基于無人機傾斜攝影+3 D GIS的鄉(xiāng)村公路規(guī)劃方法探討

嚴 哲 張祥燊 孫國強

（海南集思勘測規(guī)劃設(shè)計有限公司，海南 ?？?70203）

0.引言

無人機技術(shù)的快速發(fā)展為三維空間信息的高效獲取提供了新的途徑，當(dāng)前，無人機技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于軍事、農(nóng)業(yè)、測繪、救災(zāi)、環(huán)境以及影視拍攝等多種領(lǐng)域，創(chuàng)造了較好的應(yīng)用價值[1]。

交通基礎(chǔ)設(shè)施對于社會經(jīng)濟的發(fā)展至關(guān)重要，城鄉(xiāng)空間和交通設(shè)施之間存在復(fù)雜的相互影響關(guān)系，在實際規(guī)劃設(shè)計時常常因為空間信息技術(shù)獲取不全導(dǎo)致城鄉(xiāng)公路規(guī)劃難以適應(yīng)當(dāng)?shù)氐陌l(fā)展需求，特別是鄉(xiāng)村公路，由于其具有點多、面廣、數(shù)量巨大以及極度分散等特點，且各地區(qū)的自然條件各異，導(dǎo)致農(nóng)村公路的規(guī)劃設(shè)計更是缺乏科學(xué)合理性，這極大阻礙了鄉(xiāng)村地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展。無人機傾斜攝影技術(shù)是一種快速實現(xiàn)三維模型構(gòu)建的新型技術(shù)，能夠多角度拍攝真實度高、可靠性強的空間影像，目前已成為空間地理信息獲取的主流技術(shù)[2-7]。

然而，三維空間信息技術(shù)在鄉(xiāng)村公路規(guī)劃的應(yīng)用還處于初步探索階段，很多體系和技術(shù)應(yīng)用尚不健全，如何建立一套行之有效的技術(shù)應(yīng)用體系，加強鄉(xiāng)村公路規(guī)劃的科學(xué)性、合理性和可持續(xù)性，對于實現(xiàn)鄉(xiāng)村公路合理規(guī)劃布局具有重要意義[8-12]。本文以無人機傾斜攝影技術(shù)為基礎(chǔ)，建立起基于無人機傾斜攝影的實景三維空間信息技術(shù)體系，并進行案例分析，可為類似鄉(xiāng)村地區(qū)公路設(shè)計規(guī)劃布局提供借鑒。

1.鄉(xiāng)村公路規(guī)劃理論

鄉(xiāng)村公路通常是指縣道、鄉(xiāng)道和村道的總稱，縣道的適應(yīng)交通量為5000—15000輛/日，設(shè)計行車速度60—80 km/h，屬二級公路體系，鄉(xiāng)道適應(yīng)交通量為2000—6000輛/日，設(shè)計行車速度30—40 km/h,屬三級公路體系，村道的適應(yīng)交通量為400—2000輛/日，設(shè)計行車速度20 km/h，屬四級公路體系。當(dāng)前，鄉(xiāng)村公路規(guī)劃的主要方法包括：四階段法、直線連接法、節(jié)點重要度法以及交通區(qū)位法等。每種方法均有自身適用的對象，如四階段法適用于交通相對密集的縣道，交通區(qū)位法適用于區(qū)域內(nèi)主干線規(guī)劃。但是，現(xiàn)有的規(guī)劃方法也有其缺點，總的來說，當(dāng)前的鄉(xiāng)村公路規(guī)劃理論主要集中于公路本身，并以鄉(xiāng)村公路布局為主導(dǎo)，以交叉路口、場站等規(guī)劃為輔助，缺乏對周邊空間信息的綜合考慮，其主要局限性為以下三個方面：（1）以城鄉(xiāng)公路網(wǎng)規(guī)劃代替農(nóng)村公路規(guī)劃，導(dǎo)致理論發(fā)展存在局限性；（2）傳統(tǒng)城鄉(xiāng)道路規(guī)劃法沒有充分考慮鄉(xiāng)村地區(qū)環(huán)境的特殊性與復(fù)雜性；（3）定性與定量相結(jié)合的方法在科學(xué)性上仍存在較大提升空間，目前流行的空間信息理論定量分析法在鄉(xiāng)村公路規(guī)劃中應(yīng)用較少，存在改進的空間。

2.基于無人機傾斜攝影的實景三維空間信息技術(shù)體系

2.1 無人機傾斜攝影技術(shù)

無人機傾斜攝影技術(shù)主要包括影像采集、影像加工以及模型生產(chǎn)三個階段。影像采集階段是利用無人機及攝影設(shè)備獲得多方位、多角度的區(qū)域影像信息；影像加工階段通過影像檢查與整理、影像聯(lián)合平差、影像密集匹配、影像修正以及數(shù)字表面模型生產(chǎn)等過程，初步得到區(qū)域空間信息；模型生產(chǎn)階段利用自動化建模軟件進行勻光勻色等步驟，建立起實景三維空間模型。

2.2 實景三維空間信息技術(shù)

空間信息技術(shù)主要依靠“3S”技術(shù)，即遙感（RS）技術(shù)、定位導(dǎo)航系統(tǒng)（GPS）和地理信息系統(tǒng)（GIS），其中，GIS技術(shù)經(jīng)過幾十年的發(fā)展，已成為空間信息技術(shù)的重要組成結(jié)構(gòu)。上世紀(jì)90年代以來，GIS技術(shù)逐漸應(yīng)用于交通基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域，在保障安全性和實用性基礎(chǔ)上，節(jié)約了大量的人力、物力、財力，但是也存在一些技術(shù)瓶頸，如二維分析如何與三維實體相結(jié)合、空間信息如何與專家經(jīng)驗以及數(shù)學(xué)模型相結(jié)合、三維可視化如何更好地實現(xiàn)等。

2.3 技術(shù)體系的建立

遵循科學(xué)性、整體性、可行性以及動態(tài)性原則，以實現(xiàn)鄉(xiāng)村公路規(guī)劃與村莊規(guī)劃統(tǒng)一協(xié)調(diào)、實現(xiàn)多方規(guī)劃利益者的共同參與、實現(xiàn)規(guī)劃方法技術(shù)的高效率和低成本為目標(biāo)，將無人機傾斜攝影技術(shù)與3D GIS技術(shù)相結(jié)合；通過傾斜攝影信息采集、實景三維空間信息構(gòu)建以及應(yīng)用準(zhǔn)備三個步驟，得到具有實景、DSM以及DOM等多種信息的實景三維空間信息，并將其應(yīng)用于農(nóng)村公路規(guī)劃的多個階段，最終建立起基于無人機傾斜攝影的實景三維空間信息技術(shù)鄉(xiāng)村公路規(guī)劃體系（如圖1所示）。

圖1鄉(xiāng)村公路規(guī)劃體系

3.案例分析

3.1 案例背景

海南海口市美蘭區(qū)位于?？谑袞|北部東接文昌市，南連瓊山區(qū)，西接龍華區(qū)，北臨瓊州海峽，總面積約為581 km2，總?cè)丝诩s71萬，下轄9個街道，4個鎮(zhèn)共計53個行政村，全區(qū)鎮(zhèn)級以下公路500余條，總長度超過800 km，對于促進當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟發(fā)展、增強城鄉(xiāng)統(tǒng)籌規(guī)劃具有重要意義。案例區(qū)位于麻余村，項目已完成高分辨率下的遙感衛(wèi)星場景制作。為了推進鄉(xiāng)村公路與村莊建設(shè)的協(xié)同規(guī)劃，增強當(dāng)?shù)厝嗣袢罕姷膮⑴c感，使村民能夠直觀了解本村公路規(guī)劃后的整體效果，故本項目擬采用無人機傾斜攝影進行鄉(xiāng)村公路的規(guī)劃實踐（如圖2所示）。

圖2案例區(qū)衛(wèi)星圖

3.2 規(guī)劃流程

步驟一：可行性研究。結(jié)合工程項目的相關(guān)調(diào)研資料，對項目進行技術(shù)、經(jīng)濟的可行性分析，特別是進行無人機傾斜攝影數(shù)據(jù)采集的可行性研究，之后，進行目標(biāo)地塊的空間信息融合。其實景三維空間信息應(yīng)用部分包括單體建筑物的三維精細建模、實景三維模型的建立以及GIS平臺對接等相關(guān)內(nèi)容（如圖3所示）：

圖3目標(biāo)地塊的空間信息融合示意

步驟二：進行無人機傾斜攝影數(shù)據(jù)采集。采用大疆inspirel作為飛行平臺，將無人機和攝影設(shè)備進行組裝后，使用雙“S”型航路規(guī)劃對目標(biāo)區(qū)域進行傾斜攝影原始數(shù)據(jù)的采集（將搭載的單鏡頭和pix4d移動軟件配合使用，可以達到與使用無鏡頭相機進行圖像采集基本相似的結(jié)果），采集時將目標(biāo)區(qū)域分為若干個200 m×300 m地塊進行單獨的數(shù)據(jù)采集。

步驟三：實景三維空間信息構(gòu)建。將傾斜攝影原始數(shù)據(jù)經(jīng)自動化生成后處理為osgb格式文件，經(jīng)幾何校正、聯(lián)合平差，以及連續(xù)TIN三角網(wǎng)等過程處理后，得到目標(biāo)區(qū)域的傾斜攝影三維模型數(shù)據(jù)；根據(jù)圖像識別及路徑判斷的相關(guān)原理，將滿足一定傾斜度以及重合度（60～70%）的數(shù)據(jù)進行拼接，得到像采集位置點云圖；然后基于點云模型，采用平鋪圖像于點陣的方法將二維模型生成三維模型，最終得到實景三維模型（如圖4所示）：

圖4三維空間信息的構(gòu)建

步驟四：實景三維空間信息的應(yīng)用。首先是進行單體三維精細建模，采用3dmax三維建模軟件對目標(biāo)區(qū)域的重點建筑物、公路、景觀小品等進行實體建模；然后將實景三維模型和單體三維精細模型一同導(dǎo)入GIS平臺中，并與高分辨率三維場景進行匹配和疊加（如圖5所示）：

圖5實景三維空間信息的應(yīng)用過程

步驟五：成果展示。將得到的目標(biāo)區(qū)域三維模型進行多種途徑的展示，并分為現(xiàn)有三維現(xiàn)狀、擬采取的改造、規(guī)劃方案，以及規(guī)劃改造后的不同時期效果進行對比展示，使項目主管及普通民眾對規(guī)劃結(jié)果有一個直觀認識，以便于規(guī)劃方案得到進一步地詳細分析及改進（如圖6所示）：

圖6規(guī)劃改造成果展示

3.3 應(yīng)用成果評價

在無人機傾斜攝影及GIS技術(shù)支持下，實現(xiàn)實景三維空間在鄉(xiāng)村公路規(guī)劃中的應(yīng)用，能夠獲得更加準(zhǔn)確的空間位置信息，相較于傳統(tǒng)的二維平面規(guī)劃技術(shù)，其主要優(yōu)勢有以下幾點：（1）模型具備完整的三維特征，更加直觀具體化；（2）能夠快速高效對目標(biāo)區(qū)域進行測繪分析，節(jié)約人工和成本，解決了傳統(tǒng)測繪工作的局限性；（3）利用實景三維模型可以在一天內(nèi)實現(xiàn)對村鎮(zhèn)信息的統(tǒng)計，方便其真實高效地與城鎮(zhèn)規(guī)劃相比較；（4）完成實景三維模型后，可以為后續(xù)的相關(guān)規(guī)劃和保護工作提供完備的空間信息、數(shù)據(jù)信息及其他數(shù)據(jù)，并可以實現(xiàn)疊加設(shè)計規(guī)劃的影響預(yù)測和判斷，極大提升規(guī)劃設(shè)計的科學(xué)性；（5）實景三維空間信息模型的精度較高，在本工程中平均平面中誤差和高程中誤差僅為0.083m和0.299m。

與此同時，在本工程實施過程中，發(fā)現(xiàn)需要在今后解決的一些問題：如因數(shù)據(jù)量過大需高性能數(shù)據(jù)存儲硬件支撐、在植被茂密區(qū)域容易導(dǎo)致數(shù)據(jù)失真、當(dāng)目標(biāo)區(qū)域過大時，需要采用大型無人機進行數(shù)據(jù)采集等。

4.結(jié)束語

本文以無人機傾斜攝影技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合3D GIS空間信息技術(shù)，建立起鄉(xiāng)村公路規(guī)劃方法體系，實現(xiàn)了實景三維空間技術(shù)在鄉(xiāng)村公路規(guī)劃中的應(yīng)用，該方法不僅解決了傳統(tǒng)二維平面規(guī)劃時存在的局限性，而且大大節(jié)約人工和成本，并能為規(guī)劃者及其他利益相關(guān)者提供真實高效的空間位置信息，大大提升了鄉(xiāng)村道路規(guī)劃的科學(xué)性，值得在今后的工作中推廣運用。