傾斜攝影應(yīng)用于地理國情普查與監(jiān)測的探討

薛雁明，周軍元，戴 丹，許南茜，李 曉

（ 1.鄭州測繪學(xué)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(shù)有限公司，湖北 武漢430074）

1 地理國情普查與監(jiān)測的概述

地理國情監(jiān)測是綜合利用全球?qū)Ш叫l(wèi)星定位、航空航天遙感、地理信息系統(tǒng)等現(xiàn)代空間信息、測繪技術(shù)，在進(jìn)行地理國情普查、建立本底數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，綜合各時期測繪與專題成果資料，對相關(guān)的地理國情要素進(jìn)行動態(tài)和定量化、空間化的監(jiān)測，并統(tǒng)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(fā)展變化規(guī)律的監(jiān)測數(shù)據(jù)、地圖和研究報告等。

在以前的地理國情普查與監(jiān)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(shù)據(jù)一般為航攝正射影像，這種數(shù)據(jù)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(fā)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(shù)據(jù)，也需要針對分類結(jié)果進(jìn)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(zhì)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(jiān)測的技術(shù)方案可能已經(jīng)難以滿足現(xiàn)有空間地理信息監(jiān)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(xiàn)，這時簡單的上下層原則已經(jīng)不適用。

2 傾斜攝影測量三維技術(shù)簡介

近年來，國內(nèi)外眾多學(xué)者在傾斜攝影技術(shù)方面已經(jīng)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(yīng)用研究[2,3]；楊久勇等在中國測繪學(xué)會2010年學(xué)術(shù)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(jìn)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(xué)的新使命[8]，傾斜攝影技術(shù)經(jīng)過這一段時間的發(fā)展，已有一套成熟的航空測繪方面的應(yīng)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(biāo)物體的影像，通過傾斜三維建模軟件，由計算機自動構(gòu)建出目標(biāo)三維模型，從而獲得整個測區(qū)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(jié)省人力，更適合大規(guī)模的自動化建模。

3 實景三維技術(shù)針對國情普查的解決方案

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

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(fā)的專業(yè)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(nèi)的無人機傾斜相機系統(tǒng)，GSC傾斜相機具有更高的分辨率和成像質(zhì)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(shù)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(gòu)如圖1所示。

圖1 傾斜攝影相機的成像架構(gòu)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(jù)已經(jīng)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(jìn)行壓平處理獲得真正射影像，所以不會出現(xiàn)建筑側(cè)面出現(xiàn)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(nèi)業(yè)調(diào)繪

傳統(tǒng)的地理國情普查手段，包括內(nèi)業(yè)圖上繪制和外業(yè)調(diào)繪。內(nèi)業(yè)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(shù)據(jù)。影像的目視解譯除了依據(jù)相關(guān)參考資料，就只能看色差，根據(jù)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(nèi)業(yè)人員無法判定，正射影像本身有其局限性，所以內(nèi)業(yè)無法確定或者有問題的地區(qū)需要外業(yè)實地調(diào)繪。

當(dāng)內(nèi)業(yè)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(yōu)化，傾斜三維模型除了真實反映原始地物的色差，它還表現(xiàn)了目標(biāo)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(diào)繪的過程中，類似于建筑側(cè)面成像、地物影像遮蓋、內(nèi)業(yè)地類辨別等都不再成為三維模型調(diào)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(jìn)行三維建模，其成果經(jīng)實地采樣檢查，樣本中15個檢查點在X、Y、Z3個方向的標(biāo)準(zhǔn)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(jié)，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(shù)據(jù)；

2）影像匹配時，結(jié)合外方位元素獲取到更多有效的特征點。

3.3 三維模型應(yīng)用于國情普查的優(yōu)點

實景三維模型應(yīng)用于國情普查時，其優(yōu)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(shù)字模型用于土地調(diào)繪的一大成果就是土地可視化，對于非專業(yè)人士來說，全國土地調(diào)繪的數(shù)據(jù)成果是較難理解的，即使是對相關(guān)知識有了解的人，也要經(jīng)過一段時間的培訓(xùn)才能清楚地解讀圖上數(shù)據(jù)。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(diào)查中難以收集的資料也可以通過相關(guān)程序來采集，可以說“模型在手，一切皆有”，這有利于數(shù)據(jù)的利用。比如耕地坡度數(shù)據(jù)，國家規(guī)定25°以上山地應(yīng)該退耕還林，但是這個25°判測按常規(guī)手段需要外業(yè)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(shù)據(jù)維護(hù)與更新方面來講，地理國情普查數(shù)據(jù)講求時效性，應(yīng)該定期更新。傳統(tǒng)的數(shù)字正射影像圖、數(shù)字線劃圖因其生產(chǎn)周期長、數(shù)據(jù)量太大，難以快速維護(hù)與更新。而建筑模型只要使用單體化技術(shù)，每次維護(hù)都是只對需要更新的地物單體進(jìn)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(yīng)的屬性層數(shù)據(jù)即可。同時由于VR技術(shù)等 三維技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字三維模型的大規(guī)模應(yīng)用即將成為潮流。

5）地理國情普查在正射影像上進(jìn)行內(nèi)業(yè)解譯和外業(yè)調(diào)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(jìn)行外業(yè)調(diào)繪，其勞動強度大，工作效率低，勞務(wù)費用高，而傾斜攝影方案需要的人工調(diào)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(jié) 語

實景三維傾斜攝影技術(shù)在國內(nèi)已經(jīng)有過多項實際項目采用，并廣泛應(yīng)用于測繪、房地產(chǎn)、救災(zāi)、智慧廠區(qū)、智慧景區(qū)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(shù)也將是測繪任務(wù)的需求，實景三維傾斜攝影技術(shù)應(yīng)用于地理國情普查可以有效的降低成本，節(jié)省時間，取得良好的經(jīng)濟效益與社會效益。