傾斜攝影應用于地理國情普查與監測的探討

薛雁明，周軍元，戴 丹，許南茜，李 曉

（ 1.鄭州測繪學校，河南 鄭州450015；2．湖北省測繪工程院，湖北 武漢 430074；3．湖北省航測遙感院，湖北 武漢 430074；4．武漢金方圓信息技術有限公司，湖北 武漢430074）

1 地理國情普查與監測的概述

地理國情監測是綜合利用全球導航衛星定位、航空航天遙感、地理信息系統等現代空間信息、測繪技術，在進行地理國情普查、建立本底數據的基礎上，綜合各時期測繪與專題成果資料，對相關的地理國情要素進行動態和定量化、空間化的監測，并統計分析其變化量、變化頻率、分布特征、地域差異、變化趨勢等，形成反映其空間分布及其發展變化規律的監測數據、地圖和研究報告等。

在以前的地理國情普查與監測項目中存在一些普遍問題：

1）以往的地理國情普查使用的數據一般為航攝正射影像，這種數據一般是由飛機在使用航攝儀拍攝后處理拼接而成，從正射影像上看，絕大部分房子的頂視圖發生了投影變形。

2）由于航攝影像由飛機在高空拍攝，它所生成的正射影像必然存在上層遮蓋下層的問題。

3）一般情況下，計算機自動分類提取地表覆蓋分類數據，也需要針對分類結果進行人工編輯。這其中自動分類、人工解譯其實都是立足于影像色差的判讀方式，航攝影像在色差上往往受到影像質量、天氣煙霧、光照陰影、人為因素等多種干擾。

4）地理國情普查和監測的技術方案可能已經難以滿足現有空間地理信息監測的需求了。比如立交橋，在二維繪圖工程中一般遵從“上層通下層斷”的繪圖原則，但是隨著多層立交橋的出現，這時簡單的上下層原則已經不適用。

2 傾斜攝影測量三維技術簡介

近年來，國內外眾多學者在傾斜攝影技術方面已經開展了大量的研究。張祖勛在2004年就提出了計算機視覺的概念[1]；王偉、劉國棟等人在三維城市建筑物建模中開展了應用研究[2,3]；楊久勇等在中國測繪學會2010年學術年會上闡述了傾斜航空攝影的原理與特點[4]；桂德柱、季錚、趙修莉等人在三維模型重建方面進行了研究和論文答辯[5-7]； 李德仁院士提出了智慧地球時代測繪地理信息學的新使命[8]，傾斜攝影技術經過這一段時間的發展，已有一套成熟的航空測繪方面的應用方案。它利用飛行器掛載五向高分辨率照相機從不同角度拍攝目標物體的影像，通過傾斜三維建模軟件，由計算機自動構建出目標三維模型，從而獲得整個測區的精確模型。

相較于以前的人工建模方案，傾斜攝影建模具有更好的真實感，同時由于使用計算機自動建模，在一定的條件下能極大地節省人力，更適合大規模的自動化建模。

3 實景三維技術針對國情普查的解決方案

武漢金方圓信息技術有限公司（Wuhan GSC Information Technology Co.Ltd.，以下簡稱“金方圓公司”）結合過去在國情普查方面的技術經驗和在傾斜攝影建模方向的研究成果，認為能夠以傾斜攝影建模技術為基礎，開發適用于地理國情普查和監測的三維地理空間信息系統。

3.1 傾斜攝影三維建模方案

3.1.1 傾斜攝影相機

GSC傾斜攝影相機為金方圓公司自主研發的專業傾斜相機，相較于徠卡等國際廠商的傾斜相機，GSC傾斜攝影相機功能適用、價格低廉，而較之于一些國內的無人機傾斜相機系統，GSC傾斜相機具有更高的分辨率和成像質量。GSC傾斜相機主要掛載于有人直升機和三角翼飛機，比無人機飛行更適合于大面積建模。

相機的影像獲取部分由5個數碼相機組成（1個垂直攝影相機和4個傾斜攝影相機），并集成機載GPS接收機／高精度IMU，提供每張影像的外方位元素，該相機的成像架構如圖1所示。

圖1 傾斜攝影相機的成像架構圖

3.1.2 三維建模

三維建模流程如圖2所示。

圖2 三維建模流程圖

同時軟件還可以根據已經生成的三維模型來生成真正射影像，由于采用對三維模型進行壓平處理獲得真正射影像，所以不會出現建筑側面出現在影像上的情況。

3.1.3 基于傾斜攝影三維模型的地理國情內業調繪

傳統的地理國情普查手段，包括內業圖上繪制和外業調繪。內業繪制即利用航攝的地面正射影像來勾畫圖斑并賦予屬性數據。影像的目視解譯除了依據相關參考資料，就只能看色差，根據圖上色差來勾畫地塊邊界，一旦碰到地物遮擋和無法確定色差的地方，內業人員無法判定，正射影像本身有其局限性，所以內業無法確定或者有問題的地區需要外業實地調繪。

當內業繪圖的基本資料由正射影像換為三維模型時，這一根本問題就有了顯著優化，傾斜三維模型除了真實反映原始地物的色差，它還表現了目標高程、形狀、紋理等屬性，操作者不用到實地就能360°無死角觀察地物。在二維影像調繪的過程中，類似于建筑側面成像、地物影像遮蓋、內業地類辨別等都不再成為三維模型調繪的問題。

3.2 傾斜攝影三維模型的精度分析

在廣東省的某項目中，金方圓公司利用傾斜攝影進行三維建模，其成果經實地采樣檢查，樣本中15個檢查點在X、Y、Z3個方向的標準偏差分別為0.171 m、0.154 m、0.179 m，滿足1∶2 000大比例尺成圖的要求。

通過對項目過程的分析和總結，得出高精度三維模型的精度控制主要得益于以下方面：

1）高精度GNSS/IMU數據；

2）影像匹配時，結合外方位元素獲取到更多有效的特征點。

3.3 三維模型應用于國情普查的優點

實景三維模型應用于國情普查時，其優點如下：

1）傾斜攝影建模方案，相機拍攝自動化、計算機建模自動化。

2）數字模型用于土地調繪的一大成果就是土地可視化，對于非專業人士來說，全國土地調繪的數據成果是較難理解的，即使是對相關知識有了解的人，也要經過一段時間的培訓才能清楚地解讀圖上數據。而有了三維模型，對于外行來說，模型也是真實可見的，易于理解。

3）傾斜攝影建模由于可以給出直接的地物模型，我們在國土調查中難以收集的資料也可以通過相關程序來采集，可以說“模型在手，一切皆有”，這有利于數據的利用。比如耕地坡度數據，國家規定25°以上山地應該退耕還林，但是這個25°判測按常規手段需要外業人員去山地一塊地一塊地測，對于模型來說一個程序就可以全部提取出來。

4）從數據維護與更新方面來講，地理國情普查數據講求時效性，應該定期更新。傳統的數字正射影像圖、數字線劃圖因其生產周期長、數據量太大，難以快速維護與更新。而建筑模型只要使用單體化技術，每次維護都是只對需要更新的地物單體進行小范圍無人機傾斜建模，將新模型替換舊模型并修改對應的屬性層數據即可。同時由于VR技術等 三維技術的發展，數字三維模型的大規模應用即將成為潮流。

5）地理國情普查在正射影像上進行內業解譯和外業調查等工作，需要消耗大量的人力物力。而對正射影像解譯中遇到的大量問題進行外業調繪，其勞動強度大，工作效率低，勞務費用高，而傾斜攝影方案需要的人工調繪量不及正射影像方案的十分之一，所消耗的時間也大大減少，同時也降低了勞動強度，工作效率大大提高。

4 結 語

實景三維傾斜攝影技術在國內已經有過多項實際項目采用，并廣泛應用于測繪、房地產、救災、智慧廠區、智慧景區等方面，而新時代地理國情資訊方面的需求將會越來越高，采用新技術也將是測繪任務的需求，實景三維傾斜攝影技術應用于地理國情普查可以有效的降低成本，節省時間，取得良好的經濟效益與社會效益。