中分辨率航空航天傾斜攝影在河北省實景三維試點建設的應用

相曉立 劉建勇 李 偉 祝曉坤

(1. 河北省第三測繪院, 河北 石家莊 050031;2. 河北省制圖院,河北 石家莊 050031;3. 北京市測繪設計研究院,北京 100045)

0 引言

隨著各類航空航天傳感器、各類學科和計算機軟硬件的高速發展,攝影測量與遙感產品的種類和科技含量大幅度增加,其中最具代表性的是航空傾斜攝影實景三維產品,也嘗試利用遙感衛星數據開展航天傾斜三維建模[1]。2020年前利用傾斜攝影獲取多角度、高重疊的航空影像,通過空三加密、點云提取、構建三角網、提取紋理制作出的三維模型被統稱為實景三維;在“實景三維中國”的概念正式提出后更名為傾斜攝影三維。原概念在豐富和提升后,“實景三維”被定義為“對人類生產、生活和生態空間進行真實、立體、時序化反映和表達的數字虛擬空間。”實現了從“抽象”到“真實”、從“平面”到“立體”、從“靜態”到“時序”、從“按要素、分尺度”到“按實體、分精度”、從“人理解”到“人機兼容理解”、從“陸地表層”到“全空間”的全面提升[2]。

十年的發展,我國數字城市、智慧城市等地理信息系統綜合應用實現了由二維向三維的轉換,其中傾斜攝影三維起到了至關重要的作用[3]。河北省基本完成了縣級以上城市的城市級(3～10 cm)傾斜攝影三維的生產,正在向部件級的更高分辨率(1 ～3 cm)傾斜攝影三維方向發展。隨著國家建設的發展,在建成區生產了多種分辨率、多種形式和多批次的傾斜攝影三維模型,極大地豐富了各領域應用的三維數據[4];而放眼于占國土陸地面積超過99%的非建成區區域則尚無真正意義的三維模型數據。根據《實景三維中國建設技術大綱(2021版)》要求,各省自然資源廳將要開展基于基礎測繪項目的數字高程模型(digital elevation model,DEM)、數字正射影像圖(digital orthophoto map,DOM)構建地形級地理場景,以期填補非建成區無三維的空白。以河北省為例,基礎測繪DEM分辨率為5 m,DOM分辨率為0.5 m,以此為基礎的地形級地理場景無論是從精度指標還是從三維場景的辨識度的角度看,僅適合于自然資源要素管理的初級應用。

在攝影測量與遙感領域中,地面分辨率優于0.1 m的各類影像屬于高分辨率影像,多用于地籍測繪、城市管理和城市級地理場景重建等方面;地面分辨率處于0.2～2 m區間的屬于中分辨率影像,它在關注地物表面細節的同時更側重于表現地物在大場景、大環境條件下所體現的整體特征。

國內在“實景三維中國”建設的大背景下,各省參照經濟實力、建設需求等方面制定各省地形級地理場景的建設方案。這些方案在基于基礎測繪DEM、DOM數據構建的基礎上,延伸到利用機載激光點云數據制作的數字地表模型(digital surface model,DSM)或DEM疊加DOM重建方案、利用中分辨率航空傾斜攝影三維重建方案[5]。利用中分辨航空航天傾斜攝影三維技術重建的地形級地理場景,包括航空中分辨率影像和衛星遙感中分辨率立體影像,能夠為自然資源管理提供更高精度的地理空間位置和更加豐富的地理信息數據,為深層次的應用提供數據保障[6]。這一方案在國際上由于成本、需求等原因尚無大范圍推廣。

本文以河北省2020年進行的“河北省實景三維試點建設項目”應用實踐為例,介紹利用中分辨率航空航天傾斜攝影三維進行地形級地理場景重建的關鍵技術,并從生產數據源、生產技術、產品質量等多角度對利用中分辨率航空傾斜攝影三維進行地形級地理場景重建的可行性分析[7]。

1 項目介紹

“河北省實景三維試點建設項目”以唐山市區及其南部區域劃定2 500 km2為范圍進行試點的實施工作。其中400 km2進行中分辨率航天傾斜攝影三維數據生產,2 100 km2進行中分辨率航空傾斜攝影三維生產。

2 中分辨率航空傾斜攝影三維重建分析

2.1 生產流程圖

項目使用大棕熊K100型飛機,掛載PAN U5型傾斜航攝儀,累計獲取11 520張地面分辨率為0.42 m的傾斜攝影影像,有效覆蓋面積2 100 km2;使用Way Point進行POS數據解算;采用Capture One軟件進行數據格式轉換和影像預處理,通過Worldview Pro進行影像輻射校正處理;使用Context Capture進行空三加密解算和三維制作;最后基于DP modeler進行三維模型后處理,可以看到高分辨率傾斜攝影三維的重建技術完全適用于中分辨率航空傾斜攝影三維的重建。

2.2 技術難點

地形級地理場景的最大特點是覆蓋面積廣,每一期的航空攝影工作量大,需要同時使用多架飛行器和航攝儀進行航攝,所帶來的技術難點體現在合理處理海量影像的空三加密和多款傾斜航攝儀的影像色彩特征不統一上。前者通過增加生產節點和提高計算機運算配置解決,后者的處理需要對各款傾斜航攝儀進行傳感器色彩校正。

從中分辨率航空傾斜攝影三維重建流程圖(圖1)中可以看到，其生產流程與城市級高分辨率傾斜攝影三維生產流程基本一致,最大區別在于三維覆蓋面積大小,進而對成像色彩特點造成影響。為此,傾斜航攝儀的傳感器校正采用飛行期間獲取檢校數據和數據獲取后進行的模擬檢校。本文此次探討的為飛行期間獲取檢校數據的技術方案,該方案更為客觀合理：在航攝區域布設單色塊大小超過1 m2的24色校色調色板(后簡稱24色板)和等大的灰色板各一塊,放于非陰影區域,待飛行結束后,以24色板和灰色板居中的5鏡頭影像作為參考影像數據進行檢校工作。

圖1 中分辨率航空傾斜攝影三維重建作流程圖

傳感器色彩校正核心是計算傳感器改正數,方法是通過航攝儀各個攝像頭拍攝標準24色板(24色校色調色卡),獲取各個傳感器24色板實際值P,根據24色板標準值S,推算傳感器改正數T。考慮每個樣本值均含有RGB3個數值,利用式(1)進行傳感器改正數的計算。

(1)

式中，S24×3為24色板標準值;T3×3為傳感器改正數;P24×3為傳感器中24色板真實值。

此外,還要根據傳感器成像特征對影像進行專門校正,例如：PAN-U5相機,其整體色彩與真實值相近,但存在少量中心亮、四周暗的問題,需要對單片影像進行整體校正處理。

2.3 成果與分析

中分辨率航空傾斜航攝影像的紋理信息無法達到高分辨率影像水平,無法清晰表達各類地物的細節信息,但是在建成區可表達地物形狀、層數等關鍵信息,在非建城區能夠表達各類地物的主體形狀、紋理信息見圖2。因此，中分辨率航空傾斜攝影三維能夠滿足自然資源要素管理的基本需求[8]。

本次項目中分辨率航空傾斜攝影三維的空間精度由2009個野外檢查點統計獲得，見表1。

圖2 中分辨率航空傾斜攝影三維的紋理質量

表1 傾斜攝影三維數據產品空間精度統計

空間精度統計表中,分辨率傾斜攝影三維的平面精度中誤差約為1.5個像素,高程精度中誤差約為1個,兩者最大殘差符合設計要求。

需要強調的是,作業人員需要正確認識空三加密精度和產品質量中空間精度的不同含義,以ContextCapture軟件為例,其空三加密解算的收斂預期為原始像素的1/20左右,以此為標準通過空三解算將誤差進行分配。但空三解算報告的精度統計不能作為實際精度的結果,而只能作為粗差點剔出的參考。此外,以像素為單位用于傾斜攝影三維產品的空間精度評估較為合理、直觀,能夠適用于各種地面分辨率的傾斜攝影三維的空三加密解算。

本次項目中,傾斜攝影三維產品精度明顯優于同等分辨率的DEM、DOM的精度。這得益于海量的、多角度傾斜攝影影像能夠搭建剛性更強的空三加密網,能夠在減少像控點的前提下解算出精度更高的影像姿態參數;尤其值得注意的是,傾斜影像有效提升了影像在高程方向的分辨率,使三維產品的高程精度顯著提升,這一點在測繪領域極為重要[9]。

3 中分辨率航天傾斜攝影三維重建技術分析

由于衛星三維重建技術國內尚無成熟的商業軟件和衛星數據,本次測試采用空客公司的衛星三維重建方案：①使用像素工廠軟件,該軟件是國內外唯一一款實現衛星三維制作商業化的軟件;②采購空客公司的Pléiades衛星影像,該衛星擁有通過傾角和側擺角調整技術獲取目標區域的各個角度影像的技術方案。

3.1 生產流程圖

項目采購唐山市區400 km2的Pléiades衛星影像11景,其中9景屬3個三像對,2景為正射角度拍攝;通過像素工廠軟件進行空三加密,并進行點云(DSM)修飾和三維重建;最后使用Worldview Pro軟件對三維重建成果進行色彩調整，見圖3。

圖3 衛星三維重建流程

3.2 技術難點

衛星三維重建方案與《實景三維中國建設技術大綱(2021版)》中地形級地理場景重建方案類似：通過多角度衛星影像構建多立體像對,獲取該區域高精度DSM數據,再利用各衛星影像姿態提取地物各角度紋理進行地理場景重建[10]。

由于無法獲取高重疊度、大傾角的衛星影像,三維重建的空間精度和紋理精度依賴于衛星影像的姿態參數、影像獲取角度和點云的合理性,下面就這幾個方面進行探討。

3.2.1多角度拍攝

空客公司利用Pleiades衛星的傾角和側擺角編程調整的能力,在3條星軌上對目標區域分別獲取了3組三像對,獲取了9個方向無死角的斜射影像，見圖4。

圖4 衛星影像角度模擬示意圖

3.2.2衛星參數

本次項目使用的衛星——Pléiades數據采用空客公司提供物理傳感器模型,精確模擬成像物理過程,能夠在提供數據之前進行精確的檢校,數據無畸變,衛星影像剛性強;此外,提供的衛星姿態參數精度較高,使后續空三解算結果達到高精度[11]。具體表現為：

(1)直接采用融合后的彩色影像產品,而不是全色波段和多光坡波段分離的影像數據;

(2)其后空三加密環節僅使用9個地面控制點,就達到了1/4像素的空三解算精度;

(3)在點云獲取環節,離散點聚合性較好,粗差點少,生成的DSM數據穩定,處理難度降低。

3.3 成果與分析

本次空間精度從全部外業檢查點和地面檢查點兩組數據進行統計。這是因為全部檢查點的空間精度統計與期望值偏差較大,分析后發現,房屋拐角的空間精度普遍較差,系產品點云無法精準表現房屋拐角所致,故僅以地面檢查點進行了二次統計,與期望值相近,見表2。

表2 衛星三維重建產品空間精度統計表

從外觀效果看,衛星三維重建的產品能夠初步表現城市主體輪廓和建筑物側面紋理信息,但與同等地面分辨率的傾斜攝影三維產品的表現力仍有差距,其原因為Pléiades衛星影像原始地面分辨率約為0.7 m,后經過計算處理增強至0.5 m。通過對衛星三維重建的生產流程、衛星影像要求、生產軟件等因素的分析,可以發現產品的質量依賴于衛星數據,包含因素有傾斜角度、地面分辨率、衛星影像姿態參數和衛星影像數量;點云密度、精度不夠,需要進行進一步的點云編輯，見圖5。

圖5 衛星三維重建建筑群示意圖

此外,衛星三維重建的原始影像數據存在較大的不足,成本、傾角、質量均與傾斜航空攝影三維重建有較大距離,不適于建成區的三維重建。但是作為地形級地理場景重建手段,衛星三維重建仍可以發揮較大的作用。首先,從地形級地理場景角度看,絕大部分要素中長期無變化,這就這就意味著能夠利用多重復周期的國產公益衛星影像(如高分7號衛星影像)的存檔影像進行三維重建工作,彌補衛星影像數量不足和采購成本高的缺點[12]。同時,可以利用多數據源、多分辨率影像進行低密度點云的生產,利用高分辨率衛星影像提取紋理信息,得到質量較高的產品。

其次,地形級三維場景中的垂直坡面極少,可以減少DSM人工編輯工作,而基于高分7號衛星和資源3號衛星立體測繪影像處理技術的成熟,能夠提高整體生產流程的自動化程度。[13]最后,由于地形級三維場景多以銳角坡面為主,不要進行側面紋理的計算提取,利用點云和影像提取側面紋理的運算可以不做,這樣三維產品制作環節可以轉換為DSM或DEM疊加DOM進行三維場景重建。因此,當衛星三維重建用于地形級地理場景重建時,生產軟件功能僅包含衛星影像處理即可,即降低了軟件開發商的研發難度[14-15]。

4 結束語

中分辨率航空航天傾斜攝影三維重建的意義在于為我國陸地面積超過99%的非建成區提供三維場景、填補空白。不同于DEM疊加DOM制作的三維場景,中分辨率航空傾斜攝影三維地面分辨率、精度、地物特征表現力更為優秀,是一種進階型的三維地理場景。各大應用平臺僅需進行簡單的編譯,就可以將適用于建城區的各個功能延伸至自然資源全要素管理中：自然資源要素單體切割后屬性查詢,通過精準坡度改正后的面積量算,精度優于DEM的水淹分析,多要素綜合可視化應急事件處理等。

此外,隨著產品的快速普及和需求量的增加,傾斜攝影三維的數據優勢得以體現。不同于DOM、DEM數據,傾斜攝影三維的數據格式沒有對分辨率進行規定,只要坐標系統一致,就可以將多批次、多分辨率的傾斜攝影三維進行無限制的組合。這一點為傾斜攝影的數據更新、特殊地物的高清表達創造了條件,實現地形級地理場景與城市級地理場景的無縫連接。

本文通過“河北省實景三維試點建設項目”的分析,從生產技術、生產成本、生產周期和產品質量等多角度驗證了中分辨率航空傾斜攝影三維重建的可行性、適用性,在一定程度上,可替代DEM疊加DOM制作的地理場景,成為進階型地形級地理場景,用于“實景三維中國建設”。在河北省“十四五”已經開展的新型基礎測繪中,開展的是以地面分辨率0.2 m的傾斜攝影三維作為核心的地形級地理場景重建,以實現同京、津、雄安等高發達地區數據同步的目標。