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1、三维影像技术在美丽乡村规划过程中的应用三维影像技术在美丽乡村规划过程中的应用董萌,庞书经,李磊董萌,庞书经,李磊摘要摘要:十九大报告中提出坚持农业农村优先发展加快生态文明体制改革,建设美丽中国,贯彻新发展理念,实施乡村振兴战略。由国家质检总局、国家标准委发布的美丽乡村建设指南国标已正式实施。这一国家标准对当前全国各地正在大力推广的美丽乡村规划建设具有很强的指导意义。但美丽乡村规划实施过程中一直存在相应的难点,如何利用现有的高新技术手段为城乡规划服务是一个值得探讨的议题。通过使用无人机倾斜摄影技术获得三维影像模型,从而针对模型进行场地高程、坡度、坡向及汇水数据分析。同时,由三维影像模型导出的正射
2、图像可以辅助进行土地利用分析。以上两种先进的技术手段从根本上解决了美丽乡村规划过程中缺资料、少数据的尴尬处境,也证明三维影像技术可以在美丽乡村规划进程中进一步推广。关键词关键词:三维影像,航拍,无人机,乡村振兴,美丽乡村0引言引言十九大报告中提出坚持农业农村优先发展加快生态文明体制改革,建设美丽中国,贯彻新发展理念,实施乡村振兴战略。同时,由国家质检总局、国家标准委发布的美丽乡村建设指南 国标已正式实施。这一国家标准对当前全国各地正在大力推广的美丽乡村规划建设具有很强的指导意义。美丽乡村规划建设活动是推进推广生态文明建设的重要举措,在农村区域推进美丽乡村、美丽中国建设,是实现城乡一体化发展的有
3、效途径。但因村庄违章用地、地形地貌数据时效性差等问题的存在,美丽乡村规划过程中一直存在相应的难点,如何利用现有的高新技术手段为城乡规划服务是一个值得探讨的议题。倾斜摄影测量技术是一项近年来发展迅速的测量技术,该技术方法在三维建模过程中有广泛的前景,使用单/多台传感器从不同的角度进行影像数据采集,可以快速、高效地获取相关影像数据1。通过国内外开发的三维建模软件针对影像数据建模,从而获得三维影像模型。基于三维影像模型可获得较为精准的现状土地利用数据,并可针对三维模型进行场地高程、坡度、坡向及汇水数据分析,解决了美丽乡村规划过程中缺资料、少数据的尴尬处境。1无人机倾斜摄影技术无人机倾斜摄影技术1.1
4、 航空倾斜摄影技术航空倾斜摄影技术航空倾斜摄影技术可追溯到 20 世纪三十年代2,最早的技术应用范围仅限于军事侦察及救援等目的,步入 21 世纪后,随着计算机运算速度及能力的提升,通过计算机影像处理可以生成三维实景模型,使其逐渐发展为一项高新技术。相比于传统的人工建模方式,倾斜摄影建模技术具有高效率、高性价比等优势1,通过外业控制无人机航拍,随后内业进行照片建模,极大地简化了以往繁琐的测绘测量步骤,并且倾斜摄影建模具有真实的物理贴图,可针对模型进行更深入的分析。1.2 无人机选择及相关参数无人机选择及相关参数目前国内外市场具有多款倾斜摄影无人机,如 Swiss Dargon50、天途 M8FD
5、、红鹏 AC1200等,部分公司的无人机产品需搭配额外的倾斜摄像机使用。考虑到产品操作难易度及性价比,最终采用 DJI 大疆出品的精灵 PHANTOM 4 PRO 无人机。精灵 PHANTOM 4 PRO 相对于专业倾斜摄影无人机体形较小方便携带,不足之处是只有单摄像头,但可通过配有的三轴稳定云台实现多角度拍摄,得益于稳定云台控制系统,无人机拍摄照片效果较好。精灵 PHANTOM 4 PRO无人机详细参数如下表:表 1 精灵 PHANTOM 4 PRO 无人机参数3飞行器参数飞行器参数精灵精灵 PHANTOM 4 PRO重量1388 g最大水平飞行速度姿态模式:58 km/h最大上升下降速度5
6、3 m/s最大起飞海拔高度6000 m最大可承受风速10 m/s最大飞行时间约 30 分钟工作环境温度0至 40卫星定位模块GPS/GLONASS影像传感器1 英寸 CMOS 有效像素 2000 万照片尺寸3:2 宽高比:54723648图片格式JPEG;DNG(RAW)工作频率2.45GHz最大信号有效距离(2.4Hz)CE:3500 m最大信号有效距离(5Hz)CE:2000 m2航拍及三维模型生成航拍及三维模型生成2.1 实验区域概况实验区域概况为响应“实施乡村振兴战略,推进美丽乡村建设”专项行动,北京市延庆区将在 2017年至 2020 年期间,在全区范围内组织实施由中共北京市委办公厅
7、和北京市人民政府办公厅印发的实施乡村振兴战略、推进美丽乡村建设行动计划,该计划将分三个批次对区域内365 个行政保留村进行美丽乡村建设。到 2020 年,延庆区范围内 365 个行政保留村将完成美丽乡村规划。本次实验区域东桑园村即为延庆区第二批美丽乡村建设项目之一。东桑园村为延庆区大榆树镇下辖村,位于延庆市区东偏南 5.1 公里,镇中心区西南 3.5 公里处。村域面积约 1.89 平方公里,海拔 520 米,坐标为 402500.3N,1155927.8E。2.2 航拍及航线设置航拍及航线设置本次研究采用大疆公司出品的地面站 DJI GS PRO 软件控制无人机进行航拍。GS PRO 地面站软
8、件可以规划复杂航线任务,实现全自动航点飞行作业,其航拍测绘模式可以预先定制航线任务,根据预设定的飞行坐标以及飞行器相机参数执行航拍任务。GS PRO 地面站配合精灵 PHANTOM 4 PRO 无人机可获得较为良好的拍摄效果,地面站详细设置参数及截图如下:1)定位航拍目标坐标2)设定航拍高度、飞行速度及拍摄范围3)设定航线航向及相机倾角及多条航线规划4)航拍航线三维示意图图 1图 2图 3图 4根据实际拍摄情况可设定 1-5 条航线多角度拍摄,同时宜选择气象条件较好的时间航飞,正午时分地物影子较短,在正午前后集中拍摄对三维模型生成有较大帮助。2.3 三维影像模型生成三维影像模型生成本次研究采用
9、法国 Acute3D公司出品的 Smart 3D Capture 软件作为三维模型生成工具。Smart3D Capture 解决方案通过对倾斜摄影照片进行空间三角运算,可得到多种格式的模型,如 OBJ 三维模型、DOM 正摄影像、DSM 数字地表模型及 OSGB 倾斜摄影数据等。Smart 3D Capture 模型浏览工具,包含简单的量测、分析等功能,如果需要针对三维模型进行更深度的分析则需要借助其他专业软件。Smart 3D Capture 三维模型生成流程示意如左图表:经过 Smart 3D Capture 空三运算,最终获得 OBJ 三维模型,模型渲染图如图下:图 5 OBJ 三维影像
10、模型2.4 基于标准差的模型精度评定基于标准差的模型精度评定为检测三维模型精度,在航拍的同时使用手持 GPS 设备进行控制点测量,考虑到场地范围,选择 55 处标志性建筑及构筑物作为控制点,控制点坐标数据如下表:表 2 控制点三维坐标类型类型经度经度纬度纬度高程高程(海拔海拔)控制点 1115 deg 58 38.03 E40 deg 24 28.64 N509.2 m对照点 1115 deg 58 38.15 E40 deg 24 28.63 N509.0 m控制点 2115 deg 58 41.67 E40 deg 24 28.98 N509.7 m对照点 2115 deg 58 41.6
11、1 E40 deg 24 28.90 N509.9 m控制点 3115 deg 58 46.38 E40 deg 24 29.45 N509.6 m对照点 3115 deg 58 46.29 E40 deg 24 29.35 N509.6 m控制点 4115 deg 58 51.00 E40 deg 24 29.90 N509.7 m对照点 4115 deg 58 50.92 E40 deg 24 29.87 N509.5 m控制点 55115 deg 58 31.50 E40 deg 25 27.28 N500.3 m对照点 55115 deg 58 31.39 E40 deg 25 27.
12、27 N500.4 m对控制点与对照点坐标及高程采用标准差(Standard Deviation)计算数据离散程度,计算公式下:算式中表示标准差计算结果,r 表示方差,N 表示样本总数,xi表示样本数据。经过数据代入计算,得到经度、纬度及高程三个数据的标准差分别为 0.075m、0.043m 及 0.033m。根据国家无人机航空摄影测量相关规范,本次航拍测量精度符合 1:500 的成图要求,倾斜摄影测量结果可用于进一步的空间分析。3基于三维影像模型的空间分析基于三维影像模型的空间分析3.1 用地现状分析用地现状分析作为美丽乡村规划的一部分,土地利用占据规划过程中最重要的位置,如何核对村庄原有的
13、土地利用规划与现状用地情况一直是一个棘手的问题。传统的用地分析方式以针对场地测绘及使用卫星图对照用地分类为主,卫星图在分析使用过程中具有精度低、时效性差等缺点,而现场测量,虽然精度较好,但对人力物力及测绘时间要求较高。相对于传统方案,由倾斜摄影获得的三维数据精度稍低,但出图速度快,仅需 1-2 人即可完成一个村庄村域内数据采集工作,并在 2-3天内获得 1:500 至 1:2000 的三维影像模型成果。本次研究将使用经倾斜摄影建模获得的三维影像模型对村庄用地进行分析。实验以北京市延庆区大榆树镇东桑园村建设用地分析为例,左上图即为现状村庄建设用地边界与三维影像模型正射图像的对比。通过对左上图青色
14、区域局部放大可获得左下图,位于村庄建设用地东北角,可明显看出部分建筑超出建设用地范围边界(左下图中青色圆环范围)属于违法用地情况,须在下一步规划过程中进行整治。3.2 基于模型的场地地形分析基于模型的场地地形分析根据北京延庆区规划分局提供资料显示,东桑园村位于延庆区南山北麓的冲积平原上,地形南边较高北边较低,地貌具有黄土侵蚀特点,土壤归类为石灰性褐土,属洪积物,区域内土壤肥力较好。通过 ArcGIS 对三维影像模型进行进一步分析,获得的东桑园村地形基本数据,与现有地形资料相比,基本符合资料描述,证明本次研究数据真实有效。通过高程、坡度、坡向及汇水等数据,可获得村庄基本地形及地质灾害预测等数据,
15、详细地形分析结果如下图:图 6 高程分析图 7 坡度分析图 8 坡向分析图 9 汇水分析4结论与讨论结论与讨论近年来,倾斜摄影和三维影像技术已逐渐发展为一项高新技术,相比于传统的人工建模方式,其具有高效率、高性价比等优势,通过外业控制无人机航拍,随后内业进行照片建模,仅需 1-2 人即可完成一个村庄村域内数据采集工作,并在 2-3 天内获得 1:500 至 1:2000的三维影像模型成果。三维影像模型数据量大,制作简单,解决了美丽乡村规划过程中缺资料、少数据尴尬处境的同时,也证明三维影像技术可以在美丽乡村规划进程中进一步推广。参考文献参考文献1杨国东,王民水.倾斜摄影测量技术应用及展望J.测绘与空间地理信息,2016(1)第 39 卷第一期:14.2张祖勋,张剑清.数字摄影测量学M.武汉:武汉测绘科技大学出版社,19973Phantom 4 Pro/Pro+用户手册M.深圳:深圳市大疆创新科技有限公司,2017.作者简介作者简介董萌,规划师,清华大学建筑设计研究院有限公司庞书经,规划师,清华大学建筑设计研究院有限公司李磊,规划师,清华大学建筑设计研究院有限公司