基于傾斜攝影測量城市級實景三維建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)研究

劉光鑫 虞列沛 賀 培

（1.廣東省有色地質(zhì)測繪院，廣東 廣州 510080；2.廣州市威控機器人有限公司，廣東 廣州 510000）

0.引言

近幾年來，隨著我國“智慧城市”建設(shè)需求不斷提升，城市級實景三維模型這種所見即所得、滿足測繪精度的三維模型逐漸成為大眾熱衷的表達方式，也是構(gòu)建三維基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)的重要數(shù)據(jù)載體。因此，建設(shè)城市級實景三維模型成為三維GIS應(yīng)用領(lǐng)域的研究熱點。

在構(gòu)建城市三維模型技術(shù)方案中，傳統(tǒng)的人工單體建模有著諸多缺陷，如建設(shè)周期長、成本高、精度低、與現(xiàn)實世界反差較大等，而基于激光雷達技術(shù)的三維建模雖然在精度方面有較大提升，但是受限于硬件成本高昂、后期數(shù)據(jù)處理工作量大，只能適用于小范圍精細建模，不適用于城市級大面積建模。隨著傾斜攝影技術(shù)的快速發(fā)展，相關(guān)設(shè)備平臺也日趨完善。徠卡CityMapper作為世界上首款專為城市測量打造的機載混合傳感器，單傳感器可以獲取傾斜影像和多波段下視影像，同時還包括三維激光點云數(shù)據(jù)。

本文采用CityMapper傳感器，采集了汕尾市城區(qū)范圍39290張高分辨率影像及點云數(shù)據(jù)，制作了汕尾市城區(qū)392 km2實景三維模型，并利用203個像控點進行精度約束。最后通過檢查點對三維模型成果進行精度評定，符合1∶1 000地形圖測繪精度。相比傳統(tǒng)三維建模，應(yīng)用傾斜攝影測量技術(shù)構(gòu)建的實景三維模型結(jié)構(gòu)真實、紋理豐富、具備較高的平面和高程精度[1]，同時大幅度降低了三維建模的成本并有效地提高了模型生產(chǎn)的效率。筆者認為這套技術(shù)方案將成為城市級實景三維建模的主流趨勢。

1.數(shù)據(jù)獲取

1.1 測區(qū)概況

汕尾市位于廣東省東南沿海，東同揭陽市惠來縣交界；西與惠州市惠東縣接壤；北接河源市紫金縣；南瀕南海，與香港隔海相望。陸域界線南北最寬處90 km，東西最寬處132 km，總面積5 271 km（2不含東沙群島1.8 km2），占全省總面積的2.93%。大陸岸線長302 km，占全省岸線總長度的9%；轄內(nèi)海域有93個島嶼、10個港口和3個海湖。根據(jù)地形地貌、氣候條件、申請空域條件等各因素綜合分析，按照國家基礎(chǔ)航空攝影地區(qū)的困難程度分類，汕尾市城區(qū)范圍屬于航空攝影Ⅲ類區(qū)域，如圖1所示，實施影像獲取相對較難。圖1是本項目的航攝范圍。紅色范圍線為航攝范圍，黃色范圍線為城建區(qū)，建筑較為密集。

圖1 航攝范圍

1.2 航攝外業(yè)實施

外業(yè)航拍采用陜西精功通用航空有限公司的塞斯納208飛機，本項目采用的CityMapper航攝儀相機主距是80 mm，地面分辨率是10 cm，根據(jù)相關(guān)公式計算飛行的相對航高為1 550 m，為了達到傾斜攝影建模目的，航向和旁向影像照片要保證有足夠的重疊率，航向重疊率和旁向重疊率都設(shè)定為70%，測區(qū)敷設(shè)41條航線，總航線長度1340.6 km，本測區(qū)航線規(guī)劃，如圖2所示。

圖2 航線規(guī)劃

1.3 控制測量

本項目數(shù)據(jù)基礎(chǔ)：

（1）平面坐標系統(tǒng)：采用2000國家大地坐標系。

（2）高程系統(tǒng)：采用1985國家高程基準。

（3）投影和分帶：用高斯—克呂格投影，3°分帶，中央子午線為114°。

控制點根據(jù)地形及航線規(guī)劃進行布設(shè)，共設(shè)置203個控制點及98個檢查點。

2.城市級傾斜攝影測量關(guān)鍵技術(shù)

2.1 航攝系統(tǒng)CityMapper

徠卡CityMapper配備了5臺8000萬像素航攝儀，能夠以45°黃金角度獲取高分辨率影像，更清晰的紋理采集可最大限度地還原真實的世界。配備兩種不同焦距組合方案，能夠更加靈活地滿足不同地域要求，輕松飛行的時代已經(jīng)開啟。徠卡CityMapper同時配備激光雷達組件，可提供全地形解決方案，無需考慮地形起伏所增加的額外采集成本，真正達到一機兩用。

系統(tǒng)內(nèi)部集成NovAtel SPAN GNSS-IMU系統(tǒng)，支持GPS/GLONASS/BeiDou等全球衛(wèi)星星座，高精度陀螺儀保證更少控制點布設(shè)，獲取更高數(shù)據(jù)質(zhì)量[2]。

2.2 數(shù)據(jù)預處理平臺HxMap

HxMap是徠卡公司專業(yè)處理航空傳感器數(shù)據(jù)的通用軟件平臺，為徠卡測量的多款航空攝影儀做數(shù)據(jù)后處理和三維建筑單體化建模。HxMap軟件平臺還可以提供航攝儀數(shù)據(jù)的預處理、質(zhì)量檢查、影像勻光勻色、自動化匹配、空中三角測量計算、激光數(shù)據(jù)校檢、激光數(shù)據(jù)配準以及其他數(shù)字產(chǎn)品的生產(chǎn)等功能，為傾斜攝影測量提供前期完整的數(shù)據(jù)預處理工作流程。相較于原有的FramePro以及PPS處理流程，HxMap平臺操作簡便，并改進了單張影像的瀏覽方式，具有區(qū)域影像全局瀏覽等優(yōu)勢；同時在激光數(shù)據(jù)處理方面，相比原有的CloudPro，簡化了激光檢校的流程，提供了可視化的點云精度檢查界面，整體操作流程簡單，易上手。目前，HxMap軟件平臺已支持徠卡DMCIII、徠卡RCD30傾斜、徠卡CityMapper、徠卡TerrainMapper以及徠卡SPL100等徠卡航測設(shè)備的數(shù)據(jù)處理，更多的設(shè)備后處理模塊將逐步整合到這個通用平臺中。

HxMap平臺數(shù)據(jù)預處理流程如圖3所示。

圖3 HxMap處理流程

對航攝完的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)解算軟件對航攝硬盤中的流數(shù)據(jù)進行解讀，通過影像配準、波段組合、影像融合、色調(diào)匹配等一系列自動化處理方式輸出通用格式的單片真彩色影像數(shù)據(jù)，滿足對數(shù)據(jù)的后續(xù)使用。

2.3 傾斜攝影測量技術(shù)

傾斜攝影測量技術(shù)是測繪領(lǐng)域最近幾年來快速發(fā)展起來的一項新技術(shù)，它是在一個低空飛行器上面同時搭載多臺傳感器，同時從多個角度采集影像，它通過低空以45°角對地面進行數(shù)據(jù)采集，可以獲取多個角度地面高分率影像，從而克服了傳統(tǒng)正射影像只有垂直角度的數(shù)據(jù)局限，增加了多個角度的數(shù)據(jù)，有效提升了數(shù)據(jù)采集效率。攝取范圍如圖4所示。

圖4 傾斜攝影技術(shù)（圖片來源于網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)址：https://www.hnwdhk.com/xinwenzhongxin/yejiexinwen/xinwen2/20200807/1003.html）

相比正射影像，傾斜攝影測量具備顯著特點，因為45°角能提供更好的視角去拍攝到地物的側(cè)面，這一優(yōu)勢滿足了實景三維建模各個方向的地物表面紋理生成的需求。通過最新的圖像匹配方法，結(jié)合攝影時記錄的POS信息進行空中三角測量計算，空中三角測量完成后，建模軟件自動進行多視角影像密集匹配，生成三維密集點云，結(jié)合影像自動完成紋理匹配，最終實現(xiàn)實景三維模型輸出。三維建模流程如圖5所示。

圖5 三維建模流程圖

傾斜攝影測量技術(shù)融合了傳統(tǒng)航空攝影測量和近景測量技術(shù)，從垂直及前后左右共5個方向采集影像。然后運用高效的自動化建模技術(shù)，通過增加硬件達到增效目的，快速構(gòu)建準確地理位置信息的三維空間場景，可以直觀地掌握測區(qū)范圍內(nèi)地形地貌及地物的詳細特征。同時數(shù)據(jù)還展現(xiàn)出所見即所得、按需量測的特點，深得測繪行業(yè)認可。

3.數(shù)據(jù)處理流程

本項目數(shù)據(jù)處理主要分為機載數(shù)據(jù)的預處理（經(jīng)過HxMap的質(zhì)量檢查、影像調(diào)色、自動點匹配等流程得到符合建模使用質(zhì)量的航拍原數(shù)據(jù)）和三維實景建模。

3.1 預處理

通過Hxmap進行預處理，流程嚴格按照HxMap平臺數(shù)據(jù)預處理流程進行，如圖6所示。

圖6 影像調(diào)色

3.2 三維實景建模

預處理后得到最終影像、POS數(shù)據(jù)。首先利用自動化建模軟件，再利用POS數(shù)據(jù)進行區(qū)域網(wǎng)的自由網(wǎng)多視影像聯(lián)合約束平差解算，在這個過程中根據(jù)情況適當添加連接點，達到提高特征點密集匹配的正確性，完成相對定向。然后將外業(yè)測定的控制點導入工程，在相關(guān)影像上進行轉(zhuǎn)刺，利用已知點對測區(qū)范圍局域網(wǎng)再進行約束平差解算，將測區(qū)范圍內(nèi)的局域網(wǎng)納入精準的大地坐標系中，完成絕對定向，并生成匹配點云，最后構(gòu)建Delaunay三角網(wǎng)，映射紋理完成三維建模流程。具體如圖7、圖8、圖9所示。

圖7 空三成果

圖8 建模成果

圖9 模型細節(jié)

4.三維模型質(zhì)量檢查

4.1 位置精度

根據(jù)ISO9001:2015質(zhì)量管理體系的標準，在項目實施過程中認真貫徹質(zhì)量方針，落實項目質(zhì)量目標，明確項目生產(chǎn)管理職責。本項目成果質(zhì)量控制嚴格按照GB/T 24356—2009《測繪成果質(zhì)量檢查與驗收》、CH/T 9024—2014《三維地理信息模型數(shù)據(jù)產(chǎn)品質(zhì)量檢查與驗收》和GB/T 18316—2008《數(shù)字測繪成果質(zhì)量檢查與驗收》執(zhí)行[3]。

空三加密按照技術(shù)設(shè)計作業(yè)流程執(zhí)行，經(jīng)檢查，坐標系統(tǒng)選擇正確；空三加密前已核對了POS數(shù)據(jù)，影像數(shù)據(jù)，像控點成果，相機參數(shù)的坐標系統(tǒng)、數(shù)量、成果格式等；像控點的轉(zhuǎn)刺準確無誤。

經(jīng)過統(tǒng)計，98個檢查點平面位置誤差平均值6.15 cm，高程誤差平均值-8.1 cm。

項目要求模型平面精度中誤差±15 cm，模型高度中誤差±30 cm，符合要求[4]。

4.2 模型質(zhì)量

實景三維模型比例真實，模型細節(jié)、場景紋理表現(xiàn)自然，極其接近真實效果，數(shù)據(jù)包含豐富的信息，能最大程度發(fā)揮外業(yè)調(diào)查成果的綜合利用，已經(jīng)慢慢成為自然資源的公共基地數(shù)據(jù)，能全面展示地表全要素的詳細狀況。但由于其特有的技術(shù)手段和工藝流程，存在常見的質(zhì)量問題：存在幾棟低矮建筑，在模型中呈現(xiàn)出輕微的變形、模糊、扭曲等，建筑周邊的相關(guān)設(shè)施也存在辨識度較低的問題。

4.3 邏輯一致性

經(jīng)檢查，數(shù)據(jù)邏輯一致性未發(fā)現(xiàn)問題，空間實體之間的拓撲關(guān)系比如關(guān)聯(lián)、鄰接、包含、連通、層次等在地理空間表達上沒有問題，保證了空間數(shù)據(jù)空間關(guān)系的正確性，總體表達都非常真實完整[5]。成果質(zhì)量等級評定標準，依據(jù)CH/T 9024-2014《三維地理信息模型數(shù)據(jù)產(chǎn)品質(zhì)量檢查與驗收》相關(guān)規(guī)定，本項目數(shù)據(jù)質(zhì)量為合格。

5.結(jié)束語

本文根據(jù)傾斜攝影測量原理、關(guān)鍵技術(shù)和生產(chǎn)流程等，探索出一種城市級大面積區(qū)域、復雜地形的航空攝影測量、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理的實景三維建模總體方案。在項目實際應(yīng)用過程中克服各種困難，最終按照技術(shù)方案完成既定目標392 km2實景三維模型生產(chǎn)。考慮生產(chǎn)周期及生產(chǎn)成本，該項目采用有人機搭載高效率航攝儀完成，按照單位面積計算，成本反而有所下降，而且作業(yè)效率有非常大的提升，模型整體效果也較無人機有所提升。此外，隨著自動化建模算法的逐漸改進和完善，LiDAR傾斜三維建模將憑借其集成多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的優(yōu)勢，會在城市級三維建模中發(fā)揮出更加重要的作用。借助CIM、云計算、大數(shù)據(jù)等關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展，該項技術(shù)可以推動城市管理工作的精細化，在與空間位置相掛鉤的城市管理、分析及決策的方式方法上會逐漸由原來的二維空間數(shù)據(jù)向三維空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變，為我國城市級的數(shù)字化建設(shè)和國土空間規(guī)劃提供一套權(quán)威、統(tǒng)一、翔實的實景三維模型數(shù)據(jù)底座。