基于Leica CityMapper混合數(shù)據(jù)的地形級地理場景構(gòu)建

朱 磊,趙 菲,王宏昌

(1. 山東省國土測繪院,山東 濟南 250102; 2. 山東省國土空間生態(tài)修復(fù)中心,山東 濟南 250014)

地理場景是指一定時空范圍內(nèi)的各種自然要素和人文要素相互聯(lián)系、相互作用所構(gòu)成的具有特定結(jié)構(gòu)和功能的地域綜合體。地形級地理場景主要反映地形特征及地表地物信息,側(cè)重于對地表高程、紋理等大范圍地理環(huán)境的三維描述,適用于現(xiàn)實世界的宏觀可視化表達(dá)。地理場景數(shù)據(jù)是對地理場景的空間位置、形態(tài)、紋理進(jìn)行數(shù)字化表達(dá)的地理信息數(shù)據(jù),是新型基礎(chǔ)測繪的一種基礎(chǔ)產(chǎn)品,是實景三維中國建設(shè)的重要組成部分[1]。

地理場景構(gòu)建與快速更新技術(shù)已成為測繪界專家學(xué)者研究的熱點,并取得了豐碩的成果。文獻(xiàn)[2]以高速固定翼飛機搭載多鏡頭傾斜航攝儀獲取3 cm分辨率傾斜影像,經(jīng)空三加密、稠密點云生成、白模構(gòu)建、紋理映射等步驟實現(xiàn)了城市級地理場景快速構(gòu)建技術(shù);文獻(xiàn)[3]針對地理場景數(shù)據(jù)瓦片式建模的特點,綜合模型數(shù)據(jù)生產(chǎn)組織和時空索引更新處理兩個階段,提出了適用于同類數(shù)據(jù)增量更新和不同類數(shù)據(jù)聯(lián)動更新的技術(shù)策略和方法,研究了基于傾斜攝影模型的地理場景更新方法;文獻(xiàn)[4]為解決地理場景更新的及時性和高效性,提出了利用無人機獲取變化圖斑點云數(shù)據(jù),經(jīng)濾波提取地面點,并進(jìn)行平滑處理,輸出數(shù)字模型,實現(xiàn)了地形級實景三維地理場景更新。

地形級地理場景構(gòu)建一般采用DEM疊加DOM的方式,DEM與DOM生產(chǎn)一般需獲取兩次數(shù)據(jù),且影像與點云時相較難一致。本文提出一種基于Leica CityMapper-2L混合航攝儀同步獲取的點云與影像數(shù)據(jù),聯(lián)合生產(chǎn)DEM和DOM融合制作地形級地理場景的技術(shù)方法,以及對低旁向重疊度航空影像連接點匹配等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析,并通過試驗對該方法進(jìn)行驗證。

1 關(guān)鍵技術(shù)

1.1 技術(shù)流程

基于混合數(shù)據(jù)的地形級地理場景構(gòu)建主要技術(shù)流程為:①采用CityMapper-2L混合航攝儀同步獲取點密度優(yōu)于1個/m2的點云數(shù)據(jù)和0.2 m分辨率的航空影像數(shù)據(jù);②對點云數(shù)據(jù)進(jìn)行航帶匹配、濾噪、自動分類和細(xì)分類處理,生成DEM和DSM數(shù)據(jù);③對航空影像進(jìn)行空三加密、基于密集匹配點云和同步LiDAR點云對航片進(jìn)行數(shù)字微分糾正、鑲嵌處理制作DOM;④DEM和DSM疊加DOM數(shù)據(jù),融合制作地形級地理場景數(shù)據(jù),制作流程如圖1所示。

圖1 地形級地理場景制作流程

1.2 DEM制作

通過IMU/DGPS數(shù)據(jù)解算、點云預(yù)處理、自動分類、人工編輯分類等工序,提取符合要求的地面點云,然后構(gòu)建TIN、重采樣制作DEM。

1.3 低重疊度影像連接點匹配

航空影像數(shù)據(jù)處理過程中,連接點匹配受影像質(zhì)量、鏡頭畸變、地形、POS數(shù)據(jù)等多種因素的影響,其匹配效果直接影響空三精度[5-6]。

當(dāng)相鄰航帶的影像重疊度低于20%時,影像之間的共同特征點數(shù)量減少,對連接點匹配造成一定困難。此時,連接點匹配可采取根據(jù)特征點方向分量和灰度進(jìn)行匹配的方式完成,并通過最小二乘法(LSM)提高匹配精度。通過對圖像進(jìn)行多層不同程度的模糊處理,在每個金字塔層上運行自動的整體測區(qū)平差程序,以達(dá)到對連接點的強有力的內(nèi)部質(zhì)量控制,即使在結(jié)構(gòu)較差的地區(qū)及山區(qū)也能產(chǎn)生有效的連接點。當(dāng)連接點提取沒有達(dá)到預(yù)期的精度和連接性時,再通過最小二乘法自動優(yōu)化連接點,進(jìn)一步優(yōu)化結(jié)果。通過組合匹配方式,可使連接點的匹配達(dá)0.1像元的精度。

1.4 影像數(shù)字微分糾正

航空影像數(shù)字微分糾正可基于影像密集匹配生成的點云或同步獲取的LiDAR點云兩種方式進(jìn)行[7-9]?；诿芗ヅ潼c云進(jìn)行數(shù)字微分糾正,優(yōu)點是可以利用現(xiàn)有的航空影像資源,但生成的點云精度可能受到影像質(zhì)量、特征點匹配算法等因素的影響;基于LiDAR點云進(jìn)行數(shù)字微分糾正,優(yōu)點是LiDAR點云具有較高的精度和穩(wěn)定性,可以提供更準(zhǔn)確的糾正結(jié)果。

LiDAR點云濾波方式生成的 DEM 在平坦區(qū)域微分糾正效果較好,房子基本不會變形,山區(qū)植被覆蓋率高的地方正射糾正的單片則會產(chǎn)生大量的樹木拉伸現(xiàn)象,而采用影像密集匹配點云進(jìn)行影像正射糾正效果較好,兩者之間形成互補。因此,采用基于LiDAR點云為主、密集匹配點云為輔的微分糾正方式,可取得理想的糾正效果[10-11]。

1.5 融合構(gòu)建地形級地理場景

以DEM為基底,疊加DOM作為地面紋理,并進(jìn)行場景編譯[12-13]。此種方式的優(yōu)點是山體、地形等立體感表現(xiàn)較好,高程精度高,可進(jìn)行精確的土方量算、淹沒分析等。缺點是房屋、橋梁等地物因DEM置平,表現(xiàn)不出三維立體形態(tài),陡涯等地形高差大的地區(qū)紋理不足,有拉花現(xiàn)象。

2 試驗與分析

2.1 CityMapper-2混合航攝儀

CityMapper-2混合航攝儀是徠卡測量系統(tǒng)混合型傳感器(如圖2所示),集成了五視角傾斜相機和高性能激光雷達(dá),單次飛行即可獲取高分辨率五視角影像和高密度點云成果,影像與激光點云多源數(shù)據(jù)提供的信息具有一致性、冗余性和互補性,可以進(jìn)行目前航空攝影測量常見的4D產(chǎn)品和三維模型生產(chǎn)。

圖2 CityMapper混合航攝儀組成

2.2 試驗情況

地理場景產(chǎn)品分級建設(shè),省級層面負(fù)責(zé)亞米級地形場景建設(shè),主要由0.5～2 m格網(wǎng)尺寸的DEM和0.2～1 m分辨率的DOM數(shù)據(jù)融合形成。在《實景三維山東建設(shè)總體實施方案》(2023-2025年)中,山東省級建設(shè)0.2 m分辨率的DOM和2 m格網(wǎng)的DEM[14]。

以山東某區(qū)域地形級地理場景建設(shè)項目為例,試驗區(qū)位于膠東丘陵地區(qū),采用CityMapper-2L混合航攝儀同步獲取點云和影像數(shù)據(jù),相對航高為3777 m,飛行速度為300 km/h。激光視場角設(shè)置為40°,旁向重疊度為20%,相機下視角旁向視場角為41.2°,影像旁向重疊度為22%,單架次獲取優(yōu)于1點/m2點云數(shù)據(jù)和GSD為0.2 m的航空影像數(shù)據(jù)約1800 km2。

首先對LiDAR點云進(jìn)行航帶匹配、濾噪、濾波處理,制作1 m格網(wǎng)DEM;其次航空影像匹配采用根據(jù)特征點方向分量和灰度進(jìn)行匹配且與最小二乘法組合的方式,這樣克服了航帶重疊度小的難題;然后經(jīng)空三加密,基于LiDAR點云與密集匹配點云相結(jié)合的方式進(jìn)行微分糾正,以及影像鑲嵌等步驟制作DOM;最后DEM疊加DOM并進(jìn)行場景編譯制作省級地形級地理場景,如圖3所示。

圖3 地形級地理場景

2.3 精度分析

(1)平面精度。在試驗區(qū)域內(nèi)均勻選擇60個檢測樣本區(qū)域,并與采用網(wǎng)絡(luò)RTK方法采集的平面坐標(biāo)進(jìn)行對比,計算模型平面位置誤差。采用高精度統(tǒng)計方法,得到模型平面位置誤差為0.498 m。

(2)高程精度。在試驗區(qū)均勻選擇6組精度驗證區(qū),采用網(wǎng)絡(luò)RTK方法采集了312個高程檢核點,去除粗差后,共獲得305個高程差值,誤差值呈正態(tài)分布,中誤差為0.127 m。其中,21%的誤差值優(yōu)于4 cm;36%的誤差值優(yōu)于6 cm;74%的誤差值優(yōu)于8 cm;95%的誤差值優(yōu)于10 cm。

3 結(jié) 語

本文對地形級地理場景建設(shè)技術(shù)現(xiàn)狀進(jìn)行了分析,提出了基于同源混合遙感數(shù)據(jù)制作地形級地理場景的方法和技術(shù)路線,并對該技術(shù)中存在的技術(shù)難題給出了解決方案。結(jié)合省級基礎(chǔ)測繪項目,通過山東某地區(qū)對該技術(shù)方法進(jìn)行了驗證。

采用該技術(shù)進(jìn)行地形級實景三維更新,具有高程精度高、紋理與模型時相一致、節(jié)省更新成本等特點。該技術(shù)革新了地形級地理場景構(gòu)建模式,在地形級地理場景更新,尤其是帶狀區(qū)域(新建高速鐵路、公路、運河等)更新具有明顯優(yōu)勢,且具有極高的推廣應(yīng)用價值。