羅忠平 何應(yīng)豪 李 陽(yáng)

重慶市萬(wàn)州區(qū)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院 重慶 404000

傾斜攝影測(cè)量技術(shù)顛覆了以往正攝影像只能從垂直角度拍攝的局限，通過(guò)在飛行平臺(tái)上搭載多臺(tái)傳感器，同時(shí)從多個(gè)不同的角度采集影像。由此獲得的傾斜影像不僅能夠真實(shí)地反映地物情況，而且還能利用先進(jìn)的定位技術(shù)，嵌入精確的地理信息[1]。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)快速發(fā)展，特別是與全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GPS）、慣性測(cè)量單元（IMU）等技術(shù)相融合[2]，在采集多角度影像的同時(shí)能夠獲取高精度的位置和姿態(tài)信息，顯著提高了影像匹配效率、幾何精度和紋理質(zhì)量，為快速建立區(qū)域性高精度實(shí)景三維模型成為可能。相比于傳統(tǒng)三維建模，應(yīng)用無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)建模具有數(shù)據(jù)獲取效率高、位置精度高、模型效果更真實(shí)、細(xì)節(jié)更豐富、建模成本更低等諸多優(yōu)勢(shì)[3]，已成為城市三維實(shí)景建模的重要手段, 在測(cè)繪生產(chǎn)和空間信息服務(wù)中扮演非常重要的角色。

1 項(xiàng)目概述

1.1 項(xiàng)目背景

2019年6月，自然資源部印發(fā)《自然資源“十四五”規(guī)劃編制工作方案》，提出在“十四五”期間大力推進(jìn)實(shí)景三維中國(guó)建設(shè)，實(shí)景三維將在新型基礎(chǔ)測(cè)繪中占據(jù)重要地位。高精度、高現(xiàn)勢(shì)性的實(shí)景三維數(shù)據(jù)已成為城市規(guī)劃、建設(shè)、精細(xì)化管理、三維展示與應(yīng)用最基礎(chǔ)的底層數(shù)據(jù)。為滿足萬(wàn)州區(qū)的城市規(guī)劃建設(shè)、審批管理等工作對(duì)實(shí)景三維產(chǎn)品等基礎(chǔ)測(cè)繪產(chǎn)品的需要，我院受萬(wàn)州區(qū)規(guī)劃和自然資源局委托，實(shí)施中心城區(qū)傾斜三維產(chǎn)品生產(chǎn)。

1.2 測(cè)區(qū)基本情況

萬(wàn)州區(qū)位于長(zhǎng)江上游地區(qū)、重慶東北部，處三峽庫(kù)區(qū)腹心，屬長(zhǎng)江上游區(qū)域中心城市, 位于東經(jīng) 107°55′22″～108°53′25″，北緯 30°24′25″～31°14′58″。東臨云陽(yáng)縣，南接石柱土家族自治縣和湖北利川市，西頻忠縣和梁平縣、北界開(kāi)州區(qū)和四川開(kāi)江縣，以丘陵和山地為主。2021年測(cè)區(qū)總面積112km2，位于中心城區(qū)。測(cè)區(qū)高差較大，主城內(nèi)交通便利，房屋密集，車流量大，建筑形態(tài)復(fù)雜且超高層建筑眾多，給航攝工作帶來(lái)較大影響。測(cè)區(qū)內(nèi)天氣以云霧天氣為主，降水較多，航空攝影作業(yè)時(shí)間窗口稀缺。

1.3 成果要求

基本精度指標(biāo)：平面精度、高程精度應(yīng)優(yōu)于0.05m。產(chǎn)品的紋理精度：無(wú)遮蔽的建筑物樓體外形清晰、表面光滑；能夠精確表示各類樹(shù)木的高度及輪廓；立交橋?qū)嵕叭S其正面及側(cè)面紋理應(yīng)當(dāng)達(dá)到連續(xù)、外輪廓清晰的要求；此外，橋下紋理在最大程度上進(jìn)行內(nèi)凹表示；道路實(shí)景三維應(yīng)當(dāng)消除運(yùn)動(dòng)車輛對(duì)紋理的影響，使道路的紋理得到均勻、連續(xù)、合理的表示。

2 技術(shù)路線

2.1 技術(shù)路線

測(cè)區(qū)內(nèi)海拔從165m至650m，超過(guò)100m的超高層建筑眾多，為應(yīng)對(duì)較復(fù)雜的測(cè)區(qū)現(xiàn)狀和高精度的成果要求，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)采用了飛馬D2000搭載D-OP4000傾斜攝影模塊的方式進(jìn)行采集數(shù)據(jù)，以及相應(yīng)的影像三維重建和模型單體化處理等技術(shù)手段。項(xiàng)目總體技術(shù)路線如圖3所示。

圖1 項(xiàng)目實(shí)施技術(shù)路線

圖2 實(shí)景三維用于城市道路建設(shè)工程

圖3 重點(diǎn)項(xiàng)目三維方案審批

圖4 自然資源數(shù)據(jù)管理

2.2 無(wú)人機(jī)及載荷

根據(jù)項(xiàng)目技術(shù)設(shè)計(jì)要求，項(xiàng)目組選取了飛馬D2000型無(wú)人機(jī)作為飛行平臺(tái)。通過(guò)在該平臺(tái)使用D-OP4000傾斜攝影模塊作為任務(wù)載荷，可以實(shí)現(xiàn)以下目標(biāo)：

（1）D-OP4000傾斜攝影模塊采用全畫(huà)幅微單相機(jī)憑借在感光面積上的優(yōu)勢(shì)，在相同像素條件下成像更好，成像質(zhì)量更佳；

（2）搭配40mm/56mm鏡頭組合，較長(zhǎng)的焦距組合可以滿足高落差等復(fù)雜環(huán)境下的高分辨率數(shù)據(jù)獲?。?/p>

（3）同樣的機(jī)位下采用同樣的焦距和參數(shù)進(jìn)行拍攝，全畫(huà)幅比APS-C畫(huà)幅獲得的照片視角要廣，航攝高分辨率影像時(shí)可以使用更快的飛行速度；

（4）RTK高精度實(shí)時(shí)定位，保持航線穩(wěn)定性、減少像控點(diǎn)數(shù)量、無(wú)需地面基站；

（5）變高飛行適應(yīng)丘陵區(qū)域的地形起伏，滿足數(shù)據(jù)采樣率要求。

2.3 數(shù)據(jù)獲取

2.3.1 檢查點(diǎn)測(cè)量

為滿足項(xiàng)目中多個(gè)環(huán)節(jié)的處理及檢查要求，在測(cè)區(qū)內(nèi)選取和實(shí)測(cè)一定數(shù)量的檢查點(diǎn)。利用測(cè)區(qū)內(nèi)原有高等級(jí)控制點(diǎn)求取平面轉(zhuǎn)換參數(shù)和高程擬合參數(shù)，檢查點(diǎn)外業(yè)測(cè)量和無(wú)人機(jī)RTK均采用千尋RTK網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，以滿足項(xiàng)目基準(zhǔn)的統(tǒng)一性。

2.3.2 針對(duì)復(fù)雜地形的航線設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)測(cè)量范圍內(nèi)的地形復(fù)雜多變，為兼顧航飛的效率與質(zhì)量，采用飛馬無(wú)人機(jī)管家的智航線模塊進(jìn)行航線設(shè)計(jì)，該模塊的智能化及自動(dòng)化程度較高，航線設(shè)計(jì)主要依據(jù)以下原則：

（1）航攝分區(qū)

分區(qū)內(nèi)的地形高差不宜過(guò)大；分區(qū)內(nèi)地物景物反差、地貌類型應(yīng)盡量一致。

（2）確定分區(qū)基準(zhǔn)面高度

根據(jù)飛馬無(wú)人機(jī)管家提供的DEM數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)每個(gè)分區(qū)內(nèi)最大高程與最小高程，依據(jù)《低空數(shù)字航空攝影規(guī)范》的要求，以及分區(qū)地形起伏、飛行安全條件等確定分區(qū)基準(zhǔn)面高度。

（3）航線布設(shè)

敷設(shè)航線時(shí)根據(jù)分區(qū)DEM，按照分區(qū)范圍、設(shè)定的地面分辨率和重疊度，飛馬無(wú)人機(jī)管家自動(dòng)進(jìn)行計(jì)算。雖然有仿地飛行能力，但在航線布設(shè)時(shí)候盡量根據(jù)地形特點(diǎn)保證航線直線平飛，減少航線節(jié)點(diǎn)，提高作業(yè)效率。在投影差突變的地方提高影像重疊度，以保證陡崖、高層建筑等出現(xiàn)明顯漏洞。

2.3.3 無(wú)人機(jī)飛行作業(yè)

為滿足成果精度要求，航線設(shè)計(jì)時(shí)采用了較高的數(shù)據(jù)采樣率。傾斜攝影采用2厘米/像素的分辨率，建筑密集區(qū)域80%和70%的航向和旁向重疊度。在此條件下傾斜攝影作業(yè)的飛行高度為213m。無(wú)人機(jī)飛行時(shí)通過(guò)使用千尋網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)RTK方式直接獲取高精度POS信息。

2.4 數(shù)據(jù)處理

2.4.1 PPK RTK POS融合解算

利用無(wú)人機(jī)管家“智理圖”模塊，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)PPK預(yù)處理，然后進(jìn)行差分解算，在差分解算中結(jié)合各相機(jī)的安裝角度、飛機(jī)姿態(tài)以及標(biāo)記點(diǎn)打標(biāo)時(shí)間進(jìn)行偏心距改正，解算得到各個(gè)相機(jī)準(zhǔn)確曝光點(diǎn)位置的CGCS2000大地坐標(biāo)，通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換軟件將CGCS2000大地坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為CGCS2000直角坐標(biāo)。

2.4.2 基于似大地水準(zhǔn)面精化模型的高程轉(zhuǎn)換

本項(xiàng)目POS數(shù)據(jù)采用“千尋位置服務(wù)”測(cè)量，所得POS成果高程為大地高H，需要將大地高轉(zhuǎn)換為正常高h(yuǎn)，二則之間的差異稱為高程異常，利用我院在中心城區(qū)進(jìn)行大面積平面和高程數(shù)據(jù)成果，選擇曲面高程擬合得到像控點(diǎn)和POS的正常高。經(jīng)過(guò)驗(yàn)證該方法獲得的正常高精度滿足大比例尺測(cè)圖要求。

2.4.3 空三解算和三維實(shí)景模型構(gòu)建

根據(jù)解算得到的高精度POS數(shù)據(jù)，以中心投影的共線方程作為平差的基礎(chǔ)方程，將POS成果作為帶權(quán)觀測(cè)值，進(jìn)行整體平差，求解每張影像的外方位元素。在完成影像空三解算后，利用Context Capture軟件導(dǎo)入空三解算成果，經(jīng)過(guò)影像密集匹配、密集點(diǎn)云構(gòu)三角網(wǎng)、白模生成以及紋理映射等步驟完成三維實(shí)景模型。

2.5 精度評(píng)價(jià)

為驗(yàn)證本次建模的精度水平，在測(cè)區(qū)范圍內(nèi)均勻采集特征檢查點(diǎn)，分別對(duì)模型進(jìn)行平面、高程精度檢核。經(jīng)過(guò)計(jì)算得到，檢查點(diǎn)平面中誤差為0.0300m，高程中誤差為0.0500m，模型精度滿足項(xiàng)目設(shè)計(jì)書(shū)要求和規(guī)范。

3 成果應(yīng)用

為滿足我區(qū)規(guī)劃和自然資源局相關(guān)規(guī)劃和項(xiàng)目審批要求，我院向中科圖新定制了《空間信息三維輔助分析系統(tǒng)》，結(jié)合實(shí)景三維成果的高現(xiàn)勢(shì)性、高精度的特點(diǎn)，在城市的各項(xiàng)建設(shè)管理工作中具有十分廣泛的應(yīng)用前景和較高的應(yīng)用價(jià)值。

3.1 市政建設(shè)

實(shí)景三維模型能夠精準(zhǔn)反映現(xiàn)狀底物地貌情況，因此可以為城市建設(shè)提供精確基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。我院生產(chǎn)的萬(wàn)州區(qū)中心城區(qū)的實(shí)景三維數(shù)據(jù)成果在高峰園市政道路修建工程中得到了應(yīng)用。該工程在設(shè)計(jì)階段利用BIM模型和實(shí)景三維模型疊加，因此可以實(shí)現(xiàn)工程多方案進(jìn)行對(duì)比，精準(zhǔn)評(píng)估項(xiàng)目與當(dāng)前環(huán)境的協(xié)調(diào)性，進(jìn)而可以達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)方案整，提升設(shè)計(jì)質(zhì)量的目的。

3.2 規(guī)劃管理

在城市規(guī)劃中利用實(shí)景三維數(shù)據(jù)輔助規(guī)劃重點(diǎn)項(xiàng)目報(bào)建審批工作。通過(guò)將規(guī)劃報(bào)建三維模型和現(xiàn)狀的實(shí)景三維模型進(jìn)行疊加展示，實(shí)現(xiàn)真實(shí)場(chǎng)景下的設(shè)計(jì)方案評(píng)審和對(duì)比，從而確保建筑之間能形成高低錯(cuò)落、疏密有致的城市空間形態(tài)，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化城市空間的目的。本項(xiàng)目的實(shí)景三維成果目前已用于萬(wàn)州區(qū)的重點(diǎn)項(xiàng)目規(guī)劃報(bào)建工作，取得了良好的效果和社會(huì)效益。

3.3 鄉(xiāng)村振興

實(shí)景三維數(shù)據(jù)作為基底數(shù)據(jù)，結(jié)合實(shí)景三維建模，高精度高清晰的還原模型，可用于重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目、重點(diǎn)區(qū)域的三維精細(xì)場(chǎng)景動(dòng)態(tài)展示和高仿真三維可視化模擬，能以極具真實(shí)感的光影效果展示鄉(xiāng)村振興建設(shè)前的原始場(chǎng)景和規(guī)劃后的效果場(chǎng)景。

3.4 自然資源管理

目前萬(wàn)州區(qū)正在搭建由智慧醫(yī)療、智慧交通、智慧物聯(lián)等集合而成的智慧萬(wàn)州，計(jì)劃將城市的地理實(shí)體數(shù)據(jù)、物聯(lián)感知數(shù)據(jù)等融合于一體，根據(jù)需求構(gòu)建出服務(wù)國(guó)土空間規(guī)劃、自然資源調(diào)查監(jiān)測(cè)、自然資源政務(wù)服務(wù)等的智慧基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，服務(wù)與自然資源管理。

4 總結(jié)展望

項(xiàng)目的順利實(shí)施得力于D2000無(wú)人機(jī)和D-OP4000傾斜攝影模塊在實(shí)景三維生產(chǎn)中的巨大優(yōu)勢(shì)。該設(shè)備操作性簡(jiǎn)便、飛行穩(wěn)定、定位精準(zhǔn)、數(shù)據(jù)獲取效率高等特性，能有效滿足各類地理場(chǎng)景生產(chǎn)需要。通過(guò)多個(gè)實(shí)景三維項(xiàng)目的實(shí)施，我院也得出了如下經(jīng)驗(yàn)和期望：

（1）利用千尋網(wǎng)絡(luò)直接獲取無(wú)人機(jī)的高精度CGCS2000大地坐標(biāo)后轉(zhuǎn)換為直角坐標(biāo)，結(jié)合本地的水準(zhǔn)面精化模型進(jìn)行解算，并結(jié)合飛行姿態(tài)數(shù)據(jù)解算出每個(gè)相機(jī)單獨(dú)的POS數(shù)據(jù)，有效提高了空三質(zhì)量，大大提高了模型的精度，通過(guò)項(xiàng)目試驗(yàn)，能夠真正實(shí)現(xiàn)免像控作業(yè)，提高工作效率。

（2）典型的山地城市高差較大，地形起伏不平，利用全畫(huà)幅、長(zhǎng)焦距的航攝相機(jī)能夠解決山地城市中超高層建筑三維模型破頂，同時(shí)也解決了由于投影差過(guò)大地面分辨率不足的情況。

（3）實(shí)景三維生產(chǎn)流程中，影像三維模型重建和模型單體化耗時(shí)較長(zhǎng)的生產(chǎn)環(huán)節(jié)，相比數(shù)據(jù)獲取手段的高效率，后期處理的速度是當(dāng)前實(shí)景三維生產(chǎn)中的瓶頸和短板。除硬件配置外，模型重建的算法優(yōu)化、模型勻光勻色、自動(dòng)單體化水平和效率均是當(dāng)前亟待解決的技術(shù)難題。

（4）實(shí)景三維成果在城市規(guī)劃、建設(shè)、精細(xì)管理中均具有非常廣闊的前景，并且實(shí)景三維也是新型三維地理實(shí)體體系中的重要組成部分。作為各部門信息化統(tǒng)一的空間基底，搭建開(kāi)放包容的數(shù)據(jù)格式，通用各部門各平臺(tái)的數(shù)據(jù)資源，在各行業(yè)共同深化研究的基礎(chǔ)上，深度融合發(fā)展將是實(shí)景三維的主要發(fā)展方向。