地面氣象觀測站探測環(huán)境傾斜攝影評估方法

方海濤，趙寶義，汪 瑋，章 超

（1.安徽省大氣探測技術(shù)保障中心，安徽 合肥 230031）

各類氣象觀測資料的代表性、準(zhǔn)確性和連續(xù)性不僅取決于觀測儀器、觀測方法和觀測人員技術(shù)水平，也依賴于觀測儀器所在的環(huán)境狀況。客觀、定量地評價氣象站的探測環(huán)境狀況及其代表性，對于了解觀測數(shù)據(jù)來源，設(shè)計觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方法，提高氣象預(yù)報預(yù)測服務(wù)水平，具有重要意義。國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 31221-2014《氣象探測環(huán)境保護(hù)規(guī)范地面氣象觀測站》和GB/T 35219-2017《地面氣象觀測站氣象探測環(huán)境調(diào)查評估方法》提出了對探測環(huán)境的基本要求和評估內(nèi)容。

2010年以來，我國民政、國土、規(guī)劃等部門先后引進(jìn)傾斜攝影測量技術(shù)生成特定區(qū)域的三維模型用于環(huán)境調(diào)查評估[1]。國家地面氣象觀測站氣象探測環(huán)境調(diào)查評估主要包括地形、控制區(qū)內(nèi)障礙物情況、觀測場四周500 m范圍內(nèi)影響源等內(nèi)容。目前，我國氣象部門主要通過綜合氣象觀測技術(shù)人員不定期手工測繪探測環(huán)境，數(shù)據(jù)整理過程繁雜，測繪自動化和評估方法信息化程度有待進(jìn)一步提高。利用傾斜攝影測量技術(shù)建立氣象觀測站探測環(huán)境三維模型，以大范圍、高精度、高清晰的方式全面感知復(fù)雜場景，直觀反映地物的外觀、位置、高度等屬性，可提高測繪效率和評估結(jié)果的準(zhǔn)確性。氣象探測環(huán)境輔助評估方法包括遙感影像處理、三維模型展示調(diào)用和探測環(huán)境周邊障礙物自動檢測分析。輔助評估的主要步驟為：①利用傾斜攝影測量技術(shù)，采集地面氣象觀測站周邊環(huán)境的三維數(shù)據(jù)，經(jīng)數(shù)據(jù)后處理，形成標(biāo)準(zhǔn)的OSGB三維數(shù)據(jù)；②建立三維測繪模型展示平臺，具備空間量測與白模繪制功能，可進(jìn)行三維模型的放大、縮小、平移、漫游、全圖顯示等操作；③設(shè)置空間視點(diǎn)，針對周邊三維模型中的障礙物，自動檢測仰角、斜距、平距等參數(shù)。

1 地面氣象觀測站探測環(huán)境評估方法

1.1 探測環(huán)境要求

地面氣象觀測場邊緣與成排障礙物的距離至少是該障礙物高度的10倍以上，與四周孤立障礙物的距離至少是該障礙物高度的8倍以上，兩孤立障礙物的橫向距離不得小于30 m。傾斜攝影測量獲取的多角度、大范圍地物影像包含地物頂部數(shù)據(jù)，可用于地面氣象觀測站周邊障礙物的測繪分析。

1.2 障礙物距高比計算方法

設(shè)a為觀測場北邊圍欄中點(diǎn)與障礙物至觀測場中心點(diǎn)連線與圍欄交點(diǎn)的距離，b為障礙物至觀測場中心點(diǎn)連線與圍欄的交點(diǎn)與障礙物至觀測場圍欄（或延長線）的垂直點(diǎn)的距離，c為障礙物至觀測場圍欄（或延長線）的垂直距離。如圖1所示，對于①類障礙物，a=CE、b=ED、c=AD；對于②類障礙物，a=CG、b=GK、c=BK?；谟^測場中心h高度處測得的障礙物最高仰角（β）、斜距（L）、最高仰角的方位角（α）和常數(shù)r（12.5 m，即標(biāo)準(zhǔn)觀測場邊長的一半），可通過換算獲得障礙物至觀測場圍欄地面最近點(diǎn)的距高比R。

圖1 探測環(huán)境周邊障礙物距高比測算示意圖

當(dāng)a+b≤r時，則為①類障礙物，當(dāng)a+b＞r時，則為②類障礙物，R=根據(jù)障礙物最高點(diǎn)方位角的值域不同，a、b、c的計算各不相同。

2 輔助評估的主要方法和技術(shù)要求

地面氣象觀測站探測環(huán)境評估的核心方法為通視分析[2-4]和可視域分析[5-7]，其中通視分析是以某一點(diǎn)為觀察點(diǎn)，另一點(diǎn)為目標(biāo)點(diǎn)，研究點(diǎn)之間的通視情況，主要包括Janus、Dynatacs、Bresenham等算法；可視域分析是從一定相對高度的觀察點(diǎn)開始，在一個區(qū)域內(nèi)可觀察到的地表范圍，其本質(zhì)是兩點(diǎn)之間通視計算在面域上的實(shí)現(xiàn)。以傾斜攝影測量生產(chǎn)的DSM柵格數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用雙線性內(nèi)插實(shí)現(xiàn)兩點(diǎn)之間的通視分析；選擇參考面算法，以觀察點(diǎn)與目標(biāo)點(diǎn)之間的空間關(guān)系形成的參考面來判斷是否可視。

2.1 傾斜攝影三維測繪

針對氣象觀測站周邊環(huán)境，利用無人機(jī)航空攝影三維建模，采用國家2000大地坐標(biāo)系和1985國家基準(zhǔn)高程，結(jié)合商業(yè)三維引擎進(jìn)行二次開發(fā)，提供相應(yīng)數(shù)據(jù)庫接口。無人機(jī)航空攝影氣象觀測站周邊環(huán)境的外業(yè)測繪范圍可按臺站級別分為4 km×4 km、2 km×2 km、1.6 km×1.6 km。軟件的結(jié)構(gòu)組成如圖2所示，主要功能為：

圖2 探測環(huán)境輔助評估系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1）基礎(chǔ)GIS功能模塊。地圖是氣象觀測站點(diǎn)空間定位的基礎(chǔ)，可疊加展示矢量數(shù)據(jù)與正射影像數(shù)據(jù)，包括對觀測站點(diǎn)周邊環(huán)境的三維模型進(jìn)行放大、縮小、漫游、全圖顯示、測距、測面等。

2）氣象觀測站三維渲染瀏覽功能模塊。利用三維引擎平臺進(jìn)行二次開發(fā)，渲染、瀏覽和展示氣象觀測站周邊環(huán)境三維成果數(shù)據(jù)。三維模型需與0.5 m分辨率影像圖基本套合，地面分辨率優(yōu)于0.08 m，無明顯的錯位、扭曲、拉花現(xiàn)象，垂直分辨率不小于0.5 m。

3）障礙物自動識別功能模塊。在三維模型上，對觀測站四周區(qū)域內(nèi)障礙物360°范圍進(jìn)行距離和角度量測，包括高差、傾斜距離、水平距離、方位角、傾斜角、水平角和任意多邊形面積。

2.2 障礙物測算方法

以觀測場中心為觀測點(diǎn)，以800 m、1 000 m、2 000 m為方形觀測范圍，以2°為觀測單元，記錄觀測場中心周圍360°的地形、建筑、植被觀測視線最高點(diǎn)相對于觀測場中心的仰角、斜距，并計算距高比。測算內(nèi)容是獲取每2°視寬范圍內(nèi)3種對象（地形、植被、建筑）的最大仰角，并不是正好在2°、4°的水平刻度所觀測的仰角。具體量算方法為：

1）以觀測場中心1.5 m高處為視點(diǎn)，記錄周圍2 000 m方形范圍內(nèi)的障礙物相對于視點(diǎn)的計算要素，包括障礙物名稱、障礙物邊界與觀測場中心點(diǎn)的起終方位角、障礙物視寬角（起終方位角之差）。

2）以觀測場中心為視點(diǎn)Ha，獲取視寬角內(nèi)所觀測的目標(biāo)障礙物獨(dú)立模型上最大仰角的點(diǎn)Hz，記錄Hz相對于Ha的方位角、仰角和斜距。

3）以Ha-Hz為斜距，獲取Ha-Hz的二維投影線LineH，將LineH與圍欄地面進(jìn)行疊加判交，獲取圍欄地面處交點(diǎn)Hw，記錄Hz相對于Hw的斜距、仰角和距高比。

4）根據(jù)視寬角確定視口寬度，視口高度在0～60°區(qū)間，確定當(dāng)前視窗大小，將DSM（包含地表建筑物、橋梁和樹木等高度的地面高程模型）中大地水準(zhǔn)面對應(yīng)的部分高亮著色（如紅色），其余的普通著色（如灰色），分別投射到視窗中，形成二維圖形（類似天際線）。若灰色完全遮擋紅色，則可判斷出現(xiàn)視覺遮擋；若無遮擋，則取紅色二維投影上的最高點(diǎn)，并獲取該點(diǎn)相對于整個視寬角所占的角度，如有多個點(diǎn)，則選取最左邊的最高點(diǎn)，以視點(diǎn)中心為基礎(chǔ)，獲取大地水準(zhǔn)面對象上的真實(shí)最高仰角點(diǎn)三維坐標(biāo)。

2.3 氣象探測環(huán)境傾斜攝影測繪技術(shù)要求

本文采用的主要設(shè)備為大疆M600PRO無人機(jī)搭載RIY-d2相機(jī)，也可采用性能相近的其他硬件平臺。該系統(tǒng)由無人機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、動態(tài)姿態(tài)感應(yīng)控制云臺、航攝計劃設(shè)計軟件和飛行管理系統(tǒng)等部分組成。飛行參數(shù)包括相片重疊度、相片傾角、相片旋角、攝區(qū)邊界覆蓋等。航攝時，航向重疊度一般為60%～80%，旁向重疊度一般為15%～60%；相片傾角不大于12°，出現(xiàn)超過8°的片數(shù)不超過總數(shù)的10%；在確保航向和旁向重疊度滿足要求的前提下，個別最大旋角不超過30°，超過15°旋角的相片數(shù)不得超過分區(qū)相片總數(shù)的10%；航向覆蓋超出攝區(qū)邊界線至少兩條基線，旁向覆蓋超出攝區(qū)邊界線不少于像幅的50%。

1）像控測量精度。根據(jù)CH/T 3006-2011《數(shù)字航空攝影測量控制測量規(guī)范》的相關(guān)要求，采用GPS RTK或基于HBCORS系統(tǒng)的GPS測量方式布測野外像控點(diǎn)，控制點(diǎn)高程采用已有的控制成果進(jìn)行高程擬合，形成基于國家2000大地坐標(biāo)系的相片控制測量成果。按照GB/T 7931-2008《1∶500 1∶1 000 1∶2 000地形圖航空攝影測量外業(yè)規(guī)范》要求，平高控制點(diǎn)相對于鄰近基礎(chǔ)控制點(diǎn)的平面位置中誤差不超過地物點(diǎn)平面位置中誤差的1/5；高程控制點(diǎn)相對鄰近基礎(chǔ)控制點(diǎn)的高程中誤差不超過基本等高距的1/10。

2）像控點(diǎn)的布設(shè)。測區(qū)像控點(diǎn)采用區(qū)域網(wǎng)加樁點(diǎn)（高程和三維坐標(biāo)）的作業(yè)方式[8]。高程控制點(diǎn)測量按照平高控制點(diǎn)測量方法，同時提供平面坐標(biāo)。地標(biāo)是直徑為1.5 m的圓形標(biāo)志，避免像控點(diǎn)有投影變形差。像控點(diǎn)選擇在影像明顯的線狀地物交角，高程急劇變化的斜坡不宜作為選點(diǎn)目標(biāo)。當(dāng)控制點(diǎn)選擇在植被、高出地面或陡坎等地物邊緣時，需量注點(diǎn)位至地面的比高。

3）像控點(diǎn)聯(lián)測。針對無人機(jī)傾斜攝影數(shù)據(jù)的特性，在Smart3D Capture開發(fā)環(huán)境中采用多視角影像聯(lián)合平差法，模擬包括傾斜影像在內(nèi)的所有影像的地表投影范圍，再采取由粗到精的金字塔匹配策略，在各級影像上進(jìn)行同名點(diǎn)自動匹配和自由網(wǎng)光束法平差。通過建立連接點(diǎn)和控制點(diǎn)坐標(biāo)文件，實(shí)現(xiàn)多視角影像自檢校區(qū)域網(wǎng)平差迭代計算；通過多次反復(fù)聯(lián)合解算，最終得到符合精度要求的平差結(jié)果。

3 氣象探測環(huán)境三維測繪模型與實(shí)際效果

Smart3D Capture在三維重建過程已能實(shí)現(xiàn)全自動計算，依據(jù)內(nèi)部規(guī)則算法，自動選擇在對面視角上的最佳像對模型，形成三維尺度的密集點(diǎn)云；然后點(diǎn)云自動轉(zhuǎn)換為不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN）結(jié)構(gòu)，同時將由于圖像匹配錯誤而引起的TIN進(jìn)行刪除和修復(fù)，并基于內(nèi)在幾何關(guān)系對TIN模型進(jìn)行平滑和優(yōu)化，達(dá)到最佳的三維表達(dá)效果；最后根據(jù)三維TIN的空間位置信息，自動尋找最佳視角影像，并完成模型紋理的構(gòu)建，形成完整且真實(shí)的三維模型體[9-10]。航飛影像的地面分辨率為3.0～5.0 cm。測繪模型瀏覽檢查高度大于等于200 m時，模型不存在明顯的拉伸變形。

傾斜攝影建模效果如圖3、4所示，具體步驟為：

圖3 桐城國家基準(zhǔn)氣象觀測站探測環(huán)境三維測繪模型

1）建模區(qū)域初始化。根據(jù)探測環(huán)境評估的實(shí)際范圍，劃定建模區(qū)域，以長寬相等的正方形瓦片為劃分的最基本單位，每個瓦片是三維建模的最小單元[11-12]。

2）三維像對建立。基于空三平差輸出的外方位元素成果和相機(jī)安置位置關(guān)系，Smart3D Capture可自動尋找合適的兩張影像組成三維像對。

3）像對點(diǎn)云生成。對瓦片內(nèi)包含的所有三維像對分別進(jìn)行點(diǎn)云匹配計算，并對這些像對點(diǎn)云進(jìn)行匯總合并與過濾。

4）三維TIN構(gòu)建。利用Smart3D Capture的獨(dú)有算法對得到的點(diǎn)云進(jìn)行三角網(wǎng)化處理，在這個過程中，一些異常的點(diǎn)由于無法構(gòu)建正常的三角形而被作為粗差點(diǎn)舍棄[13]。

5）TIN優(yōu)化。Smart3D Capture可對TIN進(jìn)行自動檢測評估，可對不合理的三角網(wǎng)表面進(jìn)行自動優(yōu)化，對平坦表面的三角密度進(jìn)行自動簡化稀疏處理，并對復(fù)雜表面的三角網(wǎng)密度予以保留[14]。

6）紋理匹配。Smart3D Capture可根據(jù)TIN中每個三角形的空間位置，自動映射最佳視角的影像作為模型紋理[15]。

圖4 九華山國家氣象觀測站探測環(huán)境三維測繪模型

4 結(jié)語

傾斜攝影測量技術(shù)具有全面感知復(fù)雜場景的能力，可進(jìn)行多角度、大范圍的地物影像數(shù)據(jù)獲取，獲取的影像中不僅包含地物頂部信息，還包含側(cè)面紋理信息?，F(xiàn)有的傾斜影像后處理軟件具有協(xié)同并行處理能力，可快速建立特定區(qū)域的三維測繪模型[16]?？偟膩碚f，基于傾斜攝影測量技術(shù)的三維建模方法適用于氣象站點(diǎn)探測環(huán)境采集建模與輔助量化評分。

安徽省大氣探測技術(shù)保障中心開發(fā)的氣象觀測站探測環(huán)境輔助評估系統(tǒng)的主要功能為：

1）氣象觀測站周邊環(huán)境傾斜攝影三維測繪建模和全景照片加工。采用國家2000大地坐標(biāo)系和1985國家基準(zhǔn)高程生成氣象觀測站周邊2 km×2 km范圍內(nèi)的三維測繪模型，并依據(jù)氣象探測環(huán)境保護(hù)規(guī)范進(jìn)行量化評估。

2）氣象觀測站周邊土地使用情況調(diào)查。以高清衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析觀測站周邊20 km環(huán)境范圍內(nèi)的土地使用情況，調(diào)查的圖斑數(shù)據(jù)主要包括山地、水體、植被、農(nóng)田、建筑、道路。

系統(tǒng)現(xiàn)已完成壽縣、屯溪、桐城3個國家基準(zhǔn)氣象站和九華山、天堂寨、天柱山3個高山氣象觀測站的探測環(huán)境三維模型制作、障礙物測量、衛(wèi)星遙感影像特征分析等工作。