傾斜攝影測量在智慧城市建設(shè)中的應(yīng)用

高建彩

(三和數(shù)碼測繪地理信息技術(shù)有限公司，甘肅 天水 741000)

傾斜攝影測量是近年來迅速發(fā)展起來的一項測繪新技術(shù)，是在飛行平臺上搭載一臺或多臺相機(jī)，同一時間從多個不同角度采集照片數(shù)據(jù)，獲取地面物體更為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)信息[1]，在測繪領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用，尤其是在智慧城市建設(shè)中的應(yīng)用，更是不可或缺。傾斜攝影數(shù)據(jù)處理主要包括多視影像空中三角測量、控制點的轉(zhuǎn)刺與平差、多視影像密集匹配、不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)構(gòu)建、白膜生成、紋理映射、格式轉(zhuǎn)換和貼圖輸出等[2]。基于傾斜攝影技術(shù)可以得到高精度的實景三維模型、高精度數(shù)字表面模型、數(shù)字線劃圖和真正射影像。分析了智慧城市的基本特點及傾斜攝影技術(shù)水平與特點，指出了智慧城市建設(shè)中需要的基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)，提出了傾斜攝影測量在智慧城市建設(shè)中的應(yīng)用，為城市建設(shè)者提供有效的參考和借鑒。

1 智慧城市建設(shè)概況及特點

智慧城市起源于傳媒領(lǐng)域，是運(yùn)用信息和通信技術(shù)手段感測、整合、分析城市運(yùn)行過程中各個行業(yè)的關(guān)鍵信息，是新一輪信息技術(shù)變革和知識經(jīng)濟(jì)發(fā)展的產(chǎn)物，它能夠完美地將工業(yè)化、城市化與信息化深度融合[3]。智慧城市建設(shè)可提高人們生活水平，為人們提供更多的現(xiàn)代化資源，充分發(fā)揮資源共享、線上辦公等優(yōu)勢，提高生活質(zhì)量。

2 傾斜攝影測量技術(shù)

傾斜攝影測量技術(shù)是近幾年發(fā)展起來的一項測繪新技術(shù)，其是在飛行平臺上同時搭載多個相機(jī)，通常搭載5個相機(jī)，其中1個相機(jī)垂直于地面，其余4個相機(jī)與地面存在一定的夾角，通常為45°，以獲取盡可能多的側(cè)視紋理信息，從多個角度采集照片數(shù)據(jù)，有效減少視角盲區(qū)。傾斜攝影較傳統(tǒng)攝影來說，最大的區(qū)別是掛載的相機(jī)個數(shù)和獲取影像的方式不同。垂直攝影是掛載一個相機(jī)，垂直于地面進(jìn)行影像獲取，其重疊度一般要求較低；傾斜攝影有1個相機(jī)是垂直地面獲取影像的，其余4個則是以一定的角度獲取影像。假設(shè)在獲取影像時，下視相機(jī)是完全垂直地面的，側(cè)視相機(jī)與下視相機(jī)之間夾角為45°，這樣從空中進(jìn)行拍攝時，側(cè)視相機(jī)獲取的影像中心到地面對應(yīng)點的中心之間的距離是1.41倍的垂直距離，如果5個相機(jī)焦距一樣、像元大小相同，獲取影像時，其分辨率理論上相差是很大的，這樣不利于后期數(shù)據(jù)的處理和應(yīng)用。相機(jī)焦距、地面分辨率、像元大小和相對航高之間應(yīng)滿足以下公式：

H=f*GSD/a

(1)

上式中，H是相對航高，通常是指飛機(jī)距離地面的高度，f是相機(jī)焦距，在攝影測量中，相機(jī)焦距是一個規(guī)定值，GSD是獲取的地面影像分辨率，a是像元大小，也就是將CCD成多個矩形，其中一個矩形的邊長，通常是個正方形，邊長相同。由式(1)可以看出，在相機(jī)選定后，地面影像分辨率只和相對航高有關(guān)系。在傾斜攝影中，多個相機(jī)都是固定在一起的，所以通過改變相對航高來調(diào)整影像分辨是不可行的。像元大小由CCD和分割數(shù)量決定，為了便于數(shù)據(jù)解算，像元大小是相同的，要想保證傾斜相機(jī)和側(cè)視相機(jī)獲取的影像分辨率一致，需要對相機(jī)焦距進(jìn)行調(diào)整，也就是常見的5拼相機(jī)，下視焦距是35 mm，側(cè)視焦距是50 mm。為了保證安全，減少因遮擋帶來的視角盲區(qū)，智慧城市項目通常采用長焦距方式獲取影像數(shù)據(jù)，以確保飛機(jī)飛行高度，避免碰撞到高層建筑物。

2.1 傾斜攝影作業(yè)流程

傾斜攝影作業(yè)主要分為兩部分，即外業(yè)數(shù)據(jù)獲取和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理。外業(yè)數(shù)據(jù)獲取主要包航攝前的資料收集，任務(wù)區(qū)勘察和控制點、檢查點測量，無人機(jī)空域申請，航線規(guī)劃和影像數(shù)據(jù)航飛。內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理主要包括數(shù)據(jù)預(yù)處理、工程創(chuàng)建和完善、空中三角測量解算、對影像密集匹配和密集點云生成，基于密集點云構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)TIN，同時自動篩選高質(zhì)量紋理并精準(zhǔn)映射到TIN模型上，自動化完成精細(xì)實景三維模型重建工作，打破基于正射影像的局限性。也可快速輸出任意分辨率的真正射影像圖、數(shù)字表面模型基礎(chǔ)地理信息產(chǎn)品，高效靈活利用傾斜三維模型完成地理信息3D產(chǎn)品(DOM、DEM和DLG)的生產(chǎn)。其主要作業(yè)流程如圖1所示。

圖1 傾斜攝影作業(yè)流程圖Fig.1 Flow chart of tilt photogrammetry

2.2 傾斜攝影測量軟件

瞰景Smart3D軟件。該軟件是上海瞰景科技推出的實景三維建模軟件，其可以一次性對10w張以上影像進(jìn)行空三解算和三維模型生產(chǎn)，空三精度高，模型成果質(zhì)量好，格式多，支持多機(jī)集群作業(yè)和一機(jī)引擎多開等。在相同配置下，其解算效率較其他軟件高，能夠高效完成任務(wù)，節(jié)約時間?；趯嵕叭S模型，可以獲取高分辨率、高精度的數(shù)字真正射影像成果。模型成果可以導(dǎo)入多個測圖軟件來生產(chǎn)數(shù)字線劃圖成果，也可在模型上直接獲取特征點和特征線，用來反演生產(chǎn)數(shù)字高程模型成果。

大疆智圖軟件。該軟件是大疆公司推出的一款集航線規(guī)劃和建模于一體的測繪軟件，具有同步進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取和數(shù)據(jù)處理的特點，可用于應(yīng)急項目，通過無人機(jī)在空中作業(yè)，電腦端獲取影像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，即可獲得對應(yīng)的實景三維模型，其空三速度、模型生產(chǎn)速度較瞰景Smart3D來說更快，目前新推出的版本也可以進(jìn)行集群作業(yè)，價格較低，受到了客戶的認(rèn)可。

ContextCapture軟件。該軟件是本特利公司的一款建模軟件，其可以集群進(jìn)行空中三角測量解算和實景三維模型生產(chǎn)。軟件操作簡單、易上手，但是當(dāng)影像數(shù)據(jù)大于1w張時，空三解算失敗率較高且效率較低，因此在處理大面積作業(yè)區(qū)時，需要劃分較多的作業(yè)區(qū)，后期接邊工作量大，容易產(chǎn)生接邊誤差超限等問題，需要和其他建模軟件搭配使用，如使用photoscan軟件、Mirauge3D軟件進(jìn)行空中三角測量解算，將成果導(dǎo)出后再引入ContextCapture進(jìn)行后續(xù)模型生產(chǎn)。

Mirauge3D軟件。該軟件是北京中測智繪推出的一款建模軟件，就現(xiàn)有的版本來說，其空三精度較低，但是大面積空三解算通過率較高，尤其是帶狀數(shù)據(jù)的解算，通過率最高。它主要用來進(jìn)行初始外方位數(shù)據(jù)的解算，將成果抽稀導(dǎo)出后，引入ContextCapture軟件進(jìn)行控制點的轉(zhuǎn)刺，重新進(jìn)行加密點匹配和平差，在ContextCapture中完成后續(xù)數(shù)據(jù)的生產(chǎn)。

2.3 傾斜攝影測量特點

較傳統(tǒng)垂直攝影技術(shù)來說，傾斜攝影測量能夠更真實直觀地反映地物的實際情況，能夠讓使用者從全方位、多角度查看地物，彌補(bǔ)了正射影像應(yīng)用的局限性?？蓪崿F(xiàn)單張影像測量，通過專業(yè)軟件可生成三維模型，實現(xiàn)裸眼量測地物高度、長度、寬度等，也可采集建筑物側(cè)面紋理，大大減少了野外工作量。數(shù)據(jù)量小易于網(wǎng)絡(luò)發(fā)布，保證了海量傾斜三維場景的高效數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)了快速網(wǎng)絡(luò)化發(fā)布瀏覽及數(shù)據(jù)共享。

3 智慧城市建設(shè)基礎(chǔ)地理信息內(nèi)容及獲取方式

基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)體系建設(shè)以形成數(shù)字信息服務(wù)產(chǎn)業(yè)模式為目標(biāo)，通過各種技術(shù)手段獲取基礎(chǔ)地理信息，進(jìn)行采集、編輯處理、貯存等[2]。時空信息云平臺是對智慧城市地理信息公共平臺的智能提升，主要依托云計算環(huán)境，把基礎(chǔ)設(shè)施、時空信息、功能軟件和開發(fā)接口作為服務(wù)資源。傾斜攝影測量是智慧城市時空信息云平臺建設(shè)項目的核心內(nèi)容之一，是三維實景模型生產(chǎn)、DLG生產(chǎn)、DEM生產(chǎn)、DOM生產(chǎn)的基礎(chǔ)性和必備性工作，即3D產(chǎn)品的生產(chǎn)。傾斜攝影測量技術(shù)具有超高的分辨率和真實性，能夠真實還原地表實際狀況，詳盡地表現(xiàn)出地物的種類和位置。通過實景三維模型成果可實現(xiàn)分類查詢、規(guī)劃設(shè)計、控高分析、規(guī)劃壓平、方案對比、日照分析、立面圖設(shè)計、攝像頭安裝與監(jiān)控、科普知識宣傳、直觀展示自然風(fēng)光，為智慧城市的進(jìn)一步應(yīng)用提供強(qiáng)有力的保障。

4 傾斜攝影測量技術(shù)在智慧城市中的應(yīng)用

4.1 數(shù)字高程模型(DEM)的制作

數(shù)字高程模型是智慧城市建設(shè)中的重要的基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)，為城市實景三維模型的建設(shè)和各種工程設(shè)計提供了基礎(chǔ)成果。目前我國只有少量城市使用了格網(wǎng)，尺寸為2～25 m，建立了一定范圍內(nèi)的數(shù)字高程模型成果，格網(wǎng)高程精度為0.25～2.0 m[4]。傾斜攝影測量系統(tǒng)能夠提取大范圍的數(shù)字高程模型，DEM獲取有兩種方式：一是利用平差后符合精度要求的空三加密成果，自動匹配生成DTM，在第三方軟件中進(jìn)行編輯點云。二是通過人工采集或已有的DLG數(shù)據(jù)中的等高線、高程點及特征點導(dǎo)入立體模型，生成DEM。

4.2 數(shù)字線畫圖(DLG)的制作

數(shù)字線畫圖是城市建設(shè)主要的形式之一，可用于城市基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品化加工，能夠滿足地理信息系統(tǒng)所需的各種空間分析要求，被視為智能數(shù)據(jù)[2]。它的表現(xiàn)形式多種多樣，與DOM可以疊加形成正射影像地形圖，與DOM、DEM疊加形成立體地形圖或數(shù)字地面模型。DLG生產(chǎn)以傾斜攝影測量的實景三維模型為底圖，一般情況下，城市使用的大比例尺地形圖數(shù)據(jù)成果，傾斜攝影測量技術(shù)均可以滿足[5]。主要獲取方式有兩種，一是利用數(shù)字正射影像和數(shù)字高程模型進(jìn)行疊加，得到高精度的帶有紋理信息的數(shù)字表面模型，二是直接利用生產(chǎn)的實景三維模型。兩種方式都是直接將三維模型成果導(dǎo)入到第三方裸眼測圖軟件，如易繪、EPS、SV365等軟件中，在裸眼環(huán)境下進(jìn)行數(shù)字線畫圖的采集。對于大比例尺地形圖來說，可直接在模型上進(jìn)行屋檐改正，利用前方交會對無法采集的房角等進(jìn)行采集，提高模型精度，充分減少了外業(yè)工作量，縮短了項目任務(wù)周期。

4.3 數(shù)字真正射影像圖(TDOM)的制作

數(shù)字真正射影像圖是根據(jù)數(shù)字高程模型對中心投影的航攝影像進(jìn)行糾正處理，消除投影差的垂直投影的影像地圖[6]，主要獲取方式是利用集群化全自動數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和數(shù)字高程模型成果，對數(shù)字航空影像進(jìn)行微分糾正，通常采用雙線性內(nèi)插法或雙三次卷積內(nèi)插法重采樣。數(shù)字微分糾正后的單片正射影像，以空三加密區(qū)為單元，在軟件中自動選取鑲嵌線，達(dá)到快速、批量成圖，成果為一幅總圖。

4.4 實景三維模型的制作

實景三維模型是通過高精度的三維地理坐標(biāo)和真實的地表影像數(shù)據(jù)，構(gòu)建真實地表三維模型，是“一張皮”模型，主要表現(xiàn)形式是通過計算機(jī)或其他視頻設(shè)備進(jìn)行顯示，主要獲取方式是利用Bentley的ContextCapture Center軟件，利用平差后符合精度要求的空三加密成果，通過自動提取密集點云，重建三角網(wǎng)，自動映射紋理，指定模型輸出格式，得到實景三維模型。自動化生成的三維模型由于原始數(shù)據(jù)等問題，存在模型漏洞、地面起伏不平、空中懸浮物等問題，為了模型美觀，展示效果好，要通過漏洞填補(bǔ)、懸浮物刪除、壓平等手段對其進(jìn)行處理。

三維模型對水域約束建模的方法。由于水是弱紋理要素，不易提取加密點，因此一般生產(chǎn)的三維模型都是大面積漏洞，呈現(xiàn)支離破碎的狀態(tài)，需要對這種漏洞進(jìn)行填充。常規(guī)填充方法不能填充大面積孔洞，因此需要通過約束建模來完成水域填充。約束建模思路是通過谷歌瀏覽生成的三維模型，沿水域畫面范圍保持高程和水面高程一致，導(dǎo)出并保存范圍面，引入建模軟件，利用水面約束，令水域自動建模，以獲取平整的水面。

5 結(jié)語

智慧城市建設(shè)是實現(xiàn)我國城市智能化管理的基礎(chǔ)。探討了智慧城市建設(shè)的基本內(nèi)容，對傾斜攝影技術(shù)進(jìn)行了分析，將其應(yīng)用于智慧城市建設(shè)中，促進(jìn)智慧城市的發(fā)展。