基于傾斜攝影測量技術(shù)的數(shù)字城市地理空間框架建設(shè)

摘要：隨著地理信息系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)、遙感技術(shù)的不斷發(fā)展，以地理空間信息為基礎(chǔ)的數(shù)字城市地理空間框架建設(shè)也從二維平面平臺向三維立體可視化應(yīng)用方向發(fā)展。應(yīng)用三雛數(shù)據(jù)可以對城市社會資源、基礎(chǔ)設(shè)施、自然資源、人文及經(jīng)濟領(lǐng)域的信息和內(nèi)容進行直觀的了解．為城市信息的綜合應(yīng)用提供良好的支持。文章探討了利用傾斜攝影測量技術(shù)進行三維數(shù)據(jù)采集，并將其用于數(shù)字城市地理空間框架建設(shè)，從而為城市發(fā)展提供有力的數(shù)據(jù)支持。

關(guān)鍵詞：數(shù)字城市；傾斜攝影；實景三維；地理空間框架

中圖法分類號：P208 文獻標識碼：A

１ 引言

隨著我國城鎮(zhèn)化進程的快速推進，城市人口、規(guī)模和經(jīng)濟都在不斷發(fā)展，這對城市綜合管理及服務(wù)能力提出了嚴峻的考驗，因此城市數(shù)字化建設(shè)應(yīng)運而生。數(shù)字城市地理空間框架建設(shè)是利用傾斜攝影測量技術(shù)等對城市信息進行全面采集，根據(jù)統(tǒng)一標準對信息進行加工并制作出多樣的地理信息產(chǎn)品，最終建立一個公共服務(wù)平臺，實現(xiàn)地理空間信息的發(fā)布與共享，從而促進社會治理。

２ 傾斜攝影測量技術(shù)

作為測繪領(lǐng)域最新的技術(shù)成果，傾斜攝影測量技術(shù)突破了傳統(tǒng)攝影測量只能使用單鏡頭數(shù)碼相機對地觀測的限制，由４ 個呈４５°角的傾斜高清鏡頭和１個垂直高清鏡頭組成傾斜攝影測量相機，單次拍攝可同時采集５ 張不同方向的照片，通過與大載重的多旋翼無人機配合，應(yīng)用ＣＭＯＳ 傳感器技術(shù)進行信息的獲取，得到最原始的數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)空中三角測量、影像拼接、三維重建等處理，可以獲得實景三維模型、數(shù)字正射影像圖及全景影像圖等多樣化的地理信息成果［１］ 。相較于傳統(tǒng)測繪方法，傾斜攝影測量技術(shù)具有數(shù)據(jù)采集周期短、成本低廉以及安全性強等優(yōu)勢，在自然資源調(diào)查、電力巡線、災(zāi)害治理、數(shù)字城市建設(shè)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

３ 項目應(yīng)用

３．１ 項目概況

本文數(shù)字城市地理空間框架建設(shè)項目區(qū)域為廣西三江侗族自治縣建城區(qū)，城區(qū)沿尋江兩岸而建，地勢平坦，外圍為高山地。該項目需獲取城區(qū)５１．３ ｋｍ２

的高精度實景三維模型、５ ｃｍ 分辨率的數(shù)字正射影像圖、１ ｍ×１ ｍ 格網(wǎng)間距的數(shù)字高程模型、２０ 個地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)和隱患點的全景影像圖、３ ｋｍ２ 的１ ∶５００ 比例尺地形圖等數(shù)據(jù)。該項目采用成都縱橫ＣＷ１５ 垂直起降固定翼無人機進行大面積傾斜影像采集，利用大疆Ｍ６００ 型無人機對高樓、景區(qū)特殊建筑進行小范圍傾斜影像采集，選用成都睿鉑的ＤＧ３ 型五鏡頭相機為傾斜模塊，成像效果能夠保障項目設(shè)計的精度。

３．２ 技術(shù)設(shè)計

項目采用２０００ 國家大地坐標系，高斯?克呂格正形投影按１．５°分帶，中央子午線為東經(jīng)１０９°３０′，高程基準采用１９８５ 國家高程基準，對測區(qū)的氣候、地形進行分析后，開展無人機傾斜攝影數(shù)據(jù)獲取工作，同時利用廣西ＣＯＲＳ?ＲＴＫ 進行像控點采集，然后對原始數(shù)據(jù)進行空中三角測量即可制作實景三維模型、數(shù)字正射影像圖、數(shù)字高程模型、地質(zhì)災(zāi)害點全景圖、地形圖等地理信息成果（如圖１ 所示）。

３．３ 項目實施

根據(jù)測量區(qū)域已有的圖像資料，在測區(qū)踏勘的基礎(chǔ)上進行航線設(shè)計，結(jié)合分區(qū)的地形條件、航攝基高比及影像用途設(shè)置匹配的攝區(qū)地面分辨率和重疊度，該項目按照優(yōu)于３ ｃｍ 的地面分辨率進行航攝，重點區(qū)域按照優(yōu)于１．５ ｃｍ 的地面分辨率進行航攝，航向重疊度為７０％，旁向重疊度為７０％，完成各分區(qū)航飛后需檢查影像是否清晰明亮，是否存在漏片、照片過亮過暗等異常情況。

為控制測量精度，需在測區(qū)均勻布設(shè)像片控制點和檢查點，布設(shè)密度為３００ ｍ～４００ ｍ，采用多基站網(wǎng)絡(luò)ＲＴＫ 連續(xù)運行衛(wèi)星定位服務(wù)系統(tǒng)（ＧＸＣＯＲＳ），選取交角良好的細小線狀地物交點、明顯地物折角頂點、影像小于０．２ ｍｍ 的點狀地物中心等明顯目標進行布設(shè)。

３．４ 空中三角測量

傾斜攝像測量的空中三角測量計算每個相機屬性信息及每張影像的位置和角元素的信息，用來執(zhí)行三維重建。對航攝像片原始數(shù)據(jù)進行預(yù)處理后，利用Ｃｏｎｔｅｘｔ Ｃａｐｔｕｒｅ 軟件進行自動匹配并獲取所有像片連接點，當(dāng)自動匹配出現(xiàn)問題時，采用人工刺點方式進行加點，保障連接點距離影像邊緣不小于１５ 個像素，然后進行自由網(wǎng)平差，將坐標殘差中誤差大于０．７ 個像素的連接點剔除，再對像控點展開刺點，進行絕對定向與區(qū)域網(wǎng)平差，確保控制點、自動連接點、檢查點及高程值與模型高程中誤差均不超過２ 個像素，平差合格即可導(dǎo)出影像對應(yīng)的相機參數(shù)、影像的外方位元素及對應(yīng)的坐標系信息等空中三角測量成果。

３．５ 地理信息成果制作

３．５．１ 實景三維模型制作

根據(jù)空中三角測量成果恢復(fù)建模環(huán)境，選擇最優(yōu)候選影像組成像對，采用影像的密集匹配，實現(xiàn)地物表面的密集點云，點云能夠表達地物表面如細狀物體、桿狀物體、邊緣地物點等細節(jié)紋理，利用三維點云可計算出三維三角網(wǎng)表面，其表面的幾何模型和拓撲關(guān)系都能與原始模型匹配，對每個三角形面片選擇最優(yōu)映射紋理，得到附著紋理的Ｍｅｓｈ 數(shù)據(jù)。

原始的Ｍｅｓｈ 模型存在扭曲、拉花、變形、粘連、漏洞等問題，根據(jù)不同等級的精度要求對地形、建筑、交通、植被、水系、地上管線設(shè)施、場地等要素進行踏平、補全、刪除編輯，可得到色調(diào)均勻、層次分明、完整表達的實景三維模型（如圖２ 所示）。

３．５．２ 數(shù)字高程模型制作

基于實景三維Ｍｅｓｈ 模型采集地形特征點、地形特征線、水系邊界線、高程推測區(qū)等特征數(shù)據(jù)，采集過程特征點重點采集中山頭、洼地、鞍部、溝心、谷底等，特征線重點采集山脊線、山谷線、變坡線、陡坎，以及堤壩、溝渠等上沿、下沿線，兼顧模型接邊，在圖幅接邊處保證特征線無縫接邊，然后進行數(shù)字高程模型編輯與拼接，對非地面高程區(qū)域進行濾波編輯，將林地、建筑物、橋梁、水體等地表高程降至地面［２］ 。編輯后的區(qū)域需與周圍環(huán)境進行合理過渡，消除局部高程異常，以模型為單元對數(shù)字高程模型進行拼接，在拼接完成后，對拼接效果進行核查，必要時可反復(fù)編輯或拼接，最終采用特征數(shù)據(jù)構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)按照１．０ｍ×１．０ ｍ 格網(wǎng)間距內(nèi)插格網(wǎng)點的方式生成數(shù)字高程模型。

３．５．３ 數(shù)字正射影像圖制作

基于空中三角測量成果及傾斜下視影像，利用定向參數(shù)和數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)，采用微分糾正方法對影像進行正射糾正，糾正后對像片單張數(shù)字正射影像的影像質(zhì)量進行檢查，對影像中出現(xiàn)的影像模糊、錯位、扭曲、變形、漏洞等問題利用Ｐｈｏｔｏｓｈｏｐ 軟件進行修復(fù)。為保證整個測區(qū)正射影像的密度、反差、色調(diào)的一致性以及整個測區(qū)正射影像色彩的協(xié)調(diào)，采用全自動和人機交互相結(jié)合的方式，通過對各種不同地貌的影像增強算子進行影像局部處理或批量快速處理，消除單張影像內(nèi)或者多張影像間的色差，以實現(xiàn)全測區(qū)影像色調(diào)一致。最后，采用特征探測算法，對勻光調(diào)色后的影像進行自動拼接，通過調(diào)整拼接線，可以避免直接穿越道路、橋梁和電線等線狀地物，保證線狀地物連貫性，并根據(jù)調(diào)整后的拼接線即可生成測區(qū)數(shù)字正射影像圖［３］ 。

３．５．４ 地質(zhì)災(zāi)害點全景圖制作

在地質(zhì)災(zāi)害點使用無人機定點定高進行拍攝，并選擇最能反映周圍場景信息的高度進行定點定高３６０°全景式拍攝，相片間重疊度保持優(yōu)于５０％，在拍攝時選取光照最為均勻時段進行，獲取全景影像后使用ＰＴＧｕｉＰｒｏ 后期處理軟件進行全景拼接，該軟件自動化程度高，能通過人機交互形式快速地拼接，將平面圖片變?yōu)槿暗貓D，把二維的平面圖模擬成真實的三維空間，用于虛擬現(xiàn)實瀏覽。最后，利用Ｐｈｏｔｏｓｈｏｐ軟件對全景圖進行最終修飾，將影像柵格鋸齒狀邊緣修飾為弧形邊界，消除拉花、空洞、錯誤、重影、明顯顏色差異及分割現(xiàn)象，同時標繪易發(fā)區(qū)范圍紅線，即可得到測區(qū)內(nèi)２０ 個地質(zhì)災(zāi)害點全景圖。

３．５．５ 數(shù)字線劃地圖制作

在測制數(shù)字線劃地圖時，采用的是先內(nèi)后外的作業(yè)模式，即先在實景三維模型上采集、判讀地形要素，再經(jīng)外業(yè)核查、補充調(diào)繪獲取內(nèi)業(yè)無法獲得的要素屬性信息和內(nèi)業(yè)無法獲取的被遮擋地物要素信息，在補充外業(yè)調(diào)繪成果的基礎(chǔ)上，內(nèi)業(yè)可以進行修測，從而制作數(shù)字線劃地圖數(shù)據(jù)。

利用實景三維模型進行數(shù)據(jù)采集的順序是：首先，利用ＣＡＳＳ ３Ｄ 測圖軟件對居民地及其房屋附屬等面狀地物進行繪制；其次，繪制城市中的城市道路、河流、橋梁、溝渠、圍墻等線狀要素，再繪制路燈、路標、污水篦子、消防栓等點狀要素；最后，在測區(qū)均勻標測高程點構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)，通過等值點內(nèi)插生成等高線，在繪制過程中若無法辨別實景三維模型，則需標繪外調(diào)［４］ 。

４ 精度評價

依據(jù)《傾斜數(shù)字攝影測量技術(shù)規(guī)程》要求，空中三角測量區(qū)域網(wǎng)平差結(jié)束后，１ ∶５００ 比例尺平地基本定向點殘差平面位置、高程限差分別為０． １１ ｍ 和０．１６ ｍ，１ ∶５００ 比例尺平地檢查點誤差平面位置、高程限差分別為０．１５ ｍ 和０．２１ ｍ。本文采用廣西ＣＯＲＳ?ＲＴＫ 在測區(qū)內(nèi)角度交叉口、房屋拐角、場站標線等明顯特征點采集了４６２ 個像控點及１５４ 個檢查點，經(jīng)檢測，測區(qū)基本定向點平面及高程殘差分別為０．０７ ｍ 和０．１２ ｍ，檢查點平面及高程中誤差分別為０．１１ ｍ 和０．１６ ｍ。從檢測結(jié)果分析，利用傾斜攝影測量技術(shù)對數(shù)字城市地理空間框架建設(shè)地理信息數(shù)據(jù)進行獲取，其數(shù)學(xué)精度能滿足相關(guān)規(guī)范要求。

５ 結(jié)束語

傾斜攝影測量技術(shù)具備較快的作業(yè)速度與大范圍高精度的測繪能力，同時能夠生產(chǎn)出多元化的地理信息產(chǎn)品，通過項目實例驗證了其在數(shù)字城市地理空間框架建設(shè)中能滿足數(shù)據(jù)獲取需求。隨著城市現(xiàn)代化、信息化與管理和服務(wù)水平的提高，數(shù)字城市地理空間框架將是未來城市發(fā)展與建設(shè)的重點，傾斜攝影測量技術(shù)也必將在其中發(fā)揮越來越重要的作用。

參考文獻：

［１］ 孫宏偉．基于傾斜攝影測量技術(shù)的三維數(shù)字城市建模［Ｊ］．現(xiàn)代測繪，２０１４，３７（１）：１８?２１．

［２］ 趙林．基于傾斜攝影測量技術(shù)的三維數(shù)字城市建模研究［Ｊ］．山西建筑，２０１７，４３（２１）：１９７?１９９．

［３］ 張平，劉怡，蔣紅兵．基于傾斜攝影測量技術(shù)的“數(shù)字資陽”三維建模及精度評定［Ｊ］．測繪，２０１４，３７（３）：１１５?１１８．

［４］ 徐紅．基于傾斜攝影測量技術(shù)的三維數(shù)字城市建模［Ｊ］．地球，２０１６（８）：２４７．

作者簡介：董明輝（１９８９—），本科，工程師，研究方向：無人機低空攝影測量、實景三維模型建設(shè)、激光雷達系統(tǒng)測繪。