薛雁明，周軍元，戴 丹，許南茜，李 曉

（ 1.鄭州測(cè)繪學(xué)校，河南 鄭州450015；2．湖北省測(cè)繪工程院，湖北 武漢 430074；3．湖北省航測(cè)遙感院，湖北 武漢 430074；4．武漢金方圓信息技術(shù)有限公司，湖北 武漢430074）

1 地理國(guó)情普查與監(jiān)測(cè)的概述

地理國(guó)情監(jiān)測(cè)是綜合利用全球?qū)Ш叫l(wèi)星定位、航空航天遙感、地理信息系統(tǒng)等現(xiàn)代空間信息、測(cè)繪技術(shù)，在進(jìn)行地理國(guó)情普查、建立本底數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，綜合各時(shí)期測(cè)繪與專題成果資料，對(duì)相關(guān)的地理國(guó)情要素進(jìn)行動(dòng)態(tài)和定量化、空間化的監(jiān)測(cè)，并統(tǒng)計(jì)分析其變化量、變化頻率、分布特征、地域差異、變化趨勢(shì)等，形成反映其空間分布及其發(fā)展變化規(guī)律的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、地圖和研究報(bào)告等。

在以前的地理國(guó)情普查與監(jiān)測(cè)項(xiàng)目中存在一些普遍問題：

1）以往的地理國(guó)情普查使用的數(shù)據(jù)一般為航攝正射影像，這種數(shù)據(jù)一般是由飛機(jī)在使用航攝儀拍攝后處理拼接而成，從正射影像上看，絕大部分房子的頂視圖發(fā)生了投影變形。

2）由于航攝影像由飛機(jī)在高空拍攝，它所生成的正射影像必然存在上層遮蓋下層的問題。

3）一般情況下，計(jì)算機(jī)自動(dòng)分類提取地表覆蓋分類數(shù)據(jù)，也需要針對(duì)分類結(jié)果進(jìn)行人工編輯。這其中自動(dòng)分類、人工解譯其實(shí)都是立足于影像色差的判讀方式，航攝影像在色差上往往受到影像質(zhì)量、天氣煙霧、光照陰影、人為因素等多種干擾。

4）地理國(guó)情普查和監(jiān)測(cè)的技術(shù)方案可能已經(jīng)難以滿足現(xiàn)有空間地理信息監(jiān)測(cè)的需求了。比如立交橋，在二維繪圖工程中一般遵從“上層通下層斷”的繪圖原則，但是隨著多層立交橋的出現(xiàn)，這時(shí)簡(jiǎn)單的上下層原則已經(jīng)不適用。

2 傾斜攝影測(cè)量三維技術(shù)簡(jiǎn)介

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者在傾斜攝影技術(shù)方面已經(jīng)開展了大量的研究。張祖勛在2004年就提出了計(jì)算機(jī)視覺的概念[1]；王偉、劉國(guó)棟等人在三維城市建筑物建模中開展了應(yīng)用研究[2,3]；楊久勇等在中國(guó)測(cè)繪學(xué)會(huì)2010年學(xué)術(shù)年會(huì)上闡述了傾斜航空攝影的原理與特點(diǎn)[4]；桂德柱、季錚、趙修莉等人在三維模型重建方面進(jìn)行了研究和論文答辯[5-7]； 李德仁院士提出了智慧地球時(shí)代測(cè)繪地理信息學(xué)的新使命[8]，傾斜攝影技術(shù)經(jīng)過(guò)這一段時(shí)間的發(fā)展，已有一套成熟的航空測(cè)繪方面的應(yīng)用方案。它利用飛行器掛載五向高分辨率照相機(jī)從不同角度拍攝目標(biāo)物體的影像，通過(guò)傾斜三維建模軟件，由計(jì)算機(jī)自動(dòng)構(gòu)建出目標(biāo)三維模型，從而獲得整個(gè)測(cè)區(qū)的精確模型。

相較于以前的人工建模方案，傾斜攝影建模具有更好的真實(shí)感，同時(shí)由于使用計(jì)算機(jī)自動(dòng)建模，在一定的條件下能極大地節(jié)省人力，更適合大規(guī)模的自動(dòng)化建模。

3 實(shí)景三維技術(shù)針對(duì)國(guó)情普查的解決方案

武漢金方圓信息技術(shù)有限公司（Wuhan GSC Information Technology Co.Ltd.，以下簡(jiǎn)稱“金方圓公司”）結(jié)合過(guò)去在國(guó)情普查方面的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)和在傾斜攝影建模方向的研究成果，認(rèn)為能夠以傾斜攝影建模技術(shù)為基礎(chǔ)，開發(fā)適用于地理國(guó)情普查和監(jiān)測(cè)的三維地理空間信息系統(tǒng)。

3.1 傾斜攝影三維建模方案

3.1.1 傾斜攝影相機(jī)

GSC傾斜攝影相機(jī)為金方圓公司自主研發(fā)的專業(yè)傾斜相機(jī)，相較于徠卡等國(guó)際廠商的傾斜相機(jī)，GSC傾斜攝影相機(jī)功能適用、價(jià)格低廉，而較之于一些國(guó)內(nèi)的無(wú)人機(jī)傾斜相機(jī)系統(tǒng)，GSC傾斜相機(jī)具有更高的分辨率和成像質(zhì)量。GSC傾斜相機(jī)主要掛載于有人直升機(jī)和三角翼飛機(jī)，比無(wú)人機(jī)飛行更適合于大面積建模。

相機(jī)的影像獲取部分由5個(gè)數(shù)碼相機(jī)組成（1個(gè)垂直攝影相機(jī)和4個(gè)傾斜攝影相機(jī)），并集成機(jī)載GPS接收機(jī)／高精度IMU，提供每張影像的外方位元素，該相機(jī)的成像架構(gòu)如圖1所示。

圖1 傾斜攝影相機(jī)的成像架構(gòu)圖

3.1.2 三維建模

三維建模流程如圖2所示。

圖2 三維建模流程圖

同時(shí)軟件還可以根據(jù)已經(jīng)生成的三維模型來(lái)生成真正射影像，由于采用對(duì)三維模型進(jìn)行壓平處理獲得真正射影像，所以不會(huì)出現(xiàn)建筑側(cè)面出現(xiàn)在影像上的情況。

3.1.3 基于傾斜攝影三維模型的地理國(guó)情內(nèi)業(yè)調(diào)繪

傳統(tǒng)的地理國(guó)情普查手段，包括內(nèi)業(yè)圖上繪制和外業(yè)調(diào)繪。內(nèi)業(yè)繪制即利用航攝的地面正射影像來(lái)勾畫圖斑并賦予屬性數(shù)據(jù)。影像的目視解譯除了依據(jù)相關(guān)參考資料，就只能看色差，根據(jù)圖上色差來(lái)勾畫地塊邊界，一旦碰到地物遮擋和無(wú)法確定色差的地方，內(nèi)業(yè)人員無(wú)法判定，正射影像本身有其局限性，所以內(nèi)業(yè)無(wú)法確定或者有問題的地區(qū)需要外業(yè)實(shí)地調(diào)繪。

當(dāng)內(nèi)業(yè)繪圖的基本資料由正射影像換為三維模型時(shí)，這一根本問題就有了顯著優(yōu)化，傾斜三維模型除了真實(shí)反映原始地物的色差，它還表現(xiàn)了目標(biāo)高程、形狀、紋理等屬性，操作者不用到實(shí)地就能360°無(wú)死角觀察地物。在二維影像調(diào)繪的過(guò)程中，類似于建筑側(cè)面成像、地物影像遮蓋、內(nèi)業(yè)地類辨別等都不再成為三維模型調(diào)繪的問題。

3.2 傾斜攝影三維模型的精度分析

在廣東省的某項(xiàng)目中，金方圓公司利用傾斜攝影進(jìn)行三維建模，其成果經(jīng)實(shí)地采樣檢查，樣本中15個(gè)檢查點(diǎn)在X、Y、Z3個(gè)方向的標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為0.171 m、0.154 m、0.179 m，滿足1∶2 000大比例尺成圖的要求。

通過(guò)對(duì)項(xiàng)目過(guò)程的分析和總結(jié)，得出高精度三維模型的精度控制主要得益于以下方面：

1）高精度GNSS/IMU數(shù)據(jù)；

2）影像匹配時(shí)，結(jié)合外方位元素獲取到更多有效的特征點(diǎn)。

3.3 三維模型應(yīng)用于國(guó)情普查的優(yōu)點(diǎn)

實(shí)景三維模型應(yīng)用于國(guó)情普查時(shí)，其優(yōu)點(diǎn)如下：

1）傾斜攝影建模方案，相機(jī)拍攝自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)建模自動(dòng)化。

2）數(shù)字模型用于土地調(diào)繪的一大成果就是土地可視化，對(duì)于非專業(yè)人士來(lái)說(shuō)，全國(guó)土地調(diào)繪的數(shù)據(jù)成果是較難理解的，即使是對(duì)相關(guān)知識(shí)有了解的人，也要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的培訓(xùn)才能清楚地解讀圖上數(shù)據(jù)。而有了三維模型，對(duì)于外行來(lái)說(shuō)，模型也是真實(shí)可見的，易于理解。

3）傾斜攝影建模由于可以給出直接的地物模型，我們?cè)趪?guó)土調(diào)查中難以收集的資料也可以通過(guò)相關(guān)程序來(lái)采集，可以說(shuō)“模型在手，一切皆有”，這有利于數(shù)據(jù)的利用。比如耕地坡度數(shù)據(jù)，國(guó)家規(guī)定25°以上山地應(yīng)該退耕還林，但是這個(gè)25°判測(cè)按常規(guī)手段需要外業(yè)人員去山地一塊地一塊地測(cè)，對(duì)于模型來(lái)說(shuō)一個(gè)程序就可以全部提取出來(lái)。

4）從數(shù)據(jù)維護(hù)與更新方面來(lái)講，地理國(guó)情普查數(shù)據(jù)講求時(shí)效性，應(yīng)該定期更新。傳統(tǒng)的數(shù)字正射影像圖、數(shù)字線劃圖因其生產(chǎn)周期長(zhǎng)、數(shù)據(jù)量太大，難以快速維護(hù)與更新。而建筑模型只要使用單體化技術(shù)，每次維護(hù)都是只對(duì)需要更新的地物單體進(jìn)行小范圍無(wú)人機(jī)傾斜建模，將新模型替換舊模型并修改對(duì)應(yīng)的屬性層數(shù)據(jù)即可。同時(shí)由于VR技術(shù)等 三維技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字三維模型的大規(guī)模應(yīng)用即將成為潮流。

5）地理國(guó)情普查在正射影像上進(jìn)行內(nèi)業(yè)解譯和外業(yè)調(diào)查等工作，需要消耗大量的人力物力。而對(duì)正射影像解譯中遇到的大量問題進(jìn)行外業(yè)調(diào)繪，其勞動(dòng)強(qiáng)度大，工作效率低，勞務(wù)費(fèi)用高，而傾斜攝影方案需要的人工調(diào)繪量不及正射影像方案的十分之一，所消耗的時(shí)間也大大減少，同時(shí)也降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，工作效率大大提高。

4 結(jié) 語(yǔ)

實(shí)景三維傾斜攝影技術(shù)在國(guó)內(nèi)已經(jīng)有過(guò)多項(xiàng)實(shí)際項(xiàng)目采用，并廣泛應(yīng)用于測(cè)繪、房地產(chǎn)、救災(zāi)、智慧廠區(qū)、智慧景區(qū)等方面，而新時(shí)代地理國(guó)情資訊方面的需求將會(huì)越來(lái)越高，采用新技術(shù)也將是測(cè)繪任務(wù)的需求，實(shí)景三維傾斜攝影技術(shù)應(yīng)用于地理國(guó)情普查可以有效的降低成本，節(jié)省時(shí)間，取得良好的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。