基于傾斜攝影測量技術的智慧城市5D產品制作工藝實現

趙　宏，杜明成，吳俐民，勾　威，鄭瑩崗，趙　雷，靳曉蘭

(1.昆明市測繪管理中心, 云南 昆明 650500；2.九成空間科技有限公司，北京 101300)

?

基于傾斜攝影測量技術的智慧城市5D產品制作工藝實現

趙宏1，杜明成2，吳俐民1，勾威2，鄭瑩崗1，趙雷1，靳曉蘭2

(1.昆明市測繪管理中心, 云南 昆明 650500；2.九成空間科技有限公司，北京 101300)

摘要：近年來，傾斜攝影測量技術成為測繪行業的熱點技術。隨著傾斜攝影測量技術的快速發展，我國開始嘗試應用傾斜攝影測量技術獲取的航空影像制作數字化測繪產品。闡述基于傾斜攝影測量技術進行城市實景三維模型、DSM、DEM、DOM、TDOM的智慧城市5D測繪產品制作工藝研究，并介紹將此工藝實際應用于昆明市507 km2的主城區5D產品制作的實施情況及可行性分析。

關鍵詞：傾斜攝影測量；城市實景三維模型；5D產品

隨著“智慧城市”概念的快速推廣，越來越多的城市已著手實施“智慧城市”的建設，將城市規劃建設管理從粗放模式向精細化、可視化、動態化轉變。而“智慧城市”的建設過程中，城市實景三維數據、DSM、DEM、DOM、TDOM等地理信息數據則是“智慧城市”的基礎所在，沒有精度高、效果好的技術數據支撐，“智慧城市”只能是空談。因此，如何高效、快速的完成高精度的基礎地理信息數據的采集及制作，尤其是城市實景三維模型數據，成為“智慧城市”建設中需要重點關注的問題。ArminGruen等人采用三線陣航飛系統進行影像數據的采集，并且建立橫濱市的三維模型[1]。熊俊華、方源敏等人采用機載Lidar方式提取建筑物邊緣信息特征，同時結合航空影像綜合提取地物紋理，從而實現三維模型的建立[2]。

近年來，隨著傾斜攝影測量技術的誕生及發展，越來越多的人將傾斜攝影技術應用到智慧城市的建設之中。經研究及實踐發現，傾斜攝影測量技術是適合“智慧城市”建設的數據采集方式之一。本文將從傾斜攝影測量原理及昆明市“智慧城市”的5D產品制作實踐應用兩方面闡述傾斜攝影測量技術應用于“智慧城市”建設的優勢及可行性分析。

1傾斜攝影測量介紹

傳統航空攝影一般指的是垂直攝影，即在飛行平臺上搭載一臺傳感器，在像片傾斜角為0的情況下垂直向地面進行拍攝，完成航空影像的采集。而傾斜攝影測量則是在一架飛行平臺上搭載多個傳感器，同時從前、后、左、右及垂直等多個角度進行對地觀測，從而進行航空影像的采集(見圖1)[3]。因此，相比于傳統航空攝影，傾斜攝影技術不但可以滿足傳統二維數據制作的一切要求，同時多角度的拍攝更有利于獲取地物紋理，尤其是建筑物側面紋理，從而可以將航空影像應用到三維模型數據的制作當中，形成“智慧城市”地理信息數據中的實景三維數據，節約制作傳統三維模型數據的人力、物力及時間成本。

圖1　傾斜攝影示意圖

此外，傾斜攝影測量系統通常還會搭載GPS接收機及高精度IMU進行輔助測量，為影像提供位置及狀態信息，得到的POS系統數據用來輔助空三加密，使得后期制作出的三維數據、DEM、DOM等比傳統工藝具有更高的精度，進而可以更好地服務于“智慧城市”的建設。

2基于傾斜攝影技術的5D產品制作

2.1 實景三維模型制作

2.1.1傳統三維建模與傾斜攝影三維建模分析

傳統三維模型的制作，需要經過外業紋理采集、模型構建、紋理貼圖等多個步驟，并且外業及內業的工作全部需要純人工的方式來完成。而在“智慧城市”的建設中，通常都需要規模較大、面積較大的基礎數據，因此傳統的人工建模方式在面對大規模的建模需求時，就會顯得有些力不從心，不但需要耗費大量的人力成本，而且需要花費大量的時間，通常需要一年甚至幾年的時間。即便完成，數據的時效性也相對較差，無法較好地反映城市現狀。此外，由于建模過程中紋理貼圖部分為純人工干預，因此模型紋理也相對而言不夠真實，無法客觀真實的反映城市情況。

基于傾斜攝影測量技術的城市實景三維建模，是一種全自動的建模方式，航飛完成后由軟件全自動進行建模處理，所需的人工干預的過程極少，因此需要投入的人力成本也極低。此外，傾斜攝影的三維建模技術效率極高，每日可達20km2以上。因此，基于傾斜攝影技術的三維建模工藝不但成本低，效率高，貼圖的過程也是全自動處理，可以客觀真實的反映城市現狀，且時效性較高，極其適合“智慧城市”的建設應用。

2.1.2昆明市507 km2實景三維制作

昆明市主城建成區507km2實景三維模型制作是昆明市城市規劃建設管理數字化應用項目中的重要環節，其目的在于為項目最終需要實現的城市動態變化監測及違法搭建建筑查處目標提供數據支撐。

2.1.2.1航空攝影與像控測量

本次項目實施采用傾斜RCD30傾斜航攝儀、運12飛機來完成此次航攝任務，航向重疊度為70%，旁向重疊度70%。最終完成的航線條數為296條，共計80 799個曝光點，約40萬張像片，平均分辨率為5cm，最高可達3cm。

完成飛行后，使用LeicaFramePro軟件對航攝數據進行解壓，使用InertialExplorer和IPASCO+軟件將RCD30的GPS/IMU數據和衛星精密星歷進行融合計算，并用計算后的數據對影像數據進行直接地理定位。對每個架次的數據進行影像質量檢查和無約束空三計算，合格后整理資料，提交成果。傾斜攝影測量工藝流程如圖2所示。

圖2　傾斜攝影流程圖

為保證數據精度，本次實施還進行了外業像控點測量，共計完成312個像控點及200個檢查點，坐標系為CGCS2000坐標系，中央經線為102°，3°分帶。

2.1.2.2城市實景三維模型制作

城市實景三維模型使用Photomesh全自動三維建模軟件進行三維建模。通過攝影測量原理，對獲得的傾斜影像數據進行幾何處理、多視匹配、三角網(TIN)構建、自動賦予紋理輸出城市實景三維模型成果[3-5]，并采用人工修改完成模型局部效果糾正。結合專題建筑物信息數據批量完成模型單體化。城市實景三維模型制作，工藝流程如圖3所示。

圖3　實景三維模型制作流程圖

空三計算基于Photomesh軟件，結合POS系統提供的初始外方位元素，可以模擬包括傾斜影像在內的所有影像的地表投影范圍，采取由粗到精的金字塔匹配策略，在各級影像上進行同名點自動匹配和自由網光束法平差，得到較好的同名點匹配結果。

Photomesh基于空三平差輸出的外方位元素成果，自動將影像進行匹配，組成三維像對。對Tile塊內包含的所有三維像對分別進行點云匹配計算，并將這些像對點云進行匯總合并，構建不規則三角網TIN，并生成無紋理的城市實景三維模型(白模)。Photomesh可在全部候選影像中自動快速選取最清晰最好的紋理貼在對應位置的城市實景三維模型面上，最后輸出紋理清晰逼真的城市實景三維模型(見圖4、圖5)。

圖4　實景三維模型效果圖

圖5　實景三維模型效果圖

本次507km2的傾斜攝影測量及實景三維模型制作共耗時6個月，其效率遠高于傳統人工建模，此外數據所達到的平面精度高于0.3m，高程精度高于0.5m，足以滿足大部分城市規劃及建設需求，同時數據的時效性強，對于城市動態變化監測及違法建筑查處等需求，具有非常大的意義。

2.2DSM、DEM、DOM、TDOM制作

傾斜攝影測量的另一個優勢在于，利用一次傾斜攝影的下視影像，可以滿足傳統二維產品的制作，甚至由于傾斜攝影影像普遍分辨率較高，并且有POS進行輔助，因此最終制作的數據精度也較高[6]。

本次實施采用PixelGrid數字攝影測量工作站，通過光束法區域網整體平差，確定區域內所有影像的外方位元素和加密點坐標成果。空三加密后，通過生成核線影像、匹配種子點線立體量測，自動影像匹配生成高精度的數字表面模型DSM。之后采用房屋過濾、三角網過濾等方式進行DEM的制作，并應用完成的DEM，按照傳統的生產方式進行DOM影像的制作。

而TDOM的制作采用Photomesh軟件結合城市實景三維模型及傾斜攝影下視影像進行全自動輸出，輸出的成果經過少量的人工糾正，即可完成最終TDOM成果的制作(見圖6)。

圖6　TDOM效果圖

3結束語

通過此次昆明市城市規劃建設管理數字化應用項目的實施可以看出，應用傾斜攝影測量技術進行智慧城市的數據采集及制作具有極高的效率及

現勢性，可以滿足大面積的“智慧城市”建設需求。并且一次航飛即可同時完成實景三維模型、DSM、DEM、DOM、TDOM的城市5D產品的制作。因此對于“智慧城市”建設來說，傾斜攝影測量是一種極為合適的數據采集方式。

參考文獻：

[1]GRUENA，ZHANGL，WANGX.3DcitymodelingwithTLS(ThreeLineScanner)data[J].InternationalArchivesofthePhotogrammetry，RemoteSensingandSpatialInformationSciences，2003，34：24-27.

[2]熊俊華，方源敏，付亞梁，等. 機載LIDAR數據的建筑物三維重建技術[J].科學技術與工程，2011，11(1)：189-192.

[3]張平，劉怡，蔣紅兵. 基于傾斜攝影測量技術的“數字資陽”三維建模及精度評定[J].測繪，2014，37(3)：115-118.

[4]牛鵬濤. 基于傾斜攝影測量技術的城市三維建模方法研究[J].價值工程，2014(26)：224-225.

[5]孫宏偉. 基于傾斜攝影測量技術的三維數字城市建模[J].現代測繪，2014，37(1)：18-21.

[6]李鎮洲，張學之. 基于傾斜攝影測量技術快速建立城市3維模型研究[J].測繪與空間地理信息，2012，35(4)：117-119.

[責任編輯：張德福]

Production process of the smart city 5D product based on oblique photograph

ZHAO Hong1, DU Mingcheng2, WU Limin1, GOU Wei2, ZHENG Yinggang1,ZHAO Lei1, JIN Xiaolan2

(1.KunmingSurveyingandMappingManagementCenter,Kunming650500,China; 2.JiuchengSpatialTechnologyCo.,Ltd.,Beijing101300,China)

Abstract：In recent years, oblique photograph technique has become one of the hot technologies of surveying and mapping. With the rapid development of oblique photograph technique, China also has gradually tried to apply it to capturing the aerial image to produce the surveying and mapping products. In this paper, it expounds the production process of the smart city 5D products, which contains the city real 3D model, DSM, DEM, DOM, TDOM, based on the oblique photograph technique. And it also introduces the actual implementation and feasibility analysis of technology applied to Kunming 507 km2 5D products production.

Key words：oblique photograph technique; real 3D city model; smart city 5D products

DOI:10.19349/j.cnki.issn1006-7949.2016.09.016

收稿日期：2015-11-16

作者簡介：趙宏(1965-)，女，工程師,碩士研究生.

中圖分類號：P231

文獻標識碼：A

文章編號：1006-7949(2016)09-0073-04