SWDC-5Ap在大比例尺城市三維模型建設中的應用

孫 愷

(山東省國土測繪院, 山東 濟南 250013)

0 引言

數字城市為城市規劃、智能化交通、網格化管理和服務,是信息時代城市和諧發展的重要手段[1]。數字城市展現方式之一就是三維數字城市模型,將三維模型經過軟件加工形成三維地理信息系統,得到一種真實、直觀的三維虛擬效果。利用傾斜攝影平臺快速獲取多角度影像,已成為當前空間數據獲取的有效方式之一,尤其是在城市三維建設等領域有獨特優勢[2]。楊榮幫利用傾斜攝影研究三維城市建模[3],曾妮紅等、令狐進等利用傾斜攝影測量技術進行城市建筑區的快速獲取[4-5],陳家惠在傾斜影像的三維城市建模影像篩選的研究成果[6],夏正清等基于傾斜模型的國土空間信息管理系統研究[7],曹海春利用消費型傾斜無人機進行城鎮三維重建[8],程俊等用SWDC-5系列獲取傾斜影像數據[9],劉力榮等研究SWDC-5定位定姿方法以及傾斜紋理自動配賦[10-11]。需求的不斷提升與技術的持續發展,促使設備也在不斷升級。

SWDC-5Ap數碼航攝儀是四維遠見公司生產的新型航攝儀,能夠快速獲取傾斜影像,適用于通航固定翼飛機、直升機等多種搭載平臺,能夠滿足各類傾斜攝影需求。

1 SWDC-5Ap系統特點及技術優勢

SWDC-5系列航攝儀,是最早推出的國產傾斜攝影儀,通過1個垂直攝影和四個傾斜攝影相機拍攝獲得多角度影像。

1.1 系統主要參數

系統主要參數如表1所示。

表1 SWDC-5Ap技術參數

1.2 主要的技術優勢

(1)適應性強,可更換不同焦距鏡頭;

(2)單機像素可達到1.5億,大大提高了航攝效率;

(3)快門速度高達1/4 000 s,曝光間隔快至0.9 s,既提高工作效率又保證航攝質量;

(4)高集成度,高自動化,可集成國內外不同品牌的POS及座駕,為用戶組合升級提供便利;

(5)配有自動升降臺裝置,使得飛行平臺靈活選擇,常規飛機+輕小型飛機;

(6)自主研發了航線設計、飛行控制、數據預處理等一系列軟件,為數據采集提供全方位服務。

2 傾斜影像獲取方案

根據任務要求,在遵守國家航空航天遙感影像獲取相關規范的基礎上,結合SWDC-5Ap傾斜攝影系統性能,指定最佳攝影方案。

2.1 傾斜攝影技術流程

依照生產順序首先確定攝區范圍及攝影分辨率,之后安裝設備執行航攝計劃,最后解算POS提交影像,傾斜攝影技術如圖1所示。

圖1 傾斜攝影技術

2.2 傾斜攝影關鍵步驟

2.2.1航線設計

四維遠見公司獨立開發航線設計軟件,首先根據任務要求進行區域外擴,滿足傾斜攝影要求,外擴距離如公式1所示。

w=h×tan(40°)

(1)

式中，w為外擴距離；h為航高；40°為傾斜相機的傾斜角度,該外擴距離能夠保證旁向最外側航線的傾斜鏡頭能夠拍攝到攝區內的地物。

其次計算重疊度時考慮地形要素,使每張相片滿足設計要求,最后根據參數進行航線設計及參數輸出。

2.2.2航飛執行

使用四維遠見開發的操作屏進行航飛執行,首先導入設計文件,其次上傳飛行參數,包括水平偏航、高度偏航、旋偏角度等,最后根據任務進行飛行作業。全程一體化操作,可以根據空域及飛行要求進行及時修正。

2.2.3數據預處理

根據下載后的影像數據及日志文件,處理每個相機文件,進行重新編號,利用地面基站進行定位定向系統(Position Orientation System,POS)差分解算,整理資料并匯交。

3 傾斜影像數據處理方案

完成傾斜影像獲取后進行數據處理,三維模型構建主要包括相對定向、絕對定向、模型創建等步驟,三維模型構建技術流程如圖2所示。

圖2 三維模型構建技術流程

(2)特征點提取與匹配,提取影像中的特征點并與相鄰像片進行匹配。

(3)相對定向,匹配后建立的自由網進行平差計算,提出錯誤點,保留高精度點位。

(4)像控測量,在圖像中標記出地面點位,要求刺點照片點位顯示清晰,刺點準確。

(5)絕對定向,利用部分像控作為定向點、部分像控作為檢查點,進行平差計算。

(6)模型構建,完成空三加密絕對定向后,模型具有真實大地坐標,利用軟件進行模型構建。

4 棲霞傾斜影像獲取實例

為支持智慧城市時空大數據平臺省級試點建設,要求獲取棲霞城區約80 km2、分辨率0.03 m傾斜影像。

同一視圖兩節點之間的關系比較直觀易懂，下面針對跨視圖兩節點之間的關系進行詳細描述，將圖1中裝配流程的每個節點視為一個任務(不考慮圖1中虛框表示的拆卸節點)，用符號“?”表示跨視圖兩節點間存在關聯關系：

4.1 航線設計參數

根據任務要求及攝區情況,將攝區劃分為1個分區,航線方向設定為東西方向敷設,共計96條,航向重疊及旁向重疊均為75%,航線設計參數如表2所示。

表2 航線設計參數表

4.2 直升機搭載平臺

本次飛行使用AS350B3直升機作為搭載平臺,主要技術參數如表3所示。

表3 AS350B3直升機性能參數

由于設備無法安裝與機艙內,所以設計制作了平臺支架將航攝儀安裝在機艙外,并在另一側添加配重,保證飛行負載均衡,航攝儀安裝如圖3所示。

圖3 SWDC-5Ap安裝圖

4.3 數據預處理

4.3.1數據下載

原始影像數據采用最新固態硬盤,關機后直接插拔帶回即可,POS數據日志文件均可一鍵完成下載。

4.3.2POS差分解算

將地面基站數據與機載POS數據進行差分解算,獲得每張像片的外方位元素。

4.3.3飛行質量檢查

根據飛行日志及差分解算后POS文件數據,對航線重疊度及影像旋偏角進行檢查。

4.3.4影像質量檢查

查看影像有無丟片、漏片,色彩、飽和度等情況,查看有大面積無云、煙情況。

經上述檢查,攝區覆蓋完整,重疊度符合要求,飛行質量良好;影像清晰,層次豐富,色差適中,色彩飽滿,影像質量優良。

4.4 三維模型建設

4.4.1區塊劃分

由于棲霞攝區較大,難以一次完成全區空三加密,首先進行區塊劃分。

4.4.2相對定向

通過POS輔助進行特征點提取與匹配,之后進行平差計算,剔除錯誤加密點。

4.4.3像控測量

使用RTK測量外業控制點,導入數據,人工選取圖像對應位置進行標記。如圖4所示。

圖4 像控測量

4.4.4精度檢測

傾斜影像最終數據成果用于城市三維模型建設,為保證后期成果精度,該攝區共布設像控點311個,檢核點102個,根據設計要求進行空三加密并檢測精度。

表4為某個區塊空三精度統計表,從表4中可以看出,平面位置及高程精度約為1個像素,說明SWDC-5Ap航攝儀用于3 cm傾斜影像獲取可以滿足后續建模要求。

表4 棲霞市傾斜影像空三加密檢查

4.4.5模型創建與修飾

根據空三加密成果,設置空間框架及瓦片大小。

4.5 成果展示

某學校三維模型成果如圖5所示。

圖5 傾斜攝影成果截圖

5 結束語

本文以棲霞市智慧城市建設為例,分析了SWDC-5Ap數字航攝儀技術優勢,研究其用于大比例尺傾斜影像獲取的技術流程,并對成果數據進行了檢驗分析。成果表明,基于直升機搭載SWDC-5Ap數字航攝儀,獲取影像質量優良,精度符合設計,其成果能夠滿足城市三維建模需求。