基于低空遥感数据的数字城乡系统设计与实现

周智勇，李莲芳

(重庆市勘测院，重庆 400020)

1 引 言

城乡统筹是通过城乡资源共享、人力互助、产业互补、通过城市带动农村、工业带动农业、建立城乡互动、良性循环、共同发展的一体化体制。2010年，国务院批准重庆市成为国家城乡统筹发展综合改革试验区，它的意义可以与当年的深圳、浦东相媲美。随着城镇化的推进，各区县对基础数据的需求越来越迫切。但重庆已有基础航摄影像存在分辨率不高，现势性不好等局限，且常规航摄受到空域管制、成本高等影响。

低空遥感飞行平台主要有固定翼无人机、直升机、飞艇等几种，考虑航拍对航摄姿态保持要求，固定翼无人机具有明显优势，所以重庆市勘测院及时从中国测绘科学研究院引进固定翼无人机，并同时引进能够快速处理无人机影像数据的像素工厂，为低空遥感数据快速获取和处理提供了完美解决方案。

2 低空遥感数据的特点

低空无人机由于自身的操控特性及受风力的影响，平台稳定性远远无法同飞机及卫星平台相比［1］。如以固定翼无人机为低空遥感平台时，尽管对无人机进行实时自动控制，无人机仍然很难严格按照预定的航线进行直线飞行，数码相机的姿态也不可能保持固定不动，因而所拍摄影像间的预设重叠度无法得到严格保证，相邻影像间很可能存在较大的旋角和上下错动［2］，城区低空遥感摄影时，高层建筑物在相邻影像上存在很大变形，建筑物屋顶对周边地形、低矮地物存在较大的压盖。但低空无人机作业选择性强，准确度高，机动灵活，作业周期短，时效性好，维护使用费低，经济实用，安全性好［3，4］。

由于低空遥感平台的这些特性，获取的低空遥感影像具有重叠度高，像幅较小，影像数量多，现势性好等特点，同时影像纹理清晰，分辨率高，可达厘米级，色彩鲜明，且由于无人机机动灵活的特征，可对同一区域进行短周期重复获取，实现远程变化监测，适时掌控城乡建设进程，满足城乡规划建设与管理需求。

3 数字城乡系统设计

3.1 设计思路

结合目前城乡建设和管理的各种需求，本文提出了一套利用低空遥感数据制作数字城乡系统的思路。对目标区域进行无人机航摄，利用获取的高现势性，高分辨率的低空遥感数据以及建成区已有地形图，构建数字城乡数据库，并可集成各专业部门专题数据，在数字环境下为城乡建设、管理科学化提供平台。

3.2 系统设计

按照规范化的信息分类标准和统一的地理空间关系，该系统对各项城市基础地理空间数据进行科学存储和管理，实现快速采集、建库、查询以及数据发布、资源共享。将大规模的、动态变化的基础资料转换为数字化的、可视化的、可操作和共享的信息资源，提供给相关部门和社会各界使用。如图1 所示:

4 数字城乡系统实现

4.1 实验区概况

实验区位于重庆西北部的铜梁区，是中国人民解放军特等功臣邱少云的故乡和铜梁龙灯的发祥地，同时是国家卫生城市，距离重庆主城65 km。实验区包括铜梁城区、蒲吕工业园区及控规区域，总面积104 km2。

图1 系统架构图

4.2 低空遥感数据的获取与处理

根据区域范围进行航线设计，并选择晴好天气进行POS 辅助航摄，共分7 个架次获取0.12 m高分辨率数码影像约6 000张。利用像素工厂依据POS 数据自动航线排列，连接点自动匹配［5］，人工干预进行自由网处理，添加地面控制点，完成空中三角测量。

将空三成果导出，建立立体模型，在全数字摄影测量工作站上进行三维特征点线面采集，制作得到高精度DEM 数据。在像素工厂中导入DEM，结合立体像对进行逐片微分纠正，并自动生成裁切线，加上少量人工干预，进行全局匀色、镶嵌及裁切，得到标准1∶2 000分幅DOM。如图2 所示:

图2 1∶2 000 分幅DOM 图的制作

4.3 地形三维模型制作

基于在全数字摄影测量工作站上采集的三维特征点线面，通过FME 转换生成TIN 三角网，对区域TIN三角网根据标准1∶2 000 分幅范围进行裁切，并自动以1∶2 000 图幅号进行命名。TIN 裁切利用MicroStation 进行，使用MDL 编写裁剪算法来实现图幅裁剪TIN 三角网数据的自动化［6］。同时为提高地形三维精度，在切割TIN 三角网时按1∶500 分幅进行细化分割，并在Creator 地形文件中分节点以1∶500图幅号名存放。相应地，DOM 按1∶500 分幅进行裁切并用1∶500图号命名。根据图幅号对应关系，利用程序自动将DOM 纹理映射到相应TIN 三角网，完成地形三维模型制作。如图3 所示:

图3 地形三维模型

4.4 建筑物三维模型制作

对城市建成地区依据1∶500地形图进行道路、建筑、地形、绿化、小品等要素的模型建立，纹理根据实地采集的照片修整处理并贴到相应模型上。建筑物模型的高度根据1∶500地形图上提取，地形图上没有实测高程的建筑物通过立体方式或DSM 数据获取。根据DOM对屋顶的造型进行精细建模。规划方案根据立面图、剖面图、效果图等数据进行精细模型。如图4 所示:

图4 建筑物精细模型

4.5 系统功能

(1)三维浏览

系统提供灵活的浏览方式，可平移、旋转、定制视点，支持预设路径进行自动播放，同时支持人行、车行及飞行等多种模式。

(2)空间分析

实现三维测量分析，如测量空间点、空间距离、面积等;同时可进行通视性分析、水淹没模拟分析。

(3)方案替换

系统支持同一地块多方案替换展示，如在建工地现状与未来规划方案替换展示、拆迁前与拆迁后对比展示等。如图5 所示:

图5 拆迁前后规划方案对比展示

(4)数据叠加分析

系统支持图片、矢量等不同类型数据的导入，并实现数据叠加功能。如导入控规路网矢量，并可根据设计标高模拟修建后的效果，同时计算地块的挖填方量，为场平标高设计提供依据。如图6 所示:

图6 路网数据叠加分析

(5)系统输出

系统提供灵活的数据处理方式，如导出场景数据、录制影片、截图输出等功能。

6 结 语

随着数据可视化大势所趋，遥感、导航、地理信息系统等技术可以极大提高空间信息分析能力，对各种空间区域的发展规划、资源开发、人口分布、农业生产、城乡建设等进行模拟演示或动态监测，可以直观、科学地展示经济社会发展规律，集成各类信息，广泛应用于经济社会各领域。本系统具有以下几方面特点:

(1)实现数据共享。数字城乡系统作为城乡基础数字信息平台，服务于城市规划、市政、交通、公安、消防、房产、旅游等行业，与视频监控物联网结合起来，实现智慧城市管理的定性、定量分析，一套数据服务于政府各部门，实现基础数据共享平台搭建。

(2)真实直观可视化。数字城乡系统采用真实三维方式展现，避免了专业图表的繁杂，通过系统对相关场景的360 度无障碍浏览，为管理者真实了解城乡发展现状、科学制定城乡规划决策提供科学化手段。

(3)数据现势性保障。城镇建设具有发展变化快的特点，而低空遥感具有机动灵活、快速响应的能力，可依城市变化速度和特点，对变化区域不定期进行航摄，快速获取最新遥感数据，实现对平台及时更新与维护，保证了平台数据的现势性。

［1］王利勇，王慧，李鹏程等．低空遥感数字影像的点特征提取算子的比较［J］．测绘科学，2011(1):121～124．

［2］王玉宏，陈永立．低空遥感影像匹配与拼接技术研究［J］．测绘信息与工程，2009(2):47～49．

［3］范承啸，韩俊，熊志军．无人机遥感技术现状与应用［J］．测绘科学，2009(5):214～215．

［4］金玉玲．低空遥感在土地资源动态管理中的应用研究［J］．测绘与空间地理信息，2013(3):135～136．

［5］邹晓亮，缪剑，张永生等．基于像素工厂的无人机影像空三优化技术［J］．测绘科学技术学报，2012(5):362～367．

［6］唐相桢，王阳生．关于改进MicroStation 中矩形围栅剪切TIN 数据的讨论［J］．城市勘测，2011(1):43～44．