实景三维模型在城市规划管理中的应用

测绘与空间地理信息

ＧＥＯＭＡＴＩＣＳ＆ＳＰＡＴＩＡＬＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ

Ｖｏｌ.４１ꎬＮｏ.７Ｊｕｌ.ꎬ２０１８

实景三维模型在城市规划管理中的应用

李　沫

(辽宁省摄影测量与遥感院ꎬ辽宁沈阳１１００３４)

摘要:基于倾斜摄影建立的实景三维模型为基础ꎬ采用Ｓｋｙｌｉｎｅ平台二次开发ꎬ建设了城市辅助规划信息系统ꎮ

平台涉及规划管理的核心业务ꎬ包括阴影分析、控高分析、方案对比等模块功能ꎬ解决了制图、三维、指标、动态和互动等诸多难点ꎮ与传统方法相比ꎬ三维平台更加真实、直观ꎬ效率上有明显的提高ꎬ可推广应用于城市规划管理中ꎮ

关键词:倾斜摄影ꎻ三维建模ꎻ城市辅助规划信息系统

中图分类号:Ｐ２０８　　　文献标识码:Ａ　　　文章编号:１６７２－５８６７(２０１８)０７－０１２６－０２

Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆ３ＤＭｏｄｅｌｏｆＲｅａｌｓｃｅｎｅｕｓｅｄｉｎ

ＵｒｂａｎＰｌａｎｎｉｎｇａｎｄＭａｎａｇｅｍｅｎｔ

(ＰｈｏｔｏｇｒａｍｍｅｔｒｙａｎｄＲｅｍｏｔｅＳｅｎｓｉｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＬｉａｏｎｉｎｇＰｒｏｖｉｎｃｅꎬＳｈｅｎｙａｎｇ１１００３４ꎬＣｈｉｎａ)

Ａｂｓｔｒａｃｔ:ＩｎｔｈｉｓｐａｐｅｒꎬａｃｉｔｙａｉｄｅｄｐｌａｎｎｉｎｇｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｉｓｂｕｉｌｔｂｙｕｓｉｎｇＳｋｙｌｉｎｅｐｌａｔｆｏｒｍｓｅｃｏｎｄａｒｙｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｂａｓｅｄｏｎｔｈｅ３Ｄｍｏｄｅｌｏｆｒｅａｌｓｃｅｎｅｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｂｙｏｂｌｉｑｕｅｐｈｏｔｏｇｒａｐｈｙ.Ｔｈｅｐｌａｔｆｏｒｍｉｎｖｏｌｖｅｓｔｈｅｃｏｒｅｂｕｓｉｎｅｓｓｏｆｐｌａｎｎｉｎｇｍａｎａｇｅｍｅｎｔꎬｉｎ￣ｃｌｕｄｉｎｇｓｈａｄｏｗａｎａｌｙｓｉｓꎬｈｅｉｇｈｔｃｏｎｔｒｏｌａｎａｌｙｓｉｓꎬｐｒｏｇｒａｍｃｏｍｐａｒｉｓｏｎａｎｄｏｔｈｅｒｍｏｄｕｌｅｓｔｏｓｏｌｖｅｔｈｅｍａｐｐｉｎｇꎬｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌꎬｉｎ￣ｍｏｒｅｒｅａｌｉｓｔｉｃａｎｄｉｎｔｕｉｔｉｖｅꎬｔｈｅｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｉｓｏｂｖｉｏｕｓｌｙｉｍｐｒｏｖｅｄꎬｃａｎｂｅｐｏｐｕｌａｒｉｚｅｄｕｓｅｄｉｎｕｒｂａｎｐｌａｎｎｉｎｇａｎｄｍａｎａｇｅｍｅｎｔ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｏｂｌｉｑｕｅｐｈｏｔｏｇｒａｐｈｙꎻ３Ｄｍｏｄｅｌｉｎｇꎻｃｉｔｙａｉｄｅｄｐｌａｎｎｉｎｇｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ

ＬＩＭｏ

ｄｉｃａｔｏｒｓꎬｄｙｎａｍｉｃａｎｄｉｎｔｅｒａｃｔｉｖｅａｎｄｍａｎｙｏｔｈｅｒｄｉｆｆｉｃｕｌｔｉｅｓ.Ｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｔｈｅｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｍｅｔｈｏｄꎬｔｈｅｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｐｌａｔｆｏｒｍｉｓ

０　引　言

倾斜摄影测量技术ꎬ是对传统摄影方式的一种创新ꎬ它不再局限于以单一相机ꎬ而是通过在同一飞行平台上搭载多台传感器ꎬ同时获取多个不同角度的影像ꎬ是近几年发展起来的一项高新技术ꎮ

本文以朝阳数字城市项目为例ꎬ是利用ＬＯＤＣ－４轻型倾斜相机ꎬ搭载在ＴＸ９１２双座动力三角翼飞行器上获取影像ꎮ该系统搭载有垂直、前视、左视、右视、后视共５４个方向为倾斜角度４０°的侧视影像ꎮ通过飞行计划制定、飞行拍摄、数据下载、ＰＯＳ解算、初始外方位元素计算、数据校验等过程ꎬ为后期倾斜影像的制作提供了标准的格式的数据ꎮ

基于法国Ｓｍａｒｔ３ＤＣａｐｔｕｒｅ自动建模系统ꎬ通过合理布设部分野外像控点ꎬ然后将影像数据、ＰＯＳ数据、野外像控点数据导入Ｓｍａｒｔ３ＤＣａｐｔｕｒｅ自动建模系统进行批处

收稿日期:２０１８－０３－０６

理ꎮ对外方位元素进行优化后ꎬ与畸变差校正后的倾斜摄影影像结合ꎬ自动实现三维模型的建立与纹理关联ꎬ生成高精度的实景三维模型成果ꎮ

倾斜摄影真三维模型生产结束后ꎬ采用Ｓｋｙｌｉｎｅ作为三维基础平台ꎬ开发了一套城市辅助规划信息系统ꎬ平台涉及规划管理的核心业务ꎬ包括阴影分析、控高分析、方案对比等模块功能ꎬ解决了制图、三维、指标、动态和互动等诸多难点ꎬ实现了朝阳市倾斜三维模型数据在规划行业的应用ꎮ

个相机ꎬ可同步获取５个方向的航空影像ꎬ其前、后、左、右

１　倾斜摄影影像获取

１.１　航摄仪

本摄区使用ＬＯＤＣ－４轻型倾斜摄影平台进行航摄ꎬ该航摄系统是由广州的红鹏公司生产ꎬ主要搭载有垂直、前视、左视、右视、后视共５个相机ꎬ可同步获取５个方向的航空影像ꎬ其前、后、左、右４个方向为倾斜角度４０°的侧视影像ꎬ相机及参数如图１所示ꎮ

作者简介:李　沫(１９８２－)ꎬ女ꎬ山东安丘人ꎬ工程师ꎬ学士ꎬ主要从事遥感数据处理与管理工作ꎮ

第７期

李　沫:实景三维模型在城市规划管理中的应用

１２７

图１　相机及参数Ｆｉｇ.１　Ｃａｍｅｒａａｎｄｐａｒａｍｅｔｅｒｓ

１.２　飞行平台

根据摄区气候、地貌等条件ꎬ本项目选用ＴＸ９１２双座动力三角翼一架ꎮ该飞行器有中国民航局颁发的适航证明ꎬ可配备二次航空管制雷达ꎬ具有合法飞行资格ꎬ适用于２００—１５００ｍ高度层的航空摄影飞行任务ꎮ飞行作业时只需１００—２００ｍ平整路面即可起飞和着陆ꎬ飞机的机动性强ꎬ拆装简单ꎬ运输转场快捷ꎬ作业高度对军民航空域影响小ꎬ且在无动力的情况下同样可以滑翔着陆ꎬ并配备有火箭弹射降落伞ꎬ安全可靠ꎮ

１.３　航线敷设

航线布设按照相关要求执行ꎬ同时根据航摄区域的地形环境ꎬ利用摄区已有的地形图、遥感影像等信息ꎬ分析摄区内空间分布特征ꎬ为各航摄分区进行航线敷设ꎮ本摄区共设计６０条航线ꎬ东北至西南方向敷设ꎬ航线总长度为９００ｋｍꎮ飞行设计示意如图２所示ꎮ

图２　飞行设计示意图Ｆｉｇ.２　Ｆｌｉｇｈｔｄｅｓｉｇｎｓｃｈｅｍａｔｉｃ

１.４　１)数据检查与预处理

①②影像数据地面分辨率是否达到要求航空影像数据检查与预处理

通过目视观察ꎬ影像质量应确保影像清晰ꎻ

中ꎬ颜色饱和ꎬ色彩鲜明ꎬ色调一致ꎬ有较丰富的层次ꎬ反差适

、能辨别与地面分辨率相适应的细小地物影像ꎬ满足外业全要素精确调绘和室内判读的要求影像重叠度的检查ꎬ确保ꎻ要求ꎻ

③影像重叠度是否达到④２)ＰＯＳ影像数据编号ꎬ为了方便于后期数据管理和检查ꎮ①ＰＯＳ数据的记录是否与影像一一对应数据的检查与预处理

ꎻ

３)②将野外控制点成果数据的检查与预处理ＰＯＳ数据整理成软件对应格式ꎮ

①借助ＧｏｏｇｌｅＥａｒｔｈ检查野外控制点成果ꎻ

用ꎬ剩余控制点为后期精度检查时使用②在作业范围内均匀挑选部分控制点为建模时使２　Ｓｍａｒｔ③对于建模时使用的控制点ꎻ

３ＤＣａｐｔｕｒｅ软件快速建模

ꎬ提前挑选好控制点片ꎮ

２.１　空三加密

自动化空三加密ꎬ在Ｓｍａｒｔ３ＤＣａｐｔｕｒｅ自动建模系统中加载测区影像ꎬ人工给定均匀分布的少量控制点ꎬ软件采用光束法区域网整体平差ꎬ以一张像片组成的一束光线作为一个平差单元ꎬ以中心投影的共线方程作为平差单元的基础方程ꎬ通过各光线束在空间的旋转和平移ꎬ使模型之间的公共光线实现最佳交会ꎬ将整体区域最佳地加入控制点坐标系中ꎬ从而恢复地物间的空间位置关系ꎮ

２.２　影像密集匹配

系统根据高精度的影像匹配算法ꎬ自动匹配出所有影像中的同名点ꎬ并从影像中抽取更多的特征点构成密集点云ꎬ从而更精确地表达地物的细节ꎮ地物越复杂ꎬ建筑物越密集的地方ꎬ点密集程度越高ꎻ反之ꎬ则相对稀疏ꎮ

２.３　纹理映射

由空三和影像密集匹配后建立的影像之间的三角关系构成三角ＴＩＮꎬ再由三角ＴＩＮ构成白模ꎬ软件从影像中计算对应的纹理ꎬ并自动将纹理映射到对应的白模上ꎬ最终形成真实三维场景ꎮ

２.４　Ｓｍａｒｔ多节点运算

计算而设计的３ＤꎬＣａｐｔｕｒｅ适用于大面积的真三维模型和自动建模系统是为满足多节点并行

ＤＯＭ/ＤＳＭ的生产ꎬ通过并行运算可大大提高生产效率ꎬ具体生产效

率根据服务器性能和数量而定ꎮ

２.５　Ｓｍａｒｔ３Ｄ成果输出

的成果产品有真三维模型Ｃａｐｔｕｒｅ进行倾斜摄影快速三维建模、正射影像(ＤＯＭ)、数字表面模ꎬ可输出

型(ＤＳＭ)、点云数据(∗.ｌａｓ格式)ꎮ

真三维模型可输出的数据格式主要有∗.ｄａｅ、∗.ｏｓｇｂ和∗.ｏｂｊꎮ模型成果所有建筑物的空间关系和纹理ꎬ均采用分层显示技术(ＬＯＤ)ꎬ分层达２０层以上ꎬ以保证任何配置的计算机均能流畅地显示地物模型ꎬ充分详细地表达建筑物细部特征ꎮ

２.６　三维模型单体化

通过叠加矢量底面ꎬ在渲染层面实现单体化ꎬ轻松实现ＧＩＳ功能ꎬ实现倾斜三维模型的动态性和灵活性管理ꎮ

３　城市辅助规划信息系统建设

基于Ｓｋｙｌｉｎｅ的三维ＧＩＳ平台———朝阳市城市辅助规划信息系统　　

ꎬ是整合三维实景地理信息系统管理与应用(下转第１３１页)

第７期

张胜军等:浅谈室内定位技术现状

京交通大学ꎬ２０１４.

１３１

和隐私的同时ꎬ室内定位技术也将会与卫星导航技术有机结合ꎬ将室外和室内的定位导航无缝精准地衔接ꎮ

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[编辑:刘莉鑫]

(上接第１２７页)

服务的综合平台ꎮ平台运用倾斜摄影及虚拟现实仿真等技术ꎬ支持街景工厂(Ｓｍａｒｔ３Ｄ等)倾斜摄影大场景三维数据的无缝接入ꎬ多角度实景影像融合ꎬ同时ꎬ系统需配套基于倾斜摄影的空地结合的三维建模软件ꎬ可对三维场景进行快速修饰ꎬ为后期数据的局部更新提供保障ꎮ

红线控制及规划控规控制、多方案对比、日照及通视分析、控高分析等ꎮ

４　结束语

项目获取的航空倾斜影像及实景三维模型不仅能够真实地反映情况ꎬ而且能通过采用先进的定位技术ꎬ嵌入精确的地理信息、更丰富的影像信息ꎬ极大地扩展了遥感影像的应用领域ꎬ使遥感影像的行业应用更加深入ꎬ不仅提高了城市规划管理等各方面工作的效率ꎬ还为人们提供一种认识城市的全新理念ꎬ为城市的快速扩张和变化提供一种可扩展的管理手段ꎬ有助于实现城市的可持续发展ꎮ同时为同类行业部门规划管理应用提供方便的参考模板ꎬ具有一定的推广价值ꎮ

３.１　系统总体架构

系统采用统一的矩阵式体系结构ꎬ在保证平台稳定运行的同时ꎬ由基础平台统一管理ꎬ对各种数据信息进行统一整合ꎬ做到统一入口、统一展现、统一管理的一体化管理体系ꎮ

３.２　数据库总体架构

城市基础数据的种类多、数量大ꎬ如何有效地存储、利用、查询、分析这些资料ꎬ对于城市综合管理来说至关重要ꎮ为方便高效地存储、利用这些资料ꎬ本平台建立了完善的数字城市信息数据库ꎮ

三维空间数据模型是整个平台的核心ꎬ构建城市信息数据库前ꎬ明确数据类型、理顺各类数据之间的逻辑关系和系统数据之间的关系是数据库设计阶段的关键ꎮ根据城市规划环境及数据种类的要求ꎬ整个数据库分为空间数据库和属性数据库两大部分ꎮ

参考文献:

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３.３　系统功能设计

系统功能包括三维漫游功能、图层管理、测量功能、漫游路径、收藏夹、快速定位、属性查询、统计分析、规划

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应用[Ｊ].测绘通报ꎬ２０１６(４):７５－７８.[４]　李鸿祥.三维城市规划辅助决策支持系统的设计与实现

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[编辑:任亚茹]