航空攝影測量技術(shù)在構(gòu)建數(shù)字城市中的應(yīng)用

任正昊

（北京洛斯達科技發(fā)展有限公司）

1 引言

當前，數(shù)字化測繪技術(shù)已經(jīng)得到了快速發(fā)展，不僅提高了測繪效率，而且還提高了測繪數(shù)據(jù)的質(zhì)量。數(shù)字化測繪技術(shù)包括很多方面，其中航空攝影測量技術(shù)在數(shù)字化測繪中占據(jù)著重要地位，它通過獲取地面三維立體模型確定地物的空間位置和形狀，能反映出地形地貌的空間分布和形狀特征。航空攝影測量是一種非接觸式的測量方法，不需要任何儀器設(shè)備，具有較高的安全性，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛。航空攝影測量主要包括航空攝影計劃和航攝航線的設(shè)計。

2 航空攝影測量技術(shù)基本概念

航空攝影測量技術(shù)是指通過飛行器在空中對地面進行攝影，獲取反映地面狀況的航空影像數(shù)據(jù)的一種技術(shù)，它可以為城市規(guī)劃、地質(zhì)勘探等提供準確的數(shù)據(jù)信息，為數(shù)字城市的構(gòu)建提供支撐。

航空攝影測量技術(shù)是以數(shù)碼相機作為傳感器，在機載平臺上對影像數(shù)據(jù)進行采集，同時將影像數(shù)據(jù)傳送至計算機中進行處理。這種技術(shù)可以實現(xiàn)對地面信息的快速采集，并且具有成本低、效率高、采集速度快等優(yōu)點[1]。數(shù)字影像數(shù)據(jù)主要包括航空影像數(shù)據(jù)和衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)。其中，航空影像數(shù)據(jù)主要包括全色、多光譜、多角度和多光譜等類型，其質(zhì)量和分辨率都非常高。

3 數(shù)字城市構(gòu)建意義

數(shù)字城市建設(shè)與傳統(tǒng)城市建設(shè)有很大區(qū)別，數(shù)字城市以電子計算機技術(shù)和通信技術(shù)為基礎(chǔ)，在數(shù)字地圖上對信息進行采集和處理，并對城市運行情況進行實時監(jiān)控。數(shù)字城市在構(gòu)建過程中不僅需要與傳統(tǒng)測繪技術(shù)相結(jié)合，還需要與計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的有效處理和分析，從而促進城市規(guī)劃、交通運輸?shù)裙ぷ鞯拈_展。數(shù)字城市建設(shè)具有較強的綜合性，且在構(gòu)建過程中不受地理位置和環(huán)境因素影響，具有較強的靈活性。

4 常見航空攝影測量技術(shù)

4.1 數(shù)字航攝儀CityMapper2

數(shù)字航攝儀CityMapper2 是一種新型航空攝影儀，其混合傳感器同時擁有6 臺1.5 億像素相機，能實現(xiàn)全地形環(huán)境高密度點云應(yīng)用。相比于上一代CityMapper，CityMapper2 的傳感器性能更高，像素達到了1.5 億，故CityMapper2 的采集效率是上一代設(shè)備的兩倍。CityMapper2 獨特的激光雷達單元具有強勁的2MHz脈沖，這也是CityMapper2能做到全地形應(yīng)用的關(guān)鍵，即依靠激光雷達單元，CityMapper2 實現(xiàn)了無測距盲區(qū)，在獲取全地形數(shù)據(jù)效率方面，更是上一代設(shè)備的三倍。CityMapper2的控制器及存儲系統(tǒng)也完美地集成到主鏡頭中，系統(tǒng)的安裝和操作更加簡便。

CityMapper2 在現(xiàn)代航空攝影測量等相關(guān)領(lǐng)域得到了廣泛使用，其中就包括了數(shù)字城市建設(shè)。

4.2 IMU/DGPS輔助航空攝影測量

IMU/DGPS 輔助航空攝影測量，即利用GPS 衛(wèi)星定位系統(tǒng)來確定航攝時的位置信息，根據(jù)IMU/DGPS提供的坐標信息，確定航攝中物體的位置和姿態(tài)，并進行航攝處理。IMU/DGPS 輔助航空攝影測量技術(shù)可應(yīng)用于各種類型的航空攝影測量中。

IMU/DGPS輔助航空攝影測量是在航空攝影測量系統(tǒng)中嵌入IMU/DGPS 模塊，并與航空攝影測量系統(tǒng)相結(jié)合。該模塊主要包括陀螺儀、加速度計和氣壓高度計等設(shè)備。采用GPS 技術(shù)進行導(dǎo)航定位時，需要考慮其在空中坐標系中的位置坐標，因此需要先對GPS 衛(wèi)星進行定位，并根據(jù)其相對于地面的位置來確定飛行高度。這兩種技術(shù)通過相互配合可以實現(xiàn)對飛行高度的控制，從而保證了對飛行中物體的實時監(jiān)控。IMU/DGPS輔助航空攝影測量系統(tǒng)具有較高的自動化程度和自動化水平，但其對飛行環(huán)境要求較高。

4.3 LIDAR激光測高掃描

LIDAR 激光測高掃描技術(shù)是一種高精度、高效率的新型測繪技術(shù)。在目前的城市測繪中，通過LIDAR 激光測高掃描系統(tǒng)獲取地面點云數(shù)據(jù)，可以快速準確地獲得地形表面、植被信息。LIDAR 激光測高掃描技術(shù)可以快速獲得大量地面點云數(shù)據(jù)，能實現(xiàn)對城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、道路改造、大面積地表形變監(jiān)測、房屋建筑、水系等各種物體形態(tài)信息的實時監(jiān)測。通過對LIDAR 激光測高掃描數(shù)據(jù)進行分析和處理，可以實現(xiàn)對地面地形表面、植被特征等的自動分類，并能快速獲取地面物體三維信息，為數(shù)字城市建設(shè)提供更準確的測繪成果。

4.4 三維建模技術(shù)

三維建模技術(shù)是一種以計算機技術(shù)為核心的新興技術(shù)，可以為數(shù)字城市的建設(shè)提供各種數(shù)據(jù)資源。在進行三維建模時，首先需要將地形地貌數(shù)據(jù)信息整合到計算機中，然后在計算機上對其進行仿真模擬，通過將現(xiàn)實世界的各種形態(tài)數(shù)據(jù)經(jīng)過軟件處理后構(gòu)建出相應(yīng)的三維模型，最后將模型以數(shù)字圖像格式進行保存。在數(shù)字化城市建設(shè)過程中，通過對數(shù)字城市地理信息系統(tǒng)的建立和完善，可以更好地為數(shù)字城市建設(shè)服務(wù)[2]。因此在進行數(shù)字城市建設(shè)過程中，應(yīng)加強對三維建模技術(shù)的重視。通過將地理信息系統(tǒng)與數(shù)字城市地理信息系統(tǒng)相結(jié)合，可以實現(xiàn)對城市地理信息數(shù)據(jù)進行動態(tài)監(jiān)測和管理。

5 航空攝影測量技術(shù)應(yīng)用

5.1 技術(shù)選型

隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，三維建模技術(shù)也在不斷更新?，F(xiàn)階段三維建模主要分為影像建模、激光雷達建模兩種。

激光雷達建模方法利用激光雷達點云數(shù)據(jù)構(gòu)建出模型，該方法具有精度高、效率高、自動化程度高等優(yōu)點。由于激光雷達的精度較高，所以模型能滿足實際要求。但這種方法也存在一些缺點，比如需要提前進行地面控制點的布設(shè)工作，從而增加了生產(chǎn)成本；激光雷達點云數(shù)據(jù)量較大，需要耗費大量時間進行數(shù)據(jù)處理；在建立模型時需要專門的設(shè)備進行掃描。

影像建模方法主要包括紋理貼圖和自由曲面兩種方式。其中紋理貼圖是在空中三角測量過程中獲取的建筑物、樹木等地物紋理信息，利用這些信息可以制作出真實的紋理圖像。貼圖制作出的模型具有一定真實感，但是貼圖成本較高。自由曲面建模利用多視影像制作出模型，不僅能夠降低成本還可以提高效率。由于自由曲面模型具有一定真實性，所以能夠滿足大多數(shù)用戶需求[3]。但是自由曲面建模需要人工干預(yù)，并且難以實現(xiàn)自動化操作，而且建模時間較長。

結(jié)合上述，影像和激光雷達的三維建模方法都有其自身特點和優(yōu)點，但目前一般建議選擇激光雷達建模。

5.2 技術(shù)應(yīng)用

5.2.1 事前準備

在進行三維建模之前，應(yīng)該先建立區(qū)域控制點?？刂泣c是三維模型構(gòu)建過程中最為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)信息，同時也是其重要組成部分，通過建立合理的控制點，可以保證模型構(gòu)建結(jié)果的正確性。

選擇合適的飛行時間，在進行三維建模過程中，選擇合適的飛行時間十分重要。一般來說，在進行飛行時間選擇時，應(yīng)該結(jié)合實際情況確定最佳的飛行時間。

進行數(shù)據(jù)采集和整理，在進行三維建模之前需要先對所獲取數(shù)據(jù)進行處理，然后再將其轉(zhuǎn)換為可以使用的格式。在進行數(shù)據(jù)采集時需要注意對其類型和數(shù)量等方面進行詳細分析，這樣才能保證所獲取數(shù)據(jù)具有較高質(zhì)量和完整性。

設(shè)置好航飛參數(shù)，在航飛參數(shù)設(shè)置方面應(yīng)該注意兩個方面，一個是對航線長度和高度差等方面進行設(shè)置，另一個是對航線之間的間隔距離、飛行時間等方面進行設(shè)置。

檢查三維模型是否完整以及是否存在嚴重誤差等方面，在建模過程中必須要確保其所有信息都是準確真實可靠的，并且必須要保證其所有信息都是一致完整的。

5.2.2 數(shù)字高程模型、數(shù)字正射影像圖與真正射影像圖制作

數(shù)字高程模型是以地面高程為依據(jù)，采用數(shù)字圖像處理技術(shù)和計算機圖形學(xué)等相關(guān)技術(shù)，將地表高程信息轉(zhuǎn)換成數(shù)字化的圖形信息，并在計算機上進行顯示、編輯和分析。在城市規(guī)劃和設(shè)計中，如果需要準確地表達出地面的地物高度，依靠該模型可以為城市規(guī)劃提供準確的數(shù)據(jù)信息，給城市建設(shè)、城市規(guī)劃提供必要的依據(jù)。

數(shù)字正射影像圖制作包括影像數(shù)據(jù)的采集和處理、影像數(shù)據(jù)的拼接、空中三角測量、數(shù)字高程模型制作等工作。在采集數(shù)據(jù)時，應(yīng)注意采集精度和時間的配合。當數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)采集完成后，需要對其進行拼接，以避免在圖像處理時出現(xiàn)重疊區(qū)域，影響圖像質(zhì)量。

真正射影像圖制作，先要進行外業(yè)調(diào)繪，建立正射影像圖測區(qū)的控制點成果表；然后進行內(nèi)業(yè)數(shù)字高程模型（DEM）制作和外業(yè)正射影像圖的裁切與編輯處理。利用DEM和DSM制作正射影圖。然后利用數(shù)字高程模型（DEM）數(shù)據(jù)，通過自動或半自動處理方法，獲得精確的數(shù)字表面模型（DSM），最終進行正射影像圖裁切和編輯處理。

5.2.3 三維建模

三維建模技術(shù)是將圖像和數(shù)字模型結(jié)合的技術(shù)，它利用計算機對圖像進行處理，然后利用數(shù)字模型對圖像進行分析和研究。在這一過程中，要對圖像進行拼接，然后將圖像的各個部分分離出來，然后對這些分離出來的部分進行建模即可。

5.3 成果應(yīng)用

以數(shù)字城市的地理信息系統(tǒng)建設(shè)場景為例，使用航攝技術(shù)獲取信息，然后建立三維模型，利用三維模型可對地物進行快速測量。過程中，由于空間數(shù)據(jù)具有一定的完整性和連續(xù)性，因此可以利用其建立地物數(shù)據(jù)庫[4]。依靠數(shù)據(jù)庫，先在航攝資料的基礎(chǔ)上構(gòu)建立體像對，后通過多視圖處理方法進行立體建模，由此通過三維立體模型獲取地物數(shù)據(jù)，并對其進行綜合分析。

6 結(jié)語

通過建立數(shù)字城市三維模型和數(shù)字高程等模型，可將這些模型視作輔助決策工具，幫助人們建立數(shù)字城市框架，這有益于城市規(guī)劃和管理。同時，還能依靠模型，幫助人們做好建筑用地、交通布局等方面的規(guī)劃，因此，依靠航空攝影測量技術(shù)，能很好地貫徹數(shù)字城市理念。