模型的格式转换、场景加载及空间数据管理[7-8]。

将Context Capture Master软件建立好的实景三维模型保存为*.osgb格式,并在SuperMap平台上对该格式模型进行转换,得到*.scp格式文件,三维模型进行格式转换及配置文件生成后,在SuperMap iDesktop 10i软件中新建三维球面场景加载实景模型,压缩三维场景并生成场景缓存文件*.S3M,生成场景缓存,使用SuperMap SDX+空间数据库引擎管理空间数据,使用SuperMap iServer 10i服务器实现地理空间服务,发布三维服务。如图4所示。

图4 数字乡村综合治理平台Fig.4 Digital rural integrated governance platform

主要实现功能包括:①实景三维模型管理。实景展示。通过倾斜三维模型提供真实、方便、直观的乡村实景信息,通过旋转、缩放等得到测区真实的地形、交通、建筑等。量测分析。在实景三维模型上对建筑物、道路、树木、土地等进行测量,获得相应的高度、宽度、面积、体积等数据。规划设计。在实景三维模型上对道路、绿化、水系等进行分析、规划及模拟,将规划结果进行可视化展示,并进行评估及分析。例如,通过模型分析山地与水系的位置、高度、坡度等指标,支持乡村旅游规划及生态保护。通过模型分析道路的宽度、长度、交叉口密度等指标,支持交通规划及道路设计。通过分析建筑分布、使用情况、居住环境等指标支持住房规划及房屋设计。②乡村管理。主要包括以下几方面:a.农业管理。土地管理:实时展示村庄所在地的土地资源及农业发展情况,对村庄所有土地建立地籍管理信息,实时进行查询。地力管理:利用传感器分析土壤与底层植被等数据,对农田生态环境进行实时监测及评估。农业气象预测:发布当地气象情况,根据气象预警发布相关通告,以便及时采取应对措施。病害种植管理:当地农业农村局根据季节和气候变化及当地主要种植农作物发布病虫害防治建议。b.农村管理。基层党建:主要管理本地区基层党建工作,包括党员工作、党务工作、联系群众、党建宣传等。扶贫监测:主要对精准扶贫的扶贫文件及具体扶贫信息进行展示,包括扶贫数据的采集、帮扶管理、产业发展分析、政策宣传等。农科展示:对优秀农产品、新型经营主体、农户进行宣传及推介。c.农民管理。包括农户基本信息录入、农人圈互动交流、村民组织活动发起、在线发布需求等。③大数据可视化分析。对应用平台中涉及的农业、农村、农民指标进行数据挖掘及统计分析,以雷达图、柱状图、折线图等多维图形直观展示三农大数据。

4 结束语

介绍了倾斜摄影测量技术原理、步骤,探究了其在乡村数字化治理中的应用。结果表明,将倾斜摄影测量技术应用于乡村数字化治理三维可视化平台中可为乡村规划、监测、管理等提供直观的数据支撑,提高信息获取精确度及时效性,对决策分析及实践制定具有重要的参考价值。