山地城市中傾斜攝影測量技術(shù)研究及應用

羅忠平 何應豪 李 陽

重慶市萬州區(qū)規(guī)劃設計研究院 重慶 404000

傾斜攝影測量技術(shù)顛覆了以往正攝影像只能從垂直角度拍攝的局限，通過在飛行平臺上搭載多臺傳感器，同時從多個不同的角度采集影像。由此獲得的傾斜影像不僅能夠真實地反映地物情況，而且還能利用先進的定位技術(shù)，嵌入精確的地理信息[1]。

近年來，國內(nèi)外無人機傾斜攝影測量技術(shù)快速發(fā)展，特別是與全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)（GPS）、慣性測量單元（IMU）等技術(shù)相融合[2]，在采集多角度影像的同時能夠獲取高精度的位置和姿態(tài)信息，顯著提高了影像匹配效率、幾何精度和紋理質(zhì)量，為快速建立區(qū)域性高精度實景三維模型成為可能。相比于傳統(tǒng)三維建模，應用無人機傾斜攝影測量技術(shù)建模具有數(shù)據(jù)獲取效率高、位置精度高、模型效果更真實、細節(jié)更豐富、建模成本更低等諸多優(yōu)勢[3]，已成為城市三維實景建模的重要手段, 在測繪生產(chǎn)和空間信息服務中扮演非常重要的角色。

1 項目概述

1.1 項目背景

2019年6月，自然資源部印發(fā)《自然資源“十四五”規(guī)劃編制工作方案》，提出在“十四五”期間大力推進實景三維中國建設，實景三維將在新型基礎測繪中占據(jù)重要地位。高精度、高現(xiàn)勢性的實景三維數(shù)據(jù)已成為城市規(guī)劃、建設、精細化管理、三維展示與應用最基礎的底層數(shù)據(jù)。為滿足萬州區(qū)的城市規(guī)劃建設、審批管理等工作對實景三維產(chǎn)品等基礎測繪產(chǎn)品的需要，我院受萬州區(qū)規(guī)劃和自然資源局委托，實施中心城區(qū)傾斜三維產(chǎn)品生產(chǎn)。

1.2 測區(qū)基本情況

萬州區(qū)位于長江上游地區(qū)、重慶東北部，處三峽庫區(qū)腹心，屬長江上游區(qū)域中心城市, 位于東經(jīng) 107°55′22″～108°53′25″，北緯 30°24′25″～31°14′58″。東臨云陽縣，南接石柱土家族自治縣和湖北利川市，西頻忠縣和梁平縣、北界開州區(qū)和四川開江縣，以丘陵和山地為主。2021年測區(qū)總面積112km2，位于中心城區(qū)。測區(qū)高差較大，主城內(nèi)交通便利，房屋密集，車流量大，建筑形態(tài)復雜且超高層建筑眾多，給航攝工作帶來較大影響。測區(qū)內(nèi)天氣以云霧天氣為主，降水較多，航空攝影作業(yè)時間窗口稀缺。

1.3 成果要求

基本精度指標：平面精度、高程精度應優(yōu)于0.05m。產(chǎn)品的紋理精度：無遮蔽的建筑物樓體外形清晰、表面光滑；能夠精確表示各類樹木的高度及輪廓；立交橋?qū)嵕叭S其正面及側(cè)面紋理應當達到連續(xù)、外輪廓清晰的要求；此外，橋下紋理在最大程度上進行內(nèi)凹表示；道路實景三維應當消除運動車輛對紋理的影響，使道路的紋理得到均勻、連續(xù)、合理的表示。

2 技術(shù)路線

2.1 技術(shù)路線

測區(qū)內(nèi)海拔從165m至650m，超過100m的超高層建筑眾多，為應對較復雜的測區(qū)現(xiàn)狀和高精度的成果要求，本項目設計采用了飛馬D2000搭載D-OP4000傾斜攝影模塊的方式進行采集數(shù)據(jù)，以及相應的影像三維重建和模型單體化處理等技術(shù)手段。項目總體技術(shù)路線如圖3所示。

圖1 項目實施技術(shù)路線

圖2 實景三維用于城市道路建設工程

圖3 重點項目三維方案審批

圖4 自然資源數(shù)據(jù)管理

2.2 無人機及載荷

根據(jù)項目技術(shù)設計要求，項目組選取了飛馬D2000型無人機作為飛行平臺。通過在該平臺使用D-OP4000傾斜攝影模塊作為任務載荷，可以實現(xiàn)以下目標：

（1）D-OP4000傾斜攝影模塊采用全畫幅微單相機憑借在感光面積上的優(yōu)勢，在相同像素條件下成像更好，成像質(zhì)量更佳；

（2）搭配40mm/56mm鏡頭組合，較長的焦距組合可以滿足高落差等復雜環(huán)境下的高分辨率數(shù)據(jù)獲??；

（3）同樣的機位下采用同樣的焦距和參數(shù)進行拍攝，全畫幅比APS-C畫幅獲得的照片視角要廣，航攝高分辨率影像時可以使用更快的飛行速度；

（4）RTK高精度實時定位，保持航線穩(wěn)定性、減少像控點數(shù)量、無需地面基站；

（5）變高飛行適應丘陵區(qū)域的地形起伏，滿足數(shù)據(jù)采樣率要求。

2.3 數(shù)據(jù)獲取

2.3.1 檢查點測量

為滿足項目中多個環(huán)節(jié)的處理及檢查要求，在測區(qū)內(nèi)選取和實測一定數(shù)量的檢查點。利用測區(qū)內(nèi)原有高等級控制點求取平面轉(zhuǎn)換參數(shù)和高程擬合參數(shù)，檢查點外業(yè)測量和無人機RTK均采用千尋RTK網(wǎng)絡服務，以滿足項目基準的統(tǒng)一性。

2.3.2 針對復雜地形的航線設計

本項目設計測量范圍內(nèi)的地形復雜多變，為兼顧航飛的效率與質(zhì)量，采用飛馬無人機管家的智航線模塊進行航線設計，該模塊的智能化及自動化程度較高，航線設計主要依據(jù)以下原則：

（1）航攝分區(qū)

分區(qū)內(nèi)的地形高差不宜過大；分區(qū)內(nèi)地物景物反差、地貌類型應盡量一致。

（2）確定分區(qū)基準面高度

根據(jù)飛馬無人機管家提供的DEM數(shù)據(jù)，統(tǒng)計每個分區(qū)內(nèi)最大高程與最小高程，依據(jù)《低空數(shù)字航空攝影規(guī)范》的要求，以及分區(qū)地形起伏、飛行安全條件等確定分區(qū)基準面高度。

（3）航線布設

敷設航線時根據(jù)分區(qū)DEM，按照分區(qū)范圍、設定的地面分辨率和重疊度，飛馬無人機管家自動進行計算。雖然有仿地飛行能力，但在航線布設時候盡量根據(jù)地形特點保證航線直線平飛，減少航線節(jié)點，提高作業(yè)效率。在投影差突變的地方提高影像重疊度，以保證陡崖、高層建筑等出現(xiàn)明顯漏洞。

2.3.3 無人機飛行作業(yè)

為滿足成果精度要求，航線設計時采用了較高的數(shù)據(jù)采樣率。傾斜攝影采用2厘米/像素的分辨率，建筑密集區(qū)域80%和70%的航向和旁向重疊度。在此條件下傾斜攝影作業(yè)的飛行高度為213m。無人機飛行時通過使用千尋網(wǎng)絡實時RTK方式直接獲取高精度POS信息。

2.4 數(shù)據(jù)處理

2.4.1 PPK RTK POS融合解算

利用無人機管家“智理圖”模塊，進行網(wǎng)絡PPK預處理，然后進行差分解算，在差分解算中結(jié)合各相機的安裝角度、飛機姿態(tài)以及標記點打標時間進行偏心距改正，解算得到各個相機準確曝光點位置的CGCS2000大地坐標，通過坐標轉(zhuǎn)換軟件將CGCS2000大地坐標轉(zhuǎn)換為CGCS2000直角坐標。

2.4.2 基于似大地水準面精化模型的高程轉(zhuǎn)換

本項目POS數(shù)據(jù)采用“千尋位置服務”測量，所得POS成果高程為大地高H，需要將大地高轉(zhuǎn)換為正常高h，二則之間的差異稱為高程異常，利用我院在中心城區(qū)進行大面積平面和高程數(shù)據(jù)成果，選擇曲面高程擬合得到像控點和POS的正常高。經(jīng)過驗證該方法獲得的正常高精度滿足大比例尺測圖要求。

2.4.3 空三解算和三維實景模型構(gòu)建

根據(jù)解算得到的高精度POS數(shù)據(jù)，以中心投影的共線方程作為平差的基礎方程，將POS成果作為帶權(quán)觀測值，進行整體平差，求解每張影像的外方位元素。在完成影像空三解算后，利用Context Capture軟件導入空三解算成果，經(jīng)過影像密集匹配、密集點云構(gòu)三角網(wǎng)、白模生成以及紋理映射等步驟完成三維實景模型。

2.5 精度評價

為驗證本次建模的精度水平，在測區(qū)范圍內(nèi)均勻采集特征檢查點，分別對模型進行平面、高程精度檢核。經(jīng)過計算得到，檢查點平面中誤差為0.0300m，高程中誤差為0.0500m，模型精度滿足項目設計書要求和規(guī)范。

3 成果應用

為滿足我區(qū)規(guī)劃和自然資源局相關規(guī)劃和項目審批要求，我院向中科圖新定制了《空間信息三維輔助分析系統(tǒng)》，結(jié)合實景三維成果的高現(xiàn)勢性、高精度的特點，在城市的各項建設管理工作中具有十分廣泛的應用前景和較高的應用價值。

3.1 市政建設

實景三維模型能夠精準反映現(xiàn)狀底物地貌情況，因此可以為城市建設提供精確基礎數(shù)據(jù)。我院生產(chǎn)的萬州區(qū)中心城區(qū)的實景三維數(shù)據(jù)成果在高峰園市政道路修建工程中得到了應用。該工程在設計階段利用BIM模型和實景三維模型疊加，因此可以實現(xiàn)工程多方案進行對比，精準評估項目與當前環(huán)境的協(xié)調(diào)性，進而可以達到優(yōu)化設計方案整，提升設計質(zhì)量的目的。

3.2 規(guī)劃管理

在城市規(guī)劃中利用實景三維數(shù)據(jù)輔助規(guī)劃重點項目報建審批工作。通過將規(guī)劃報建三維模型和現(xiàn)狀的實景三維模型進行疊加展示，實現(xiàn)真實場景下的設計方案評審和對比，從而確保建筑之間能形成高低錯落、疏密有致的城市空間形態(tài)，實現(xiàn)優(yōu)化城市空間的目的。本項目的實景三維成果目前已用于萬州區(qū)的重點項目規(guī)劃報建工作，取得了良好的效果和社會效益。

3.3 鄉(xiāng)村振興

實景三維數(shù)據(jù)作為基底數(shù)據(jù)，結(jié)合實景三維建模，高精度高清晰的還原模型，可用于重點建設項目、重點區(qū)域的三維精細場景動態(tài)展示和高仿真三維可視化模擬，能以極具真實感的光影效果展示鄉(xiāng)村振興建設前的原始場景和規(guī)劃后的效果場景。

3.4 自然資源管理

目前萬州區(qū)正在搭建由智慧醫(yī)療、智慧交通、智慧物聯(lián)等集合而成的智慧萬州，計劃將城市的地理實體數(shù)據(jù)、物聯(lián)感知數(shù)據(jù)等融合于一體，根據(jù)需求構(gòu)建出服務國土空間規(guī)劃、自然資源調(diào)查監(jiān)測、自然資源政務服務等的智慧基礎數(shù)據(jù)，服務與自然資源管理。

4 總結(jié)展望

項目的順利實施得力于D2000無人機和D-OP4000傾斜攝影模塊在實景三維生產(chǎn)中的巨大優(yōu)勢。該設備操作性簡便、飛行穩(wěn)定、定位精準、數(shù)據(jù)獲取效率高等特性，能有效滿足各類地理場景生產(chǎn)需要。通過多個實景三維項目的實施，我院也得出了如下經(jīng)驗和期望：

（1）利用千尋網(wǎng)絡直接獲取無人機的高精度CGCS2000大地坐標后轉(zhuǎn)換為直角坐標，結(jié)合本地的水準面精化模型進行解算，并結(jié)合飛行姿態(tài)數(shù)據(jù)解算出每個相機單獨的POS數(shù)據(jù)，有效提高了空三質(zhì)量，大大提高了模型的精度，通過項目試驗，能夠真正實現(xiàn)免像控作業(yè)，提高工作效率。

（2）典型的山地城市高差較大，地形起伏不平，利用全畫幅、長焦距的航攝相機能夠解決山地城市中超高層建筑三維模型破頂，同時也解決了由于投影差過大地面分辨率不足的情況。

（3）實景三維生產(chǎn)流程中，影像三維模型重建和模型單體化耗時較長的生產(chǎn)環(huán)節(jié)，相比數(shù)據(jù)獲取手段的高效率，后期處理的速度是當前實景三維生產(chǎn)中的瓶頸和短板。除硬件配置外，模型重建的算法優(yōu)化、模型勻光勻色、自動單體化水平和效率均是當前亟待解決的技術(shù)難題。

（4）實景三維成果在城市規(guī)劃、建設、精細管理中均具有非常廣闊的前景，并且實景三維也是新型三維地理實體體系中的重要組成部分。作為各部門信息化統(tǒng)一的空間基底，搭建開放包容的數(shù)據(jù)格式，通用各部門各平臺的數(shù)據(jù)資源，在各行業(yè)共同深化研究的基礎上，深度融合發(fā)展將是實景三維的主要發(fā)展方向。