張濤濤

（合肥市測繪設(shè)計研究院，安徽 合肥 230001）

0 引言

智慧城市目前已經(jīng)成為國內(nèi)外學(xué)術(shù)界以及相關(guān)行業(yè)重點研究的一個重點話題。智慧城市在我國正處在快速發(fā)展階段，在建設(shè)智慧城市過程中，三維模型數(shù)據(jù)的生產(chǎn)屬于非常重要的環(huán)節(jié)，同時也是構(gòu)建城市三維地理信息平臺的重要支撐。而智慧城市三維實景模型的構(gòu)建過程中，傳統(tǒng)航測技術(shù)通常情況下是利用兩張影像進(jìn)行重疊后來產(chǎn)生立體圖像，這種技術(shù)在詳細(xì)描述地面建筑輪廓和紋理信息方面具有極大的局限性，航空傾斜攝影測量技術(shù)則可以有效解決這些問題。

1 數(shù)據(jù)采集及處理分析

1.1 傾斜攝影影像數(shù)據(jù)采集

根據(jù)航空傾斜攝影的相關(guān)質(zhì)量以及參數(shù)要求，在針對地面建筑物進(jìn)行拍攝過程中，航空飛行器應(yīng)該盡可能采集更多的建筑實體側(cè)面紋理信息。而對于建筑物的三維坐標(biāo)，可以在精確提取航空拍攝建筑物紋理信息后，全面綜合建筑物方位坐標(biāo)、影像內(nèi)外方位元素，并通過共線方程投影影像后獲取[1]。

1.2 航空傾斜攝影影像處理

1.2.1 歸納數(shù)據(jù)資料

在獲取影像資料后首先需要進(jìn)行全面整理、歸納，在整理歸納過程中對影像資料是否完整、數(shù)據(jù)是否可靠進(jìn)行檢查，與此同時嚴(yán)格按照前視、后視、左視、右視、下視的方法進(jìn)行分類存放，最后對完成所有文件拷貝時間進(jìn)行嚴(yán)格檢查[2]。另外還需要整理飛行器在航拍過程中的飛行姿態(tài)信息，將飛行器的坐標(biāo)信息文件利

圖1為傾斜攝影測量影像處理的基本流程。在傾斜攝影測量數(shù)據(jù)處理過程中的一個難點問題就是如何構(gòu)建傾斜三維模型。用特定軟件打開后，以xyz格式經(jīng)過轉(zhuǎn)換后最終輸出txt文件，此后對作業(yè)區(qū)范圍內(nèi)的有效點進(jìn)行展點選取之后，將其對應(yīng)到相應(yīng)視影像中的位置中，最后將轉(zhuǎn)角信息進(jìn)行合并后制作成EO文件[3]。

圖1 傾斜攝影測量影像處理基本流程

1.2.2 處理影像資料

2 傾斜攝影三維建模分析

2.1 三維建模方法

三維建模是建立在空三加密數(shù)據(jù)基礎(chǔ)之上，在獲取影像拍攝數(shù)據(jù)信息后利用計算機(jī)軟件對其進(jìn)行空三加密處理以及影像匹配，在此基礎(chǔ)上就可以獲得三維白模建設(shè)、紋理映射，最終就可以獲取精密的三維模型。

2.2 三維建模基本流程

利用無人機(jī)傾斜攝影測量系統(tǒng)對整個測量區(qū)域進(jìn)行空三加密后就可以得到整個區(qū)域的大量數(shù)據(jù)信息，隨后針對測量區(qū)域的數(shù)據(jù)密集程度，利用切塊分割方法進(jìn)行分割，在此基礎(chǔ)上就可以構(gòu)建起不規(guī)則三角網(wǎng)TIN數(shù)據(jù)，最終完成三維白模的構(gòu)建。

在全面綜合測量區(qū)域的平面矢量圖、傾斜攝影正攝影像以及建筑頂端矢量圖等相關(guān)數(shù)據(jù)之后構(gòu)建白模。針對整個模型各個細(xì)部結(jié)構(gòu)，可以通過拍攝獲取的紋理信息進(jìn)行分析，并在白模上貼上完成處理后的攝影紋理。利用精準(zhǔn)定位信息所獲取的坐標(biāo)數(shù)據(jù)并結(jié)合紋理映射就可以自動、快速的在對應(yīng)三維模型上貼上影像紋理，這樣就可以形成建立在影像紋理基礎(chǔ)之上的傾斜攝影三維模型，而且該三維模型具有較高分辨率[4]。

獲取三維模型后將其中需要進(jìn)行后續(xù)編輯的模塊篩選出來，并充分利用計算機(jī)軟件進(jìn)行逐步修補(bǔ)，在修復(fù)過程中需要根據(jù)“修補(bǔ)—質(zhì)量控制—再生產(chǎn)模式”的方法進(jìn)行多次處理，在此基礎(chǔ)上就能夠獲取滿足需求的三維成果數(shù)據(jù)。

3 無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)實際應(yīng)用分析

3.1 測量區(qū)基本概況

本文主要以河北省廊坊市燕郊鎮(zhèn)為例，探討無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)在智慧城市建設(shè)過程中的應(yīng)用，燕郊鎮(zhèn)作為國家級高新技術(shù)開發(fā)區(qū)一直以來在我國的智慧城市、智慧管網(wǎng)建設(shè)過程中處于領(lǐng)先位置，為了保障在燕郊智慧城市的建設(shè)過程中能夠具備更加可靠、真實的數(shù)據(jù)支撐，下文將重點針對燕郊鎮(zhèn)智慧城市建設(shè)過程中無人機(jī)傾斜測量技術(shù)的應(yīng)用可行性進(jìn)行探討。

3.2 基本技術(shù)路線及測量流程

3.2.1 技術(shù)路線

在對燕郊鎮(zhèn)進(jìn)行傾斜攝影測量的過程中，整個測量系統(tǒng)主要由飛行平臺、控制系統(tǒng)、地面監(jiān)控、保障輔助設(shè)備、數(shù)據(jù)傳輸?shù)认嚓P(guān)部件共同組成。飛行平臺在測量過程中主要完成攝影任務(wù)設(shè)備的搭載，同時在搭載設(shè)備過程中要能滿足航空攝影飛行的基本要求；控制系統(tǒng)在攝影測量過程中可以實現(xiàn)對無人機(jī)平臺自主飛行的控制，同時還可以完成無人機(jī)平臺的導(dǎo)航及定位等相關(guān)任務(wù)；地面監(jiān)控則主要是獲取無人機(jī)平臺在航空測量飛行過程中的空速、飛行高度、飛行方向、飛行姿態(tài)、航向、飛行軌跡等相關(guān)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、存儲、顯示和回放。飛行測量過程中的任務(wù)設(shè)備主要指的是傾斜攝影相機(jī)，傾斜攝影相機(jī)在測量作業(yè)過程中主要完成航空攝影影像的獲取和存儲；數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)主要是完成飛行控制系統(tǒng)、地面監(jiān)控系統(tǒng)以及其他無人機(jī)搭載設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸以及控制指令傳輸。此外，要配備一定的地面保障設(shè)備來為無人機(jī)作業(yè)的安全性和有效性提供保障。

3.2.2 測量流程

在測量作業(yè)過程中需要針對測量區(qū)的高程數(shù)據(jù)、行政區(qū)數(shù)據(jù)、遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行全面收集和分析，在此基礎(chǔ)上來選擇更加適用的無人機(jī)系統(tǒng)，與此同時完成無人機(jī)飛行路線和航高的確定，此外航空攝影作業(yè)之前還需要選擇合理的氣候環(huán)境。在實施航空攝影作業(yè)的過程中，要嚴(yán)格按照航空攝影既定路線和時間實施全面實地勘察，在完成勘察后要對無人機(jī)的起降點進(jìn)行明確，隨后才可以執(zhí)行飛行攝影作業(yè)。在無人機(jī)飛行過程中必須要保障對無人機(jī)進(jìn)行良好控制，完成飛行攝影之后要及時對獲取數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和檢查，篩選出其中不符合要求的數(shù)據(jù)類型，根據(jù)數(shù)據(jù)來實施補(bǔ)飛或重新飛行。

3.3 構(gòu)建三維模型

3.3.1 數(shù)據(jù)獲取和處理

智慧城市實景三維模型的構(gòu)建需要以無人航測攝影過程中所獲取的有效原始影像以及POS數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)。利用先進(jìn)GPS導(dǎo)航定位系統(tǒng)以及相機(jī)陀螺平臺來完成無人機(jī)姿態(tài)的保持，無人機(jī)飛行過程中利用Aero－Topll系統(tǒng)和AeroNav軟件完成導(dǎo)航。同時配合地面GPS基站，就能夠保障飛機(jī)GPS與地面基站聯(lián)測過程中獲得較高質(zhì)量的GPS觀測數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上可以為后續(xù)GPS數(shù)據(jù)處理進(jìn)度提供保障[5]。表1為模型的精度統(tǒng)計。

表1 模型精度統(tǒng)計

由于當(dāng)前無人機(jī)傾斜攝影測量過程中多數(shù)情況下采取的都是多視角影視匹配技術(shù)，因此采集影像收集過程中必須保障航向重疊度和旁向重疊度相對較大，這樣才能為構(gòu)建三維模型提供便利。航空攝影飛行過程中需要對飛行質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格控制，航向重疊度以及旁向重疊度需要分別保持在70%和60%，與此同時要嚴(yán)格將航向彎曲度、旋偏角、傾斜角度等控制在1.5°以下，邊界覆蓋率也要達(dá)到100%，測量方法如下。

（1）在獲取數(shù)據(jù)之后，首先需要對原始影像的飽和度、亮度、色相等進(jìn)行全面檢查，在此基礎(chǔ)上完成對原始數(shù)據(jù)的預(yù)處理。

（2）針對POS系統(tǒng)可以利用CORS站或者校驗場進(jìn)行反復(fù)校驗，并進(jìn)一步簡算POS數(shù)據(jù)，進(jìn)而可以針對每一張航空照片獲取其相應(yīng)的外方位元素。

（3）隨后進(jìn)行空中三角測量，在作業(yè)過程中需要對相控點數(shù)據(jù)、POS數(shù)據(jù)以及影像數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合，將控制點進(jìn)行加密處理后最終可以獲取相對比較精確的外方位元素；空三加密的最終目的是要保障獲取每張影像的外方位元素，這也是構(gòu)建三維模型、獲取DSM非常重要的一個環(huán)節(jié)。因此對影像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的過程中，必須要嚴(yán)格控制空三加密精度。本次測繪工程實測數(shù)據(jù)的處理利用Pix4Dmapper軟件來完成空三加密，根據(jù)測量項目的測繪要求，要充分保障各測點誤差不能超過3個像素，與此同時也要將定向點的誤差控制在0.3m的范圍內(nèi)，檢查點誤差也要嚴(yán)格控制在0.5m的范圍內(nèi)。將加密精度要求和加密進(jìn)度結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)對比，同時對實測數(shù)據(jù)空三加密處理過程進(jìn)行綜合，這樣就可以判斷出空三加密處理結(jié)果是否能達(dá)到精度要求。

（4）以傾斜影像以及垂直影像數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，再結(jié)合空中三角測量數(shù)據(jù)的最終加密處理成果后，利用影像密集匹配技術(shù)就可以獲得最終DSM數(shù)據(jù)。

3.3.2 構(gòu)建三維模型

（1）在獲取DSM數(shù)據(jù)之后可以結(jié)合經(jīng)過預(yù)處理以及增強(qiáng)處理的影像數(shù)據(jù)來完成紋理映射，同時在實景DSM數(shù)據(jù)表面來完成具有像素級分辨率紋理的映射，隨后就可以利用計算機(jī)軟件來自動生成具備初級全要素的城市三維模型。

（2）模型數(shù)據(jù)仍然需要進(jìn)行進(jìn)一步修正和補(bǔ)漏，這樣才能真正保障城市實景三維模型的精細(xì)化。

（3）完成模型構(gòu)建后要進(jìn)行詳細(xì)檢查和驗收，保障其符合測量要求后才能進(jìn)行提交。

4 結(jié)語

與傳統(tǒng)航空攝影測量相比較，無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)不僅能夠提供精度更高的攝影影像，還可以通過高性能計算機(jī)軟件獲得更加真實化、精細(xì)化的三維模型，具有速度快、精度高、整體效果好、成果類型豐富等優(yōu)點。因此在智慧城市的建設(shè)過程中完全可以利用無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)來完成實景真三維模型的構(gòu)建。另外可以充分借助可視化技術(shù)、三維仿真技術(shù)、GIS技術(shù)等，結(jié)合三維模型與地下管線實際狀況，構(gòu)建起具備地下管線三維空間展示、查詢、漫游等相關(guān)功能的系統(tǒng)，這樣在智慧城市建設(shè)過程中就具備了充足的數(shù)據(jù)支撐。