基于傾斜攝影測(cè)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(tái)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(duì)城市社會(huì)資源、基礎(chǔ)設(shè)施、自然資源、人文及經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域的信息和內(nèi)容進(jìn)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(cè)量技術(shù)進(jìn)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(shí)景三維；地理空間框架

中圖法分類號(hào)：P208 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

１ 引言

隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化進(jìn)程的快速推進(jìn)，城市人口、規(guī)模和經(jīng)濟(jì)都在不斷發(fā)展，這對(duì)城市綜合管理及服務(wù)能力提出了嚴(yán)峻的考驗(yàn)，因此城市數(shù)字化建設(shè)應(yīng)運(yùn)而生。數(shù)字城市地理空間框架建設(shè)是利用傾斜攝影測(cè)量技術(shù)等對(duì)城市信息進(jìn)行全面采集，根據(jù)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)對(duì)信息進(jìn)行加工并制作出多樣的地理信息產(chǎn)品，最終建立一個(gè)公共服務(wù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)地理空間信息的發(fā)布與共享，從而促進(jìn)社會(huì)治理。

２ 傾斜攝影測(cè)量技術(shù)

作為測(cè)繪領(lǐng)域最新的技術(shù)成果，傾斜攝影測(cè)量技術(shù)突破了傳統(tǒng)攝影測(cè)量只能使用單鏡頭數(shù)碼相機(jī)對(duì)地觀測(cè)的限制，由４ 個(gè)呈４５°角的傾斜高清鏡頭和１個(gè)垂直高清鏡頭組成傾斜攝影測(cè)量相機(jī)，單次拍攝可同時(shí)采集５ 張不同方向的照片，通過(guò)與大載重的多旋翼無(wú)人機(jī)配合，應(yīng)用ＣＭＯＳ 傳感器技術(shù)進(jìn)行信息的獲取，得到最原始的數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)空中三角測(cè)量、影像拼接、三維重建等處理，可以獲得實(shí)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(cè)繪方法，傾斜攝影測(cè)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(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，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(xiàng)目應(yīng)用

３．１ 項(xiàng)目概況

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

的高精度實(shí)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(gè)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)和隱患點(diǎn)的全景影像圖、３ ｋｍ２ 的１ ∶５００ 比例尺地形圖等數(shù)據(jù)。該項(xiàng)目采用成都縱橫ＣＷ１５ 垂直起降固定翼無(wú)人機(jī)進(jìn)行大面積傾斜影像采集，利用大疆Ｍ６００ 型無(wú)人機(jī)對(duì)高樓、景區(qū)特殊建筑進(jìn)行小范圍傾斜影像采集，選用成都睿鉑的ＤＧ３ 型五鏡頭相機(jī)為傾斜模塊，成像效果能夠保障項(xiàng)目設(shè)計(jì)的精度。

３．２ 技術(shù)設(shè)計(jì)

項(xiàng)目采用２０００ 國(guó)家大地坐標(biāo)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(zhǔn)采用１９８５ 國(guó)家高程基準(zhǔn)，對(duì)測(cè)區(qū)的氣候、地形進(jìn)行分析后，開(kāi)展無(wú)人機(jī)傾斜攝影數(shù)據(jù)獲取工作，同時(shí)利用廣西ＣＯＲＳ?ＲＴＫ 進(jìn)行像控點(diǎn)采集，然后對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行空中三角測(cè)量即可制作實(shí)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(diǎn)全景圖、地形圖等地理信息成果（如圖１ 所示）。

３．３ 項(xiàng)目實(shí)施

根據(jù)測(cè)量區(qū)域已有的圖像資料，在測(cè)區(qū)踏勘的基礎(chǔ)上進(jìn)行航線設(shè)計(jì)，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(xiàng)目按照優(yōu)于３ ｃｍ 的地面分辨率進(jìn)行航攝，重點(diǎn)區(qū)域按照優(yōu)于１．５ ｃｍ 的地面分辨率進(jìn)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(guò)亮過(guò)暗等異常情況。

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

３．４ 空中三角測(cè)量

傾斜攝像測(cè)量的空中三角測(cè)量計(jì)算每個(gè)相機(jī)屬性信息及每張影像的位置和角元素的信息，用來(lái)執(zhí)行三維重建。對(duì)航攝像片原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理后，利用Ｃｏｎｔｅｘｔ Ｃａｐｔｕｒｅ 軟件進(jìn)行自動(dòng)匹配并獲取所有像片連接點(diǎn)，當(dāng)自動(dòng)匹配出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，采用人工刺點(diǎn)方式進(jìn)行加點(diǎn)，保障連接點(diǎn)距離影像邊緣不小于１５ 個(gè)像素，然后進(jìn)行自由網(wǎng)平差，將坐標(biāo)殘差中誤差大于０．７ 個(gè)像素的連接點(diǎn)剔除，再對(duì)像控點(diǎn)展開(kāi)刺點(diǎn)，進(jìn)行絕對(duì)定向與區(qū)域網(wǎng)平差，確保控制點(diǎn)、自動(dòng)連接點(diǎn)、檢查點(diǎn)及高程值與模型高程中誤差均不超過(guò)２ 個(gè)像素，平差合格即可導(dǎo)出影像對(duì)應(yīng)的相機(jī)參數(shù)、影像的外方位元素及對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)系信息等空中三角測(cè)量成果。

３．５ 地理信息成果制作

３．５．１ 實(shí)景三維模型制作

根據(jù)空中三角測(cè)量成果恢復(fù)建模環(huán)境，選擇最優(yōu)候選影像組成像對(duì)，采用影像的密集匹配，實(shí)現(xiàn)地物表面的密集點(diǎn)云，點(diǎn)云能夠表達(dá)地物表面如細(xì)狀物體、桿狀物體、邊緣地物點(diǎn)等細(xì)節(jié)紋理，利用三維點(diǎn)云可計(jì)算出三維三角網(wǎng)表面，其表面的幾何模型和拓?fù)潢P(guān)系都能與原始模型匹配，對(duì)每個(gè)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(wèn)題，根據(jù)不同等級(jí)的精度要求對(duì)地形、建筑、交通、植被、水系、地上管線設(shè)施、場(chǎng)地等要素進(jìn)行踏平、補(bǔ)全、刪除編輯，可得到色調(diào)均勻、層次分明、完整表達(dá)的實(shí)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(shí)景三維Ｍｅｓｈ 模型采集地形特征點(diǎn)、地形特征線、水系邊界線、高程推測(cè)區(qū)等特征數(shù)據(jù)，采集過(guò)程特征點(diǎn)重點(diǎn)采集中山頭、洼地、鞍部、溝心、谷底等，特征線重點(diǎn)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(wú)縫接邊，然后進(jìn)行數(shù)字高程模型編輯與拼接，對(duì)非地面高程區(qū)域進(jìn)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(jìn)行合理過(guò)渡，消除局部高程異常，以模型為單元對(duì)數(shù)字高程模型進(jìn)行拼接，在拼接完成后，對(duì)拼接效果進(jìn)行核查，必要時(shí)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(diǎn)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(cè)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(duì)影像進(jìn)行正射糾正，糾正后對(duì)像片單張數(shù)字正射影像的影像質(zhì)量進(jìn)行檢查，對(duì)影像中出現(xiàn)的影像模糊、錯(cuò)位、扭曲、變形、漏洞等問(wèn)題利用Ｐｈｏｔｏｓｈｏｐ 軟件進(jìn)行修復(fù)。為保證整個(gè)測(cè)區(qū)正射影像的密度、反差、色調(diào)的一致性以及整個(gè)測(cè)區(qū)正射影像色彩的協(xié)調(diào)，采用全自動(dòng)和人機(jī)交互相結(jié)合的方式，通過(guò)對(duì)各種不同地貌的影像增強(qiáng)算子進(jìn)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(shí)現(xiàn)全測(cè)區(qū)影像色調(diào)一致。最后，采用特征探測(cè)算法，對(duì)勻光調(diào)色后的影像進(jìn)行自動(dòng)拼接，通過(guò)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(cè)區(qū)數(shù)字正射影像圖［３］ 。

３．５．４ 地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)全景圖制作

在地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)使用無(wú)人機(jī)定點(diǎn)定高進(jìn)行拍攝，并選擇最能反映周圍場(chǎng)景信息的高度進(jìn)行定點(diǎn)定高３６０°全景式拍攝，相片間重疊度保持優(yōu)于５０％，在拍攝時(shí)選取光照最為均勻時(shí)段進(jìn)行，獲取全景影像后使用ＰＴＧｕｉＰｒｏ 后期處理軟件進(jìn)行全景拼接，該軟件自動(dòng)化程度高，能通過(guò)人機(jī)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(shí)的三維空間，用于虛擬現(xiàn)實(shí)瀏覽。最后，利用Ｐｈｏｔｏｓｈｏｐ軟件對(duì)全景圖進(jìn)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(cuò)誤、重影、明顯顏色差異及分割現(xiàn)象，同時(shí)標(biāo)繪易發(fā)區(qū)范圍紅線，即可得到測(cè)區(qū)內(nèi)２０ 個(gè)地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)全景圖。

３．５．５ 數(shù)字線劃地圖制作

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

利用實(shí)景三維模型進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的順序是：首先，利用ＣＡＳＳ ３Ｄ 測(cè)圖軟件對(duì)居民地及其房屋附屬等面狀地物進(jìn)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(biāo)、污水篦子、消防栓等點(diǎn)狀要素；最后，在測(cè)區(qū)均勻標(biāo)測(cè)高程點(diǎn)構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)，通過(guò)等值點(diǎn)內(nèi)插生成等高線，在繪制過(guò)程中若無(wú)法辨別實(shí)景三維模型，則需標(biāo)繪外調(diào)［４］ 。

４ 精度評(píng)價(jià)

依據(jù)《傾斜數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量技術(shù)規(guī)程》要求，空中三角測(cè)量區(qū)域網(wǎng)平差結(jié)束后，１ ∶５００ 比例尺平地基本定向點(diǎn)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(diǎn)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(cè)區(qū)內(nèi)角度交叉口、房屋拐角、場(chǎng)站標(biāo)線等明顯特征點(diǎn)采集了４６２ 個(gè)像控點(diǎn)及１５４ 個(gè)檢查點(diǎn)，經(jīng)檢測(cè)，測(cè)區(qū)基本定向點(diǎn)平面及高程殘差分別為０．０７ ｍ 和０．１２ ｍ，檢查點(diǎn)平面及高程中誤差分別為０．１１ ｍ 和０．１６ ｍ。從檢測(cè)結(jié)果分析，利用傾斜攝影測(cè)量技術(shù)對(duì)數(shù)字城市地理空間框架建設(shè)地理信息數(shù)據(jù)進(jìn)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(yǔ)

傾斜攝影測(cè)量技術(shù)具備較快的作業(yè)速度與大范圍高精度的測(cè)繪能力，同時(shí)能夠生產(chǎn)出多元化的地理信息產(chǎn)品，通過(guò)項(xiàng)目實(shí)例驗(yàn)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(lái)城市發(fā)展與建設(shè)的重點(diǎn)，傾斜攝影測(cè)量技術(shù)也必將在其中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：董明輝（１９８９—），本科，工程師，研究方向：無(wú)人機(jī)低空攝影測(cè)量、實(shí)景三維模型建設(shè)、激光雷達(dá)系統(tǒng)測(cè)繪。