地面氣象觀測(cè)站探測(cè)環(huán)境傾斜攝影評(píng)估方法

方海濤，趙寶義，汪 瑋，章 超

（1.安徽省大氣探測(cè)技術(shù)保障中心，安徽 合肥 230031）

各類氣象觀測(cè)資料的代表性、準(zhǔn)確性和連續(xù)性不僅取決于觀測(cè)儀器、觀測(cè)方法和觀測(cè)人員技術(shù)水平，也依賴于觀測(cè)儀器所在的環(huán)境狀況?？陀^、定量地評(píng)價(jià)氣象站的探測(cè)環(huán)境狀況及其代表性，對(duì)于了解觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)源，設(shè)計(jì)觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方法，提高氣象預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)服務(wù)水平，具有重要意義。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 31221-2014《氣象探測(cè)環(huán)境保護(hù)規(guī)范地面氣象觀測(cè)站》和GB/T 35219-2017《地面氣象觀測(cè)站氣象探測(cè)環(huán)境調(diào)查評(píng)估方法》提出了對(duì)探測(cè)環(huán)境的基本要求和評(píng)估內(nèi)容。

2010年以來(lái)，我國(guó)民政、國(guó)土、規(guī)劃等部門(mén)先后引進(jìn)傾斜攝影測(cè)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(píng)估[1]。國(guó)家地面氣象觀測(cè)站氣象探測(cè)環(huán)境調(diào)查評(píng)估主要包括地形、控制區(qū)內(nèi)障礙物情況、觀測(cè)場(chǎng)四周500 m范圍內(nèi)影響源等內(nèi)容。目前，我國(guó)氣象部門(mén)主要通過(guò)綜合氣象觀測(cè)技術(shù)人員不定期手工測(cè)繪探測(cè)環(huán)境，數(shù)據(jù)整理過(guò)程繁雜，測(cè)繪自動(dòng)化和評(píng)估方法信息化程度有待進(jìn)一步提高。利用傾斜攝影測(cè)量技術(shù)建立氣象觀測(cè)站探測(cè)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(chǎng)景，直觀反映地物的外觀、位置、高度等屬性，可提高測(cè)繪效率和評(píng)估結(jié)果的準(zhǔn)確性。氣象探測(cè)環(huán)境輔助評(píng)估方法包括遙感影像處理、三維模型展示調(diào)用和探測(cè)環(huán)境周邊障礙物自動(dòng)檢測(cè)分析。輔助評(píng)估的主要步驟為：①利用傾斜攝影測(cè)量技術(shù)，采集地面氣象觀測(cè)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(cè)繪模型展示平臺(tái)，具備空間量測(cè)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(duì)周邊三維模型中的障礙物，自動(dòng)檢測(cè)仰角、斜距、平距等參數(shù)。

1 地面氣象觀測(cè)站探測(cè)環(huán)境評(píng)估方法

1.1 探測(cè)環(huán)境要求

地面氣象觀測(cè)場(chǎng)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(cè)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(cè)站周邊障礙物的測(cè)繪分析。

1.2 障礙物距高比計(jì)算方法

設(shè)a為觀測(cè)場(chǎng)北邊圍欄中點(diǎn)與障礙物至觀測(cè)場(chǎng)中心點(diǎn)連線與圍欄交點(diǎn)的距離，b為障礙物至觀測(cè)場(chǎng)中心點(diǎn)連線與圍欄的交點(diǎn)與障礙物至觀測(cè)場(chǎng)圍欄（或延長(zhǎng)線）的垂直點(diǎn)的距離，c為障礙物至觀測(cè)場(chǎng)圍欄（或延長(zhǎng)線）的垂直距離。如圖1所示，對(duì)于①類障礙物，a=CE、b=ED、c=AD；對(duì)于②類障礙物，a=CG、b=GK、c=BK?；谟^測(cè)場(chǎng)中心h高度處測(cè)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(cè)場(chǎng)邊長(zhǎng)的一半），可通過(guò)換算獲得障礙物至觀測(cè)場(chǎng)圍欄地面最近點(diǎn)的距高比R。

圖1 探測(cè)環(huán)境周邊障礙物距高比測(cè)算示意圖

當(dāng)a+b≤r時(shí)，則為①類障礙物，當(dāng)a+b＞r時(shí)，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(jì)算各不相同。

2 輔助評(píng)估的主要方法和技術(shù)要求

地面氣象觀測(cè)站探測(cè)環(huán)境評(píng)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(duì)高度的觀察點(diǎn)開(kāi)始，在一個(gè)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(jì)算在面域上的實(shí)現(xiàn)。以傾斜攝影測(cè)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(lái)判斷是否可視。

2.1 傾斜攝影三維測(cè)繪

針對(duì)氣象觀測(cè)站周邊環(huán)境，利用無(wú)人機(jī)航空攝影三維建模，采用國(guó)家2000大地坐標(biāo)系和1985國(guó)家基準(zhǔn)高程，結(jié)合商業(yè)三維引擎進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，提供相應(yīng)數(shù)據(jù)庫(kù)接口。無(wú)人機(jī)航空攝影氣象觀測(cè)站周邊環(huán)境的外業(yè)測(cè)繪范圍可按臺(tái)站級(jí)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(cè)環(huán)境輔助評(píng)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(cè)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(duì)觀測(cè)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(cè)距、測(cè)面等。

2）氣象觀測(cè)站三維渲染瀏覽功能模塊。利用三維引擎平臺(tái)進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，渲染、瀏覽和展示氣象觀測(cè)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(wú)明顯的錯(cuò)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(dòng)識(shí)別功能模塊。在三維模型上，對(duì)觀測(cè)站四周區(qū)域內(nèi)障礙物360°范圍進(jìn)行距離和角度量測(cè)，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(cè)算方法

以觀測(cè)場(chǎng)中心為觀測(cè)點(diǎn)，以800 m、1 000 m、2 000 m為方形觀測(cè)范圍，以2°為觀測(cè)單元，記錄觀測(cè)場(chǎng)中心周?chē)?60°的地形、建筑、植被觀測(cè)視線最高點(diǎn)相對(duì)于觀測(cè)場(chǎng)中心的仰角、斜距，并計(jì)算距高比。測(cè)算內(nèi)容是獲取每2°視寬范圍內(nèi)3種對(duì)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(cè)的仰角。具體量算方法為：

1）以觀測(cè)場(chǎng)中心1.5 m高處為視點(diǎn)，記錄周?chē)? 000 m方形范圍內(nèi)的障礙物相對(duì)于視點(diǎn)的計(jì)算要素，包括障礙物名稱、障礙物邊界與觀測(cè)場(chǎng)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(cè)場(chǎng)中心為視點(diǎn)Ha，獲取視寬角內(nèi)所觀測(cè)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(duì)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(duì)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(shù)木等高度的地面高程模型）中大地水準(zhǔn)面對(duì)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(jué)遮擋；若無(wú)遮擋，則取紅色二維投影上的最高點(diǎn)，并獲取該點(diǎn)相對(duì)于整個(gè)視寬角所占的角度，如有多個(gè)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(duì)象上的真實(shí)最高仰角點(diǎn)三維坐標(biāo)。

2.3 氣象探測(cè)環(huán)境傾斜攝影測(cè)繪技術(shù)要求

本文采用的主要設(shè)備為大疆M600PRO無(wú)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(tái)。該系統(tǒng)由無(wú)人機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、動(dòng)態(tài)姿態(tài)感應(yīng)控制云臺(tái)、航攝計(jì)劃設(shè)計(jì)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(shí)，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(guò)8°的片數(shù)不超過(guò)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(gè)別最大旋角不超過(guò)30°，超過(guò)15°旋角的相片數(shù)不得超過(guò)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(cè)量精度。根據(jù)CH/T 3006-2011《數(shù)字航空攝影測(cè)量控制測(cè)量規(guī)范》的相關(guān)要求，采用GPS RTK或基于HBCORS系統(tǒng)的GPS測(cè)量方式布測(cè)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(guó)家2000大地坐標(biāo)系的相片控制測(cè)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(cè)量外業(yè)規(guī)范》要求，平高控制點(diǎn)相對(duì)于鄰近基礎(chǔ)控制點(diǎn)的平面位置中誤差不超過(guò)地物點(diǎn)平面位置中誤差的1/5；高程控制點(diǎn)相對(duì)鄰近基礎(chǔ)控制點(diǎn)的高程中誤差不超過(guò)基本等高距的1/10。

2）像控點(diǎn)的布設(shè)。測(cè)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(cè)量按照平高控制點(diǎn)測(cè)量方法，同時(shí)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(shí)，需量注點(diǎn)位至地面的比高。

3）像控點(diǎn)聯(lián)測(cè)。針對(duì)無(wú)人機(jī)傾斜攝影數(shù)據(jù)的特性，在Smart3D Capture開(kāi)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(jí)影像上進(jìn)行同名點(diǎn)自動(dòng)匹配和自由網(wǎng)光束法平差。通過(guò)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(jì)算；通過(guò)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(cè)環(huán)境三維測(cè)繪模型與實(shí)際效果

Smart3D Capture在三維重建過(guò)程已能實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)計(jì)算，依據(jù)內(nèi)部規(guī)則算法，自動(dòng)選擇在對(duì)面視角上的最佳像對(duì)模型，形成三維尺度的密集點(diǎn)云；然后點(diǎn)云自動(dòng)轉(zhuǎn)換為不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN）結(jié)構(gòu)，同時(shí)將由于圖像匹配錯(cuò)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(duì)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(dòng)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(cè)繪模型瀏覽檢查高度大于等于200 m時(shí)，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(guó)家基準(zhǔn)氣象觀測(cè)站探測(cè)環(huán)境三維測(cè)繪模型

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

2）三維像對(duì)建立?；诳杖讲钶敵龅耐夥轿辉爻晒拖鄼C(jī)安置位置關(guān)系，Smart3D Capture可自動(dòng)尋找合適的兩張影像組成三維像對(duì)。

3）像對(duì)點(diǎn)云生成。對(duì)瓦片內(nèi)包含的所有三維像對(duì)分別進(jìn)行點(diǎn)云匹配計(jì)算，并對(duì)這些像對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行匯總合并與過(guò)濾。

4）三維TIN構(gòu)建。利用Smart3D Capture的獨(dú)有算法對(duì)得到的點(diǎn)云進(jìn)行三角網(wǎng)化處理，在這個(gè)過(guò)程中，一些異常的點(diǎn)由于無(wú)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(duì)TIN進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)評(píng)估，可對(duì)不合理的三角網(wǎng)表面進(jìn)行自動(dòng)優(yōu)化，對(duì)平坦表面的三角密度進(jìn)行自動(dòng)簡(jiǎn)化稀疏處理，并對(duì)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(gè)三角形的空間位置，自動(dòng)映射最佳視角的影像作為模型紋理[15]。

圖4 九華山國(guó)家氣象觀測(cè)站探測(cè)環(huán)境三維測(cè)繪模型

4 結(jié)語(yǔ)

傾斜攝影測(cè)量技術(shù)具有全面感知復(fù)雜場(chǎng)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(cè)繪模型[16]?？偟膩?lái)說(shuō)，基于傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的三維建模方法適用于氣象站點(diǎn)探測(cè)環(huán)境采集建模與輔助量化評(píng)分。

安徽省大氣探測(cè)技術(shù)保障中心開(kāi)發(fā)的氣象觀測(cè)站探測(cè)環(huán)境輔助評(píng)估系統(tǒng)的主要功能為：

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

2）氣象觀測(cè)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(cè)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(gè)國(guó)家基準(zhǔn)氣象站和九華山、天堂寨、天柱山3個(gè)高山氣象觀測(cè)站的探測(cè)環(huán)境三維模型制作、障礙物測(cè)量、衛(wèi)星遙感影像特征分析等工作。