傾斜攝影技術在城市規劃中的應用

王宇

（撫順市勘察測繪院有限公司 遼寧撫順 113008）

1 概述

傾斜攝影測量技術是近年來發展起來的一項新的測量技術。它改變了以往航測遙感影像只能從垂直方向拍攝的局限性，傾斜攝影測量技術通過多臺傳感器從不同的角度進行數據的采集，快速、高效獲取豐富的數據信息，真實地反映地面的客觀情況，滿足人們對三維信息的需求。目前，傾斜攝影測量技術已經應用于實際的生產實踐[1]。傾斜攝影能夠快速、大范圍的獲取地表自然地物或人工建筑的整體三維模型。與傳統手工三維建模相比，傾斜攝影生成的三維模型具有紋理真實感強，建模效率高等突出特點。以傾斜攝影成果作為城市規劃的基礎地理信息數據，可以使規劃方案的展示在三維環境下更加直觀形象，可以通過日照分析、視線分析等三維分析方法對規劃方案進行更科學有效的評價。

本文以實際項目為例，該項目位于撫順城區，作業面積約2km2，采用四旋翼無人機搭載微型五鏡頭相機作為航攝器材，利用三維建模軟件進行空三處理、三維建模、生成真正射影像，利用清華山維軟件進行二維地形圖測繪。

本文從航攝飛行、控制測量、數據處理、數據應用等四個方面介紹了傾斜攝影在城市規劃中的應用。

2 航攝飛行

2.1 航線設計

傾斜攝影的航線設計工作首先需要確定相對航高、航向重疊率、旁向重疊率等航拍作業的基本參數。

航攝相機主距f為7.8mm，像元尺寸L=1.4μm，地面分辨率D為5cm，根據三角相似原理：

可求得相對航高h為280m。

根據以往的傾斜攝影作業經驗，航向重疊度和旁向重疊度均設置為80%時，既可以滿足傾斜攝影三維建模對地物多方位不同角度的構像要求，又能最大程度減少航線數及總相片數，降低航攝成本和后期數據處理的壓力。

確定好相對航高和重疊率，便可以在無人機的地面站軟件中進行航線規劃。由于無人機的續航時間有限，總的航線所需時間超出了無人機的最大航時，因此將測區劃分為6個架次進行航攝飛行。

2.2 無人機航攝

無人機起飛前進行需進行詳盡細致的檢查。檢查全部合格后，控制飛機起飛，觀察飛機的姿態是否穩定，檢查無誤后切換到自動駕駛狀態，飛機爬升至預設高度并進入航線開始拍攝。

飛行結束后，將相機拍攝的影像文件和飛機飛控記錄的POS數據傳輸到計算機中，對飛行數據進行檢查。重點檢查照片是否有丟漏、重疊度滿足要求。若飛行數據不滿足要求，應分析原因，并進行重拍或補拍。

3 控制測量

盡管直接利用像片的POS數據也可以完成傾斜攝影三維模型的絕對定向，但這樣的定位結果無法滿足城市規劃的需要。一來POS數據來自于飛機自帶的導航型GPS接收機，數據精度較低；二來POS數據的坐標系為WGS84坐標系，并非城市規劃使用的地方坐標系。為了解決上述問題，需要實測一定數量的像片控制點，用來對三維模型進行精確的定位。

現行的攝影測量規范并未對傾斜攝影的像控點布點方案做出明確規定，根據以往項目的工作經驗，每平方公里選擇10個以上像控點便可以滿足需要，實際作業時選取了46個像控點。這些點在測區內分布均勻，完整覆蓋了測區，點位均選在了明顯的地物拐角點或線狀地物的交叉點，例如道路標志線、房屋等地物的角點等。利用GNSS接收機、全站儀等設備測定出上述46個點的平面坐標及高程，并在相應的相片上做好點位標記。

4 數據處理

4.1 空三處理

三維建模軟件的空三解算過程主要分三步。首先需要提取每張照片上的特征點，接下來通過特征點進行同名像點匹配，生成大量的連接點，最后根據匹配信息以及輸入的像片控制點進行光束法平差，剔除粗差點，解算出連接點的實地坐標及每張像片的外方位元素。

實際項目中使用了26個像控點參與空三解算，剩余20個點作為檢核點進行精度檢驗。經過統計，控制點平面中誤差為6.3cm，高程中誤差4.1cm，檢查點平面中誤差為5.9cm，高程中誤差4.9cm，考慮到實際項目中像片的地面采樣間隔為5cm，基本將誤差控制在一個像素大小，空三成果精度較為理想。

4.2 三維模型生成

空三解算通過后，利用三維建模軟件的建模功能，通過影像同名點匹配技術，可生成基于真實影像的超高密度點云，再根據點云數據生成數字表面模型（DSM），并自動將紋理映射到DSM上，并以此生成基于真實影像紋理的高分辨率實景真三維模型，形成整體的三維模型數據。這種三維模型對真實場景在原始影像分辨率下的全要素級別的還原達到了無限接近真實的極致。

5 數據應用

城市規劃需要使用地形圖、影像圖、三維模型等多種形式的地理信息數據作為基礎數據。傾斜攝影成果通過處理，可以轉化為上述類型的數據加以利用。

5.1 真正射影像生成

傳統的數字正射影像圖是在數字高程模型的基礎上進行生產的，影像圖上的房屋、橋梁等建筑具有投影差，嚴重影響了影像圖的準確判讀。真正射影像是將正射影像糾正為垂直視角的影像產品，表現為地形、建筑物等要素沒有投影差、建筑物間無遮擋的正射影像圖，全面無遺漏地展現了地面上的物要素[2]。

以傾斜攝影空三處理結果為定位基礎，以生成三維模型時的高精度DSM數據為高程數據源，對原始影像中的下視影像進行正射糾正，利用其他方向的影像對遮擋部分進行修補，便可生成真正射影像。

5.2 利用傾斜攝影模型進行地形圖測繪

與用傳統的攝影測量方式不同，采用傾斜攝影模型進行地形圖測繪，不需要專業的立體顯示設備，對作業人員的立體感沒有特殊要求，可以直接在三維模型上對地物進行量測[3]。傾斜攝影模型可以準確定位建筑物的側立面，因而在勾畫建筑物時可以直接勾畫其建筑主體，省略掉了房檐改正的環節，并且可以判讀出房屋的層數，減少了外業調繪的工作量。

使用清華山維軟件進行傾斜攝影模型測圖，需要先把三維建模生成的osgb格式三維模型轉換為dsm格式的數據，接下來加載轉換后的數據。軟件會自動打開一個三維模型窗口和一個二維矢量窗口，兩個窗口會進行聯動，在三維窗口描繪的地物會自動顯示在二維窗口中。對于比較規整的矩形房屋，可以選擇“五點房”功能進行繪制；對于不規則房屋，可以通過按住ctrl鍵捕捉每個角點的方式繪制。除了房屋之外，水系、管線、道路、植被、地貌等信息均可以按照類似的方式在立體模型上進行采集。

6 結語

利用傾斜攝影方式進行城市規劃基礎地理信息數據的生產，具有獲取速度快，覆蓋范圍大，數據精度高，模型真實感強，二三維一體化，成果應用形式多樣等特點。隨著城市規劃逐步轉向信息化、智能化、三維化，傳統的數據生產手段已逐漸難以滿足高水平城市規劃管理的需求，傾斜攝影技術將會在城市規劃中得到更廣泛的應用。

[1]楊國東，王民水.傾斜攝影測量技術應用及展望[J].測繪與空間地理信息，2016，39（1）：13～15.

[2]郭林凱.利用傾斜攝影進行TDOM制作的研究[J].測繪通報，2017（2）：79～81.

[3]陳昕.無人機傾斜攝影測量在建筑規劃竣工測繪中的應用[J].城市勘測，2017（1）：82～85.