高分辨率城市級(jí)實(shí)景三維地理場景高效構(gòu)建技術(shù)與應(yīng)用

朱磊，趙慧，趙菲，杜沖，楊金鳳

(1.山東省國土測繪院，山東 濟(jì)南 250102；2.山東省地質(zhì)科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250013；3.山東省國土空間生態(tài)修復(fù)中心，山東 濟(jì)南 250014)

0 引言

實(shí)景三維作為真實(shí)、立體、時(shí)序化反映人類生產(chǎn)、生活和生態(tài)空間的時(shí)空信息，是國家重要的新型基礎(chǔ)設(shè)施。通過“人機(jī)兼容、物聯(lián)感知、泛在服務(wù)”實(shí)現(xiàn)數(shù)字空間與現(xiàn)實(shí)空間的實(shí)時(shí)關(guān)聯(lián)互通，為數(shù)字中國提供統(tǒng)一的空間定位框架和分析基礎(chǔ)，是數(shù)字政府、數(shù)字經(jīng)濟(jì)重要的戰(zhàn)略性數(shù)據(jù)資源和生產(chǎn)要素。傾斜攝影三維模型具有信息豐富、效果直觀真實(shí)等優(yōu)點(diǎn)，是城市級(jí)實(shí)景三維地理場景的主要表達(dá)方式。

受制于像點(diǎn)位移、影像存儲(chǔ)速度、安全飛行高度等因素制約，優(yōu)于0.03m分辨率傾斜攝影一般采用無人機(jī)搭載輕小型傾斜相機(jī)[1-4]或者直升飛機(jī)搭載傾斜航攝儀獲取[5-7]。兩種作業(yè)方式均存在速度慢、影像飛行質(zhì)量容易超限等問題，影響航攝效率和建模效果。

本文以智慧城市時(shí)空大數(shù)據(jù)平臺(tái)省級(jí)試點(diǎn)沾化傾斜攝影項(xiàng)目為例，提出一種采用高速固定翼飛機(jī)搭載多鏡頭傾斜航攝儀高效獲取0.03m分辨率多視影像，并采用全自動(dòng)建模技術(shù)制作傾斜攝影三維模型的技術(shù)方案，為高分辨率城市級(jí)實(shí)景三維地理場景建設(shè)提供借鑒。

1 SWDC-Max6Ap150數(shù)字傾斜航攝儀

1.1 航攝儀簡介

SWDC-Max6Ap150數(shù)字傾斜航攝儀集測量型相機(jī)、定姿定位系統(tǒng)、陀螺穩(wěn)定平臺(tái)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)計(jì)算機(jī)、航攝管理計(jì)算機(jī)等設(shè)備于一體，配備2個(gè)下視鏡頭和4個(gè)側(cè)視鏡頭，可同時(shí)獲取下視和側(cè)視影像數(shù)據(jù)。子相機(jī)iXM-RS150F是一款中畫幅工業(yè)相機(jī)，采用背照式CMOS傳感器，擁有53.4mm×40mm畫幅尺寸和83dB動(dòng)態(tài)范圍，即使在低光照條件下，也依然能夠提供超高圖像質(zhì)量，分辨率高達(dá)14204×10652；配備的RS鏡頭快門集成于鏡頭中，采用創(chuàng)新型電荷直接驅(qū)動(dòng)理念，提升了曝光速度，最高可達(dá)l/2500s。

航攝儀集成的定姿定位系統(tǒng)POSDO-AF01是一款結(jié)構(gòu)緊湊、一體化設(shè)計(jì)的GNSS+INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)，內(nèi)置OEM板卡、光纖陀螺和石英加速度計(jì)，后處理位置精度優(yōu)于2cm，水平精度優(yōu)于0.005°，航向精度優(yōu)于0.008°，大大提高了系統(tǒng)的可靠性、精確性與動(dòng)態(tài)性。航攝儀集成GSM4000陀螺座駕，配有電動(dòng)升降臺(tái)裝置，拓寬了航空攝影儀對飛行平臺(tái)的適應(yīng)性。

1.2 外視場拼接

1.5億像素中畫幅傳感器引入航攝領(lǐng)域之后，極大的提升了航攝效率，但受制于技術(shù)瓶頸制約，更大幅面相機(jī)近年內(nèi)難以出現(xiàn)，相機(jī)外視場拼接技術(shù)較好的解決了這一問題。原理是利用水平像片上重疊部分的同名點(diǎn)，根據(jù)旋轉(zhuǎn)平移關(guān)系求解兩幅影像的相對方位元素，然后將水平影像同時(shí)投影到虛擬影像上，流程如圖1。其中“內(nèi)部相對定向”過程是依據(jù)子相機(jī)影像重疊范圍內(nèi)同名點(diǎn)坐標(biāo)相等的原理，等同于相對定向中同名射線對對相交的原理[8-9]。相機(jī)外視場拼接技術(shù)有效提升了相機(jī)幅面，提高了航攝效率。

圖1 外視場拼接技術(shù)流程

SWDC-Max6Ap150下視相機(jī)虛擬影像采用兩個(gè)獨(dú)立的iXM-RS150F相機(jī)影像拼接而成，影像間內(nèi)部重疊為15%左右，通過外視場拼接技術(shù)，下視幅面由14204×10652像元提高到20000×13000像元，比常規(guī)5頭傾斜相機(jī)作業(yè)效率提高40%左右。

1.3 航攝儀主要性能參數(shù)

表1 航攝儀主要參數(shù)

2 航攝制約因素分析與方案設(shè)計(jì)

得益于SWDC-Max6Ap150傾斜航攝儀的影像外視場拼接、長焦鏡頭及快速存儲(chǔ)技術(shù)，解決了飛行安全高度、像點(diǎn)位移、像片存儲(chǔ)速度等因素對高速獲取多視影像的制約，使得以高速固定翼飛機(jī)為載體獲取優(yōu)于0.03m分辨率傾斜影像成為了現(xiàn)實(shí)。

2.1 安全飛行高度

航高由相機(jī)下視地面分辨率、鏡頭焦距、像元尺寸等參數(shù)決定，計(jì)算公式如下：

式中：H—攝影航高(m)；f—鏡頭焦距(mm)；a—像元尺寸(mm)；GSD—地面分辨率(m)。

中國民航局相關(guān)監(jiān)管法規(guī)規(guī)定，“在人口稠密區(qū)、集鎮(zhèn)或居住區(qū)的上空或者任何露天公眾集會(huì)上空，航空器的高度不得低于在其600m水平半徑范圍內(nèi)的最高障礙物以上300m”。當(dāng)下視地面分辨率為0.03m時(shí)，相對航高為718m，大于安全飛行高度。

2.2 像點(diǎn)位移

在航空攝影中，因裝載航攝儀的飛機(jī)始終處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，而成像又需時(shí)間長度有限的曝光，所以被照物影像與傳感器之間存在相對運(yùn)動(dòng)，帶來成像模糊及拖尾效應(yīng)，此即像移[10]。GB/T 27920.1-2011《數(shù)字航空攝影規(guī)范 第1部分：框幅式數(shù)字航空攝影》中5.2.3規(guī)定，“確保因飛機(jī)地速的影響，在曝光瞬間造成的像點(diǎn)位移一般不應(yīng)大于1個(gè)像素，最大不應(yīng)大于1.5個(gè)像素”。

iXM-RS150F子相機(jī)無像移補(bǔ)償模塊，當(dāng)影像地面分辨率設(shè)計(jì)為0.03m時(shí)，按照相機(jī)快門速度為1/2500s測算，飛機(jī)巡航速度不大于270km/h時(shí)，像移不超過1個(gè)像素。

2.3 像片存儲(chǔ)速度

SWDC-CS41存儲(chǔ)系統(tǒng)使用一臺(tái)存儲(chǔ)計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)并監(jiān)控航空影像數(shù)據(jù)，具有體積小、功耗低、存儲(chǔ)容量大、性能穩(wěn)定等特點(diǎn)。存儲(chǔ)介質(zhì)為mini-SATA接口協(xié)議的固態(tài)硬盤，讀寫速度高達(dá)500m/s，使得航攝儀最短曝光間隔小于0.9s。

不考慮地形因素影響，航攝基線長度=航攝儀航向幅寬×地面分辨率×(1-航向重疊度)。

按照地面分辨率為0.03m，航向重疊度為75%設(shè)計(jì)航線時(shí)，SWDC-Max6Ap150傾斜航攝儀曝光點(diǎn)間距為97.5m。當(dāng)飛機(jī)巡航速度為270km/h(75m/s)時(shí),曝光間隔為97.5/75=1.3s，大于0.9s的航攝儀最短曝光間隔。

綜上，飛機(jī)飛行速度小于270km/h，采用SWDC-Max6Ap150獲取0.03m分辨傾斜影像，像移小于1個(gè)像素，存儲(chǔ)速度、飛行高度均滿足航攝要求。

3 工程實(shí)例

3.1 工程概況

為提升測繪地理信息服務(wù)能力和保障水平，促進(jìn)自然資源管理和治理能力現(xiàn)代化，結(jié)合智慧城市建設(shè)發(fā)展需求，濱州市沾化區(qū)決定采用傾斜攝影技術(shù)加快推進(jìn)實(shí)景三維沾化建設(shè)，范圍包括沾化區(qū)主城區(qū)、經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)和高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)園，面積約90km2，模型分辨率為0.03m。

3.2 技術(shù)路線

采用Kodiak-100固定翼飛機(jī)搭載SWDC-Max6Ap150數(shù)字傾斜航攝儀獲取實(shí)驗(yàn)區(qū)0.03m分辨率多視影像數(shù)據(jù)，經(jīng)影像預(yù)處理、多視影像空三測量、稠密點(diǎn)云構(gòu)建、三維模型重建等步驟制作傾斜攝影三維模型。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)區(qū)范圍的特點(diǎn)，劃分為3個(gè)航攝分區(qū)，見圖2，航攝設(shè)計(jì)參數(shù)如表2所示。

圖2 分區(qū)航線敷設(shè)示意圖

表2 航攝設(shè)計(jì)參數(shù)表

3.3 實(shí)施過程

3.3.1 傾斜航空攝影

2020年10月，山東省國土測繪院以濱州大高機(jī)場為起降場地，經(jīng)過5個(gè)架次約24 h的飛行，成功獲取沾化區(qū)城區(qū)和工業(yè)園區(qū)90km2,模型分辨率為0.03m傾斜影像數(shù)據(jù)。

3.3.2 三維建模

(1)數(shù)據(jù)預(yù)處理

對原始影像進(jìn)行色彩、亮度和對比度的調(diào)整和勻色處理；采用外視場拼接技術(shù)生成下視虛擬影像；解算POS數(shù)據(jù)，引入相機(jī)檢校文件與像片外方位元素，為空中三角測量做準(zhǔn)備。

(2)多視影像空中三角測量

結(jié)合地面控制點(diǎn)、傾斜影像匹配結(jié)果及影像的內(nèi)外方位元素，建立連接點(diǎn)和連接線、控制點(diǎn)坐標(biāo)以及POS數(shù)據(jù)的多視影像自檢校區(qū)域網(wǎng)平差的誤差方程，進(jìn)行POS輔助多視影像空中三角解算，得到多視影像的精確內(nèi)外方位元素[11-12]。

(3)稠密點(diǎn)云構(gòu)建

利用多視影像及各影像的內(nèi)、外方位元素進(jìn)行多視傾斜影像的特征提取和特征匹配。利用多視影像數(shù)據(jù)及其精確的內(nèi)、外方位元素進(jìn)行多視影像密集匹配，得到密集地表三維點(diǎn)云。

(4)三維模型重建

基于已定向的密集三維點(diǎn)云，構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)，得到三角網(wǎng)表面模型(白模))，并利用多視影像及其精確的內(nèi)、外方位元素來確定物方與像方的幾何關(guān)系，對白模進(jìn)行自動(dòng)紋理映射，得到傾斜攝影三維模型。通過手工作業(yè)或者機(jī)器學(xué)習(xí)自動(dòng)化手段，對傾斜攝影三維模型內(nèi)的漏洞及存在遮擋區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)充修飾[13-14]。

3.4 模型效果

沾化實(shí)景三維模型總體顏色均勻、層次分明、表達(dá)精細(xì)，場景協(xié)調(diào)完整[15]，滿足了自然資源管理、城市精細(xì)化管理等需求(圖3)。模型成果在資源調(diào)查、確權(quán)登記、國土空間規(guī)劃、自然資源監(jiān)督監(jiān)管等自然資源管理中大顯身手，有力推進(jìn)自然資源管理三維化[16-17]，也為沾化的城市更新和管理插上了智慧的“翅膀”，為系統(tǒng)、細(xì)致、客觀認(rèn)知城市規(guī)律，科學(xué)、精準(zhǔn)謀劃城市發(fā)展，完善城市治理體系，提高城市治理能力提供了支撐[18-20]。

圖3 沾化實(shí)景三維模型效果圖

3.5 模型精度分析

均勻選擇4個(gè)精度驗(yàn)證區(qū)，采用網(wǎng)絡(luò)RTK實(shí)測226個(gè)地面檢核點(diǎn)，與實(shí)景三維解析同名點(diǎn)進(jìn)行了精度對比。經(jīng)檢測，模型平面位置中誤差為±0.082m，高程中誤差為±0.172m，優(yōu)于1∶500比例尺地形圖精度要求。

4 結(jié)論與展望

(1)文中對制約高分辨率影像快速獲取的像點(diǎn)位移、影像存儲(chǔ)速度、安全飛行高度等因素進(jìn)行了分析，對核心解決方案“外視場拼接”技術(shù)進(jìn)行了闡述，結(jié)合SWDC-Max6Ap150數(shù)字傾斜航攝儀幅面、焦距、像片存儲(chǔ)速度等性能參數(shù)，提出并論證了以快速固定翼飛機(jī)為載體獲取3cm分辨率傾斜影像的技術(shù)方案。

(2)以智慧城市時(shí)空大數(shù)據(jù)平臺(tái)省級(jí)試點(diǎn)沾化傾斜航攝為例，采用Kodiak-100固定翼飛機(jī)搭載SWDC-Max6Ap150高效數(shù)字航攝儀獲取了沾化區(qū)主城區(qū)和工業(yè)園區(qū)90km2傾斜影像并采用自動(dòng)化建模技術(shù)構(gòu)建了實(shí)景三維模型。采用快速固定翼飛機(jī)為載體獲取3cm分辨率傾斜影像為國內(nèi)首次報(bào)道。高速固定翼飛機(jī)作航攝平臺(tái)，有效提高了航攝效率，提升了航攝質(zhì)量和三維建模效果，為構(gòu)建城市級(jí)實(shí)景三維地理場景提供了經(jīng)驗(yàn)和借鑒。

(3)傾斜攝影三維建模具有效率高、成本低、靈活便捷等優(yōu)勢。因傾斜攝影、貼近攝影、激光點(diǎn)云等單一建模技術(shù)都存在各自的局限性，隨著對三維模型的細(xì)膩度、真實(shí)度以及精度要求的不斷提高，多源數(shù)據(jù)融合建模將更加有利于宏觀、逼真展示城市的形態(tài)，是三維建模的未來發(fā)展方向，對構(gòu)建三維城市、孿生城市具有極大的推動(dòng)作用。