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(三和數(shù)碼測繪地理信息技術有限公司，甘肅 天水 741000)

傾斜攝影測量是近年來迅速發(fā)展起來的一項測繪新技術，是在飛行平臺上搭載一臺或多臺相機，同一時間從多個不同角度采集照片數(shù)據(jù)，獲取地面物體更為準確的數(shù)據(jù)信息[1]，在測繪領域發(fā)揮著重要的作用，尤其是在智慧城市建設中的應用，更是不可或缺。傾斜攝影數(shù)據(jù)處理主要包括多視影像空中三角測量、控制點的轉刺與平差、多視影像密集匹配、不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)構建、白膜生成、紋理映射、格式轉換和貼圖輸出等[2]?；趦A斜攝影技術可以得到高精度的實景三維模型、高精度數(shù)字表面模型、數(shù)字線劃圖和真正射影像。分析了智慧城市的基本特點及傾斜攝影技術水平與特點，指出了智慧城市建設中需要的基礎地理數(shù)據(jù)，提出了傾斜攝影測量在智慧城市建設中的應用，為城市建設者提供有效的參考和借鑒。

1 智慧城市建設概況及特點

智慧城市起源于傳媒領域，是運用信息和通信技術手段感測、整合、分析城市運行過程中各個行業(yè)的關鍵信息，是新一輪信息技術變革和知識經濟發(fā)展的產物，它能夠完美地將工業(yè)化、城市化與信息化深度融合[3]。智慧城市建設可提高人們生活水平，為人們提供更多的現(xiàn)代化資源，充分發(fā)揮資源共享、線上辦公等優(yōu)勢，提高生活質量。

2 傾斜攝影測量技術

傾斜攝影測量技術是近幾年發(fā)展起來的一項測繪新技術，其是在飛行平臺上同時搭載多個相機，通常搭載5個相機，其中1個相機垂直于地面，其余4個相機與地面存在一定的夾角，通常為45°，以獲取盡可能多的側視紋理信息，從多個角度采集照片數(shù)據(jù)，有效減少視角盲區(qū)。傾斜攝影較傳統(tǒng)攝影來說，最大的區(qū)別是掛載的相機個數(shù)和獲取影像的方式不同。垂直攝影是掛載一個相機，垂直于地面進行影像獲取，其重疊度一般要求較低；傾斜攝影有1個相機是垂直地面獲取影像的，其余4個則是以一定的角度獲取影像。假設在獲取影像時，下視相機是完全垂直地面的，側視相機與下視相機之間夾角為45°，這樣從空中進行拍攝時，側視相機獲取的影像中心到地面對應點的中心之間的距離是1.41倍的垂直距離，如果5個相機焦距一樣、像元大小相同，獲取影像時，其分辨率理論上相差是很大的，這樣不利于后期數(shù)據(jù)的處理和應用。相機焦距、地面分辨率、像元大小和相對航高之間應滿足以下公式：

H=f*GSD/a

(1)

上式中，H是相對航高，通常是指飛機距離地面的高度，f是相機焦距，在攝影測量中，相機焦距是一個規(guī)定值，GSD是獲取的地面影像分辨率，a是像元大小，也就是將CCD成多個矩形，其中一個矩形的邊長，通常是個正方形，邊長相同。由式(1)可以看出，在相機選定后，地面影像分辨率只和相對航高有關系。在傾斜攝影中，多個相機都是固定在一起的，所以通過改變相對航高來調整影像分辨是不可行的。像元大小由CCD和分割數(shù)量決定，為了便于數(shù)據(jù)解算，像元大小是相同的，要想保證傾斜相機和側視相機獲取的影像分辨率一致，需要對相機焦距進行調整，也就是常見的5拼相機，下視焦距是35 mm，側視焦距是50 mm。為了保證安全，減少因遮擋帶來的視角盲區(qū)，智慧城市項目通常采用長焦距方式獲取影像數(shù)據(jù)，以確保飛機飛行高度，避免碰撞到高層建筑物。

2.1 傾斜攝影作業(yè)流程

傾斜攝影作業(yè)主要分為兩部分，即外業(yè)數(shù)據(jù)獲取和內業(yè)數(shù)據(jù)處理。外業(yè)數(shù)據(jù)獲取主要包航攝前的資料收集，任務區(qū)勘察和控制點、檢查點測量，無人機空域申請，航線規(guī)劃和影像數(shù)據(jù)航飛。內業(yè)數(shù)據(jù)處理主要包括數(shù)據(jù)預處理、工程創(chuàng)建和完善、空中三角測量解算、對影像密集匹配和密集點云生成，基于密集點云構建不規(guī)則三角網(wǎng)TIN，同時自動篩選高質量紋理并精準映射到TIN模型上，自動化完成精細實景三維模型重建工作，打破基于正射影像的局限性。也可快速輸出任意分辨率的真正射影像圖、數(shù)字表面模型基礎地理信息產品，高效靈活利用傾斜三維模型完成地理信息3D產品(DOM、DEM和DLG)的生產。其主要作業(yè)流程如圖1所示。

圖1 傾斜攝影作業(yè)流程圖Fig.1 Flow chart of tilt photogrammetry

2.2 傾斜攝影測量軟件

瞰景Smart3D軟件。該軟件是上海瞰景科技推出的實景三維建模軟件，其可以一次性對10w張以上影像進行空三解算和三維模型生產，空三精度高，模型成果質量好，格式多，支持多機集群作業(yè)和一機引擎多開等。在相同配置下，其解算效率較其他軟件高，能夠高效完成任務，節(jié)約時間。基于實景三維模型，可以獲取高分辨率、高精度的數(shù)字真正射影像成果。模型成果可以導入多個測圖軟件來生產數(shù)字線劃圖成果，也可在模型上直接獲取特征點和特征線，用來反演生產數(shù)字高程模型成果。

大疆智圖軟件。該軟件是大疆公司推出的一款集航線規(guī)劃和建模于一體的測繪軟件，具有同步進行數(shù)據(jù)獲取和數(shù)據(jù)處理的特點，可用于應急項目，通過無人機在空中作業(yè)，電腦端獲取影像數(shù)據(jù)進行處理，即可獲得對應的實景三維模型，其空三速度、模型生產速度較瞰景Smart3D來說更快，目前新推出的版本也可以進行集群作業(yè)，價格較低，受到了客戶的認可。

ContextCapture軟件。該軟件是本特利公司的一款建模軟件，其可以集群進行空中三角測量解算和實景三維模型生產。軟件操作簡單、易上手，但是當影像數(shù)據(jù)大于1w張時，空三解算失敗率較高且效率較低，因此在處理大面積作業(yè)區(qū)時，需要劃分較多的作業(yè)區(qū)，后期接邊工作量大，容易產生接邊誤差超限等問題，需要和其他建模軟件搭配使用，如使用photoscan軟件、Mirauge3D軟件進行空中三角測量解算，將成果導出后再引入ContextCapture進行后續(xù)模型生產。

Mirauge3D軟件。該軟件是北京中測智繪推出的一款建模軟件，就現(xiàn)有的版本來說，其空三精度較低，但是大面積空三解算通過率較高，尤其是帶狀數(shù)據(jù)的解算，通過率最高。它主要用來進行初始外方位數(shù)據(jù)的解算，將成果抽稀導出后，引入ContextCapture軟件進行控制點的轉刺，重新進行加密點匹配和平差，在ContextCapture中完成后續(xù)數(shù)據(jù)的生產。

2.3 傾斜攝影測量特點

較傳統(tǒng)垂直攝影技術來說，傾斜攝影測量能夠更真實直觀地反映地物的實際情況，能夠讓使用者從全方位、多角度查看地物，彌補了正射影像應用的局限性?？蓪崿F(xiàn)單張影像測量，通過專業(yè)軟件可生成三維模型，實現(xiàn)裸眼量測地物高度、長度、寬度等，也可采集建筑物側面紋理，大大減少了野外工作量。數(shù)據(jù)量小易于網(wǎng)絡發(fā)布，保證了海量傾斜三維場景的高效數(shù)據(jù)轉換，實現(xiàn)了快速網(wǎng)絡化發(fā)布瀏覽及數(shù)據(jù)共享。

3 智慧城市建設基礎地理信息內容及獲取方式

基礎地理信息數(shù)據(jù)體系建設以形成數(shù)字信息服務產業(yè)模式為目標，通過各種技術手段獲取基礎地理信息，進行采集、編輯處理、貯存等[2]。時空信息云平臺是對智慧城市地理信息公共平臺的智能提升，主要依托云計算環(huán)境，把基礎設施、時空信息、功能軟件和開發(fā)接口作為服務資源。傾斜攝影測量是智慧城市時空信息云平臺建設項目的核心內容之一，是三維實景模型生產、DLG生產、DEM生產、DOM生產的基礎性和必備性工作，即3D產品的生產。傾斜攝影測量技術具有超高的分辨率和真實性，能夠真實還原地表實際狀況，詳盡地表現(xiàn)出地物的種類和位置。通過實景三維模型成果可實現(xiàn)分類查詢、規(guī)劃設計、控高分析、規(guī)劃壓平、方案對比、日照分析、立面圖設計、攝像頭安裝與監(jiān)控、科普知識宣傳、直觀展示自然風光，為智慧城市的進一步應用提供強有力的保障。

4 傾斜攝影測量技術在智慧城市中的應用

4.1 數(shù)字高程模型(DEM)的制作

數(shù)字高程模型是智慧城市建設中的重要的基礎地理數(shù)據(jù)，為城市實景三維模型的建設和各種工程設計提供了基礎成果。目前我國只有少量城市使用了格網(wǎng)，尺寸為2～25 m，建立了一定范圍內的數(shù)字高程模型成果，格網(wǎng)高程精度為0.25～2.0 m[4]。傾斜攝影測量系統(tǒng)能夠提取大范圍的數(shù)字高程模型，DEM獲取有兩種方式：一是利用平差后符合精度要求的空三加密成果，自動匹配生成DTM，在第三方軟件中進行編輯點云。二是通過人工采集或已有的DLG數(shù)據(jù)中的等高線、高程點及特征點導入立體模型，生成DEM。

4.2 數(shù)字線畫圖(DLG)的制作

數(shù)字線畫圖是城市建設主要的形式之一，可用于城市基礎地理信息數(shù)據(jù)庫產品化加工，能夠滿足地理信息系統(tǒng)所需的各種空間分析要求，被視為智能數(shù)據(jù)[2]。它的表現(xiàn)形式多種多樣，與DOM可以疊加形成正射影像地形圖，與DOM、DEM疊加形成立體地形圖或數(shù)字地面模型。DLG生產以傾斜攝影測量的實景三維模型為底圖，一般情況下，城市使用的大比例尺地形圖數(shù)據(jù)成果，傾斜攝影測量技術均可以滿足[5]。主要獲取方式有兩種，一是利用數(shù)字正射影像和數(shù)字高程模型進行疊加，得到高精度的帶有紋理信息的數(shù)字表面模型，二是直接利用生產的實景三維模型。兩種方式都是直接將三維模型成果導入到第三方裸眼測圖軟件，如易繪、EPS、SV365等軟件中，在裸眼環(huán)境下進行數(shù)字線畫圖的采集。對于大比例尺地形圖來說，可直接在模型上進行屋檐改正，利用前方交會對無法采集的房角等進行采集，提高模型精度，充分減少了外業(yè)工作量，縮短了項目任務周期。

4.3 數(shù)字真正射影像圖(TDOM)的制作

數(shù)字真正射影像圖是根據(jù)數(shù)字高程模型對中心投影的航攝影像進行糾正處理，消除投影差的垂直投影的影像地圖[6]，主要獲取方式是利用集群化全自動數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和數(shù)字高程模型成果，對數(shù)字航空影像進行微分糾正，通常采用雙線性內插法或雙三次卷積內插法重采樣。數(shù)字微分糾正后的單片正射影像，以空三加密區(qū)為單元，在軟件中自動選取鑲嵌線，達到快速、批量成圖，成果為一幅總圖。

4.4 實景三維模型的制作

實景三維模型是通過高精度的三維地理坐標和真實的地表影像數(shù)據(jù)，構建真實地表三維模型，是“一張皮”模型，主要表現(xiàn)形式是通過計算機或其他視頻設備進行顯示，主要獲取方式是利用Bentley的ContextCapture Center軟件，利用平差后符合精度要求的空三加密成果，通過自動提取密集點云，重建三角網(wǎng)，自動映射紋理，指定模型輸出格式，得到實景三維模型。自動化生成的三維模型由于原始數(shù)據(jù)等問題，存在模型漏洞、地面起伏不平、空中懸浮物等問題，為了模型美觀，展示效果好，要通過漏洞填補、懸浮物刪除、壓平等手段對其進行處理。

三維模型對水域約束建模的方法。由于水是弱紋理要素，不易提取加密點，因此一般生產的三維模型都是大面積漏洞，呈現(xiàn)支離破碎的狀態(tài)，需要對這種漏洞進行填充。常規(guī)填充方法不能填充大面積孔洞，因此需要通過約束建模來完成水域填充。約束建模思路是通過谷歌瀏覽生成的三維模型，沿水域畫面范圍保持高程和水面高程一致，導出并保存范圍面，引入建模軟件，利用水面約束，令水域自動建模，以獲取平整的水面。

5 結語

智慧城市建設是實現(xiàn)我國城市智能化管理的基礎。探討了智慧城市建設的基本內容，對傾斜攝影技術進行了分析，將其應用于智慧城市建設中，促進智慧城市的發(fā)展。