趙　宏，杜明成，吳俐民，勾　威，鄭瑩崗，趙　雷，靳曉蘭

(1.昆明市測(cè)繪管理中心, 云南 昆明 650500；2.九成空間科技有限公司，北京 101300)

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基于傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的智慧城市5D產(chǎn)品制作工藝實(shí)現(xiàn)

趙宏1，杜明成2，吳俐民1，勾威2，鄭瑩崗1，趙雷1，靳曉蘭2

(1.昆明市測(cè)繪管理中心, 云南 昆明 650500；2.九成空間科技有限公司，北京 101300)

摘要：近年來，傾斜攝影測(cè)量技術(shù)成為測(cè)繪行業(yè)的熱點(diǎn)技術(shù)。隨著傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的快速發(fā)展，我國(guó)開始嘗試應(yīng)用傾斜攝影測(cè)量技術(shù)獲取的航空影像制作數(shù)字化測(cè)繪產(chǎn)品。闡述基于傾斜攝影測(cè)量技術(shù)進(jìn)行城市實(shí)景三維模型、DSM、DEM、DOM、TDOM的智慧城市5D測(cè)繪產(chǎn)品制作工藝研究，并介紹將此工藝實(shí)際應(yīng)用于昆明市507 km2的主城區(qū)5D產(chǎn)品制作的實(shí)施情況及可行性分析。

關(guān)鍵詞：傾斜攝影測(cè)量；城市實(shí)景三維模型；5D產(chǎn)品

隨著“智慧城市”概念的快速推廣，越來越多的城市已著手實(shí)施“智慧城市”的建設(shè)，將城市規(guī)劃建設(shè)管理從粗放模式向精細(xì)化、可視化、動(dòng)態(tài)化轉(zhuǎn)變。而“智慧城市”的建設(shè)過程中，城市實(shí)景三維數(shù)據(jù)、DSM、DEM、DOM、TDOM等地理信息數(shù)據(jù)則是“智慧城市”的基礎(chǔ)所在，沒有精度高、效果好的技術(shù)數(shù)據(jù)支撐，“智慧城市”只能是空談。因此，如何高效、快速的完成高精度的基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)的采集及制作，尤其是城市實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)，成為“智慧城市”建設(shè)中需要重點(diǎn)關(guān)注的問題。ArminGruen等人采用三線陣航飛系統(tǒng)進(jìn)行影像數(shù)據(jù)的采集，并且建立橫濱市的三維模型[1]。熊俊華、方源敏等人采用機(jī)載Lidar方式提取建筑物邊緣信息特征，同時(shí)結(jié)合航空影像綜合提取地物紋理，從而實(shí)現(xiàn)三維模型的建立[2]。

近年來，隨著傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的誕生及發(fā)展，越來越多的人將傾斜攝影技術(shù)應(yīng)用到智慧城市的建設(shè)之中。經(jīng)研究及實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，傾斜攝影測(cè)量技術(shù)是適合“智慧城市”建設(shè)的數(shù)據(jù)采集方式之一。本文將從傾斜攝影測(cè)量原理及昆明市“智慧城市”的5D產(chǎn)品制作實(shí)踐應(yīng)用兩方面闡述傾斜攝影測(cè)量技術(shù)應(yīng)用于“智慧城市”建設(shè)的優(yōu)勢(shì)及可行性分析。

1傾斜攝影測(cè)量介紹

傳統(tǒng)航空攝影一般指的是垂直攝影，即在飛行平臺(tái)上搭載一臺(tái)傳感器，在像片傾斜角為0的情況下垂直向地面進(jìn)行拍攝，完成航空影像的采集。而傾斜攝影測(cè)量則是在一架飛行平臺(tái)上搭載多個(gè)傳感器，同時(shí)從前、后、左、右及垂直等多個(gè)角度進(jìn)行對(duì)地觀測(cè)，從而進(jìn)行航空影像的采集(見圖1)[3]。因此，相比于傳統(tǒng)航空攝影，傾斜攝影技術(shù)不但可以滿足傳統(tǒng)二維數(shù)據(jù)制作的一切要求，同時(shí)多角度的拍攝更有利于獲取地物紋理，尤其是建筑物側(cè)面紋理，從而可以將航空影像應(yīng)用到三維模型數(shù)據(jù)的制作當(dāng)中，形成“智慧城市”地理信息數(shù)據(jù)中的實(shí)景三維數(shù)據(jù)，節(jié)約制作傳統(tǒng)三維模型數(shù)據(jù)的人力、物力及時(shí)間成本。

圖1　傾斜攝影示意圖

此外，傾斜攝影測(cè)量系統(tǒng)通常還會(huì)搭載GPS接收機(jī)及高精度IMU進(jìn)行輔助測(cè)量，為影像提供位置及狀態(tài)信息，得到的POS系統(tǒng)數(shù)據(jù)用來輔助空三加密，使得后期制作出的三維數(shù)據(jù)、DEM、DOM等比傳統(tǒng)工藝具有更高的精度，進(jìn)而可以更好地服務(wù)于“智慧城市”的建設(shè)。

2基于傾斜攝影技術(shù)的5D產(chǎn)品制作

2.1 實(shí)景三維模型制作

2.1.1傳統(tǒng)三維建模與傾斜攝影三維建模分析

傳統(tǒng)三維模型的制作，需要經(jīng)過外業(yè)紋理采集、模型構(gòu)建、紋理貼圖等多個(gè)步驟，并且外業(yè)及內(nèi)業(yè)的工作全部需要純?nèi)斯さ姆绞絹硗瓿?。而在“智慧城市”的建設(shè)中，通常都需要規(guī)模較大、面積較大的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，因此傳統(tǒng)的人工建模方式在面對(duì)大規(guī)模的建模需求時(shí)，就會(huì)顯得有些力不從心，不但需要耗費(fèi)大量的人力成本，而且需要花費(fèi)大量的時(shí)間，通常需要一年甚至幾年的時(shí)間。即便完成，數(shù)據(jù)的時(shí)效性也相對(duì)較差，無法較好地反映城市現(xiàn)狀。此外，由于建模過程中紋理貼圖部分為純?nèi)斯じ深A(yù)，因此模型紋理也相對(duì)而言不夠真實(shí)，無法客觀真實(shí)的反映城市情況。

基于傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的城市實(shí)景三維建模，是一種全自動(dòng)的建模方式，航飛完成后由軟件全自動(dòng)進(jìn)行建模處理，所需的人工干預(yù)的過程極少，因此需要投入的人力成本也極低。此外，傾斜攝影的三維建模技術(shù)效率極高，每日可達(dá)20km2以上。因此，基于傾斜攝影技術(shù)的三維建模工藝不但成本低，效率高，貼圖的過程也是全自動(dòng)處理，可以客觀真實(shí)的反映城市現(xiàn)狀，且時(shí)效性較高，極其適合“智慧城市”的建設(shè)應(yīng)用。

2.1.2昆明市507 km2實(shí)景三維制作

昆明市主城建成區(qū)507km2實(shí)景三維模型制作是昆明市城市規(guī)劃建設(shè)管理數(shù)字化應(yīng)用項(xiàng)目中的重要環(huán)節(jié)，其目的在于為項(xiàng)目最終需要實(shí)現(xiàn)的城市動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測(cè)及違法搭建建筑查處目標(biāo)提供數(shù)據(jù)支撐。

2.1.2.1航空攝影與像控測(cè)量

本次項(xiàng)目實(shí)施采用傾斜RCD30傾斜航攝儀、運(yùn)12飛機(jī)來完成此次航攝任務(wù)，航向重疊度為70%，旁向重疊度70%。最終完成的航線條數(shù)為296條，共計(jì)80 799個(gè)曝光點(diǎn)，約40萬張像片，平均分辨率為5cm，最高可達(dá)3cm。

完成飛行后，使用LeicaFramePro軟件對(duì)航攝數(shù)據(jù)進(jìn)行解壓，使用InertialExplorer和IPASCO+軟件將RCD30的GPS/IMU數(shù)據(jù)和衛(wèi)星精密星歷進(jìn)行融合計(jì)算，并用計(jì)算后的數(shù)據(jù)對(duì)影像數(shù)據(jù)進(jìn)行直接地理定位。對(duì)每個(gè)架次的數(shù)據(jù)進(jìn)行影像質(zhì)量檢查和無約束空三計(jì)算，合格后整理資料，提交成果。傾斜攝影測(cè)量工藝流程如圖2所示。

圖2　傾斜攝影流程圖

為保證數(shù)據(jù)精度，本次實(shí)施還進(jìn)行了外業(yè)像控點(diǎn)測(cè)量，共計(jì)完成312個(gè)像控點(diǎn)及200個(gè)檢查點(diǎn)，坐標(biāo)系為CGCS2000坐標(biāo)系，中央經(jīng)線為102°，3°分帶。

2.1.2.2城市實(shí)景三維模型制作

城市實(shí)景三維模型使用Photomesh全自動(dòng)三維建模軟件進(jìn)行三維建模。通過攝影測(cè)量原理，對(duì)獲得的傾斜影像數(shù)據(jù)進(jìn)行幾何處理、多視匹配、三角網(wǎng)(TIN)構(gòu)建、自動(dòng)賦予紋理輸出城市實(shí)景三維模型成果[3-5]，并采用人工修改完成模型局部效果糾正。結(jié)合專題建筑物信息數(shù)據(jù)批量完成模型單體化。城市實(shí)景三維模型制作，工藝流程如圖3所示。

圖3　實(shí)景三維模型制作流程圖

空三計(jì)算基于Photomesh軟件，結(jié)合POS系統(tǒng)提供的初始外方位元素，可以模擬包括傾斜影像在內(nèi)的所有影像的地表投影范圍，采取由粗到精的金字塔匹配策略，在各級(jí)影像上進(jìn)行同名點(diǎn)自動(dòng)匹配和自由網(wǎng)光束法平差，得到較好的同名點(diǎn)匹配結(jié)果。

Photomesh基于空三平差輸出的外方位元素成果，自動(dòng)將影像進(jìn)行匹配，組成三維像對(duì)。對(duì)Tile塊內(nèi)包含的所有三維像對(duì)分別進(jìn)行點(diǎn)云匹配計(jì)算，并將這些像對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行匯總合并，構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)TIN，并生成無紋理的城市實(shí)景三維模型(白模)。Photomesh可在全部候選影像中自動(dòng)快速選取最清晰最好的紋理貼在對(duì)應(yīng)位置的城市實(shí)景三維模型面上，最后輸出紋理清晰逼真的城市實(shí)景三維模型(見圖4、圖5)。

圖4　實(shí)景三維模型效果圖

圖5　實(shí)景三維模型效果圖

本次507km2的傾斜攝影測(cè)量及實(shí)景三維模型制作共耗時(shí)6個(gè)月，其效率遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)人工建模，此外數(shù)據(jù)所達(dá)到的平面精度高于0.3m，高程精度高于0.5m，足以滿足大部分城市規(guī)劃及建設(shè)需求，同時(shí)數(shù)據(jù)的時(shí)效性強(qiáng)，對(duì)于城市動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測(cè)及違法建筑查處等需求，具有非常大的意義。

2.2DSM、DEM、DOM、TDOM制作

傾斜攝影測(cè)量的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)在于，利用一次傾斜攝影的下視影像，可以滿足傳統(tǒng)二維產(chǎn)品的制作，甚至由于傾斜攝影影像普遍分辨率較高，并且有POS進(jìn)行輔助，因此最終制作的數(shù)據(jù)精度也較高[6]。

本次實(shí)施采用PixelGrid數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量工作站，通過光束法區(qū)域網(wǎng)整體平差，確定區(qū)域內(nèi)所有影像的外方位元素和加密點(diǎn)坐標(biāo)成果?？杖用芎?，通過生成核線影像、匹配種子點(diǎn)線立體量測(cè)，自動(dòng)影像匹配生成高精度的數(shù)字表面模型DSM。之后采用房屋過濾、三角網(wǎng)過濾等方式進(jìn)行DEM的制作，并應(yīng)用完成的DEM，按照傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式進(jìn)行DOM影像的制作。

而TDOM的制作采用Photomesh軟件結(jié)合城市實(shí)景三維模型及傾斜攝影下視影像進(jìn)行全自動(dòng)輸出，輸出的成果經(jīng)過少量的人工糾正，即可完成最終TDOM成果的制作(見圖6)。

圖6　TDOM效果圖

3結(jié)束語

通過此次昆明市城市規(guī)劃建設(shè)管理數(shù)字化應(yīng)用項(xiàng)目的實(shí)施可以看出，應(yīng)用傾斜攝影測(cè)量技術(shù)進(jìn)行智慧城市的數(shù)據(jù)采集及制作具有極高的效率及

現(xiàn)勢(shì)性，可以滿足大面積的“智慧城市”建設(shè)需求。并且一次航飛即可同時(shí)完成實(shí)景三維模型、DSM、DEM、DOM、TDOM的城市5D產(chǎn)品的制作。因此對(duì)于“智慧城市”建設(shè)來說，傾斜攝影測(cè)量是一種極為合適的數(shù)據(jù)采集方式。

參考文獻(xiàn)：

[1]GRUENA，ZHANGL，WANGX.3DcitymodelingwithTLS(ThreeLineScanner)data[J].InternationalArchivesofthePhotogrammetry，RemoteSensingandSpatialInformationSciences，2003，34：24-27.

[2]熊俊華，方源敏，付亞梁，等. 機(jī)載LIDAR數(shù)據(jù)的建筑物三維重建技術(shù)[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2011，11(1)：189-192.

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[責(zé)任編輯：張德福]

Production process of the smart city 5D product based on oblique photograph

ZHAO Hong1, DU Mingcheng2, WU Limin1, GOU Wei2, ZHENG Yinggang1,ZHAO Lei1, JIN Xiaolan2

(1.KunmingSurveyingandMappingManagementCenter,Kunming650500,China; 2.JiuchengSpatialTechnologyCo.,Ltd.,Beijing101300,China)

Abstract：In recent years, oblique photograph technique has become one of the hot technologies of surveying and mapping. With the rapid development of oblique photograph technique, China also has gradually tried to apply it to capturing the aerial image to produce the surveying and mapping products. In this paper, it expounds the production process of the smart city 5D products, which contains the city real 3D model, DSM, DEM, DOM, TDOM, based on the oblique photograph technique. And it also introduces the actual implementation and feasibility analysis of technology applied to Kunming 507 km2 5D products production.

Key words：oblique photograph technique; real 3D city model; smart city 5D products

DOI:10.19349/j.cnki.issn1006-7949.2016.09.016

收稿日期：2015-11-16

作者簡(jiǎn)介：趙宏(1965-)，女，工程師,碩士研究生.

中圖分類號(hào)：P231

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1006-7949(2016)09-0073-04