第八師團場部傾斜攝影三維建模示范應用項目實施方案

趙志剛 王志翔

摘要：開展數(shù)字城市三維地理信息系統(tǒng)的研究，將三維可視化和信息查詢與管理技術(shù)應用于數(shù)字城市建設中，對于決策者、設計師和用戶對城市景觀現(xiàn)狀和規(guī)劃設計藍圖有生動、直觀的了解和更深刻的認識，從而拓寬城市規(guī)劃、設計和管理人員的視角，使城市規(guī)劃、基礎設施設計更加科學化，對于城市可持續(xù)發(fā)展研究有重要意義。

關(guān)鍵詞：攝影測量；傾斜攝影；三維建模

0、引言

數(shù)字城市三維模型由于其在城市規(guī)劃、地籍管理、旅游、交通及環(huán)境仿真等領域顯示出了巨大的潛力， 已成為眾多領域研究的熱點。三維模型是以三維的手法進行建模，模擬出一個三維的建筑場景效果，規(guī)劃者可以模擬在數(shù)字場景中任意游走馳騁、飛行縮放，達到一種惟妙惟肖變化多姿的動態(tài)視覺效果，對規(guī)劃及參觀者來說是一種全新的體驗，并能產(chǎn)生強烈的共鳴。

1、項目區(qū)概況

新疆生產(chǎn)建設兵團第八師，含石河子市。 區(qū)域總面積7529平方公里。八師和石河子市實行一個黨委，政企分設，部門合一的體制。八師管轄18個團場、2個河系管理處和160多家工交建商企業(yè)，其中預算內(nèi)企業(yè)35家。石河子市轄5個街道辦事處和一鎮(zhèn)、一鄉(xiāng)。

2、現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

常用的影像數(shù)據(jù)大多只有地物頂部的信息特征，缺乏地物側(cè)面詳細的輪廓及紋理信息，不利于全方位的模型重建和場景感知。當前三維模型數(shù)據(jù)的制作主要有航測法、地面激光雷達掃描方法、DEM加正射影像法等。傳統(tǒng)航空航天攝影測量、地面激光雷達掃描兩種方法若想要創(chuàng)建比較真實的三維模型，都需要后期大量的人工工作，較大型的城市想要建設三維模型，成本很難控制，傾斜攝影測量因此成為近年來國際上發(fā)展十分迅速的一項高新技術(shù)。

傾斜影像（oblique image）是指由一定傾斜角度的航攝相機所獲取的影像。傾斜攝影技術(shù)是國際測繪遙感領域近年發(fā)展起來的一項高新技術(shù)， 通過在同一飛行平臺上搭載多臺傳感器，同時從垂直、傾斜等不同的角度采集影像，獲取地面物體更為完整準確的信息。

3、項目意義

傾斜攝影測量隨著我國城市化進程的快速推進，精細化的三維城市模型作為城市規(guī)劃、建設、管理和信息化的基礎數(shù)據(jù)，得到了日益廣泛的應用并逐漸成為城市空間數(shù)據(jù)框架的重要內(nèi)容。傾斜攝影技術(shù)將基于立體像對和點特征的傳統(tǒng)攝影測量技術(shù)推向了一個新的高度，即動態(tài)的，基于多視影像和對象特征的實時攝影測量技術(shù)。

4、目標及預期成果

4.1項目目標。使用無人機傾斜攝影平臺搭載傾斜相機進行數(shù)據(jù)采集，應用更先進、高效的數(shù)據(jù)處理手段，獲取農(nóng)八師各團場部實景三維模型。

成果目標：獲取農(nóng)八師各團場部WGS-84坐標系統(tǒng)的高分辨率正射影象圖，影像幾何精度達到測繪級標準，可以在正射影象圖上直接量取長度、面積、角度等數(shù)學要素。

制作農(nóng)八師各團場部實景三維模型，建設三維可視系統(tǒng)，三維模型可根據(jù)需求的不同建設白膜三維或者帶紋理的三維模型。

4.2預期成果

（1） 數(shù)字航空攝影原始數(shù)據(jù)；（2） 空三加密成果；（3） 高精度正射影像圖；（4） 高精度數(shù)字地表模型；（5） 高精度城市三維模型。

5、技術(shù)方案

5.1儀器裝備

1）飛行平臺。擬選用QC-1型無人飛行平臺，該機型機動靈活，不需要專門機場，可以在公路、平地、簡易跑道上起飛，并且安全系數(shù)較高，空域申請也比大飛機更容易。

2）航攝儀。使用Sony RX1R數(shù)碼相機組裝傾斜攝影系統(tǒng)，Sony RX1R數(shù)碼相機是Sony公司2013年6月發(fā)布的消費級專業(yè)相機，相機最大有效像素2470萬，最高分辨率6000×4000，相機重量450g。

5.2 傾斜攝影測量關(guān)鍵技術(shù)。傾斜攝影測量的基本原理傾斜影像是通過具有一定傾角的傾斜航攝相機獲取的，具有如下的特點：（1）可以獲取多個視點和視角的影像，從而得到更為詳盡的側(cè)面信息；（2）具有較高的分辨率和較大的視場角；（3）同一地物具有多重分辨率的影像；（4）傾斜影像地物遮擋現(xiàn)象較突出。

針對這些特點，傾斜攝影測量技術(shù)通常包括影像預處理、區(qū)域網(wǎng)聯(lián)合平差、多視影像匹配、DSM生成、真正射糾正、三維建模等關(guān)鍵內(nèi)容，其基本原理如圖1 所示：

圖1 傾斜數(shù)據(jù)處理基本原理

傾斜影像測量的關(guān)鍵技術(shù)

1） 多視影像聯(lián)合平差 。多視影像不僅包含垂直攝影數(shù)據(jù)，還包括傾斜攝影數(shù)據(jù)。多視影像聯(lián)合平差需充分考慮影像間的幾何變形和遮擋關(guān)系。結(jié)合 POS 系統(tǒng)提供的多視影像外方位元素，采取由粗到精的金字塔匹配策略，在每級影像上進行同名點自動匹配和自由網(wǎng)光束法平差，得到較好的同名點匹配結(jié)果。同時，建立連接點和連接線、控制點坐標、GPU/IMU 輔助數(shù)據(jù)的多視影像自檢校區(qū)域網(wǎng)平差的誤差方程，通過聯(lián)合解算，確保平差結(jié)果的精度。

2） 多視影像密集匹配。影像匹配是攝影測量的基本問題之一，多視影像具有覆蓋范圍大，分辨率高等特點。因此，如何在匹配過程中充分考慮冗余信息，快速準確獲取多視影像上的同名點坐標，進而獲取地物的三維信息，是多視影像匹配的關(guān)鍵。

3） 數(shù)字表面模型生成和真正射影像糾正。多視影像密集匹配能得到高精度高分辨率的數(shù)字表面模型（DSM），充分表達地形地物起伏特征，可以首先根據(jù)自動空三解算出來的各影像外方位元素， 分析與選擇合適的影像匹配單元進行特征匹配和逐像素級的密集匹配，并引入并行算法，提高計算效率。在獲取高密度DSM數(shù)據(jù)后，進行濾波處理，并將不同匹配單元進行融合，形成統(tǒng)一的DSM。

6、行業(yè)應用

目前實景三維地理數(shù)據(jù)平臺已經(jīng)在城管、公路、鐵路、公安、地圖服務等行業(yè)進行了廣泛而深入的應用，下表列舉了該技術(shù)能夠為這些行業(yè)“真圖”用戶提供的一些新的應用點。

7、結(jié)語

傾斜攝影技術(shù)是解決傳統(tǒng)的航空和衛(wèi)星遙感對側(cè)面的三維重建有效解決手段，并有效控制后期創(chuàng)建真實三維模型的成本。

參考文獻：

[1]傾斜攝影測量技術(shù)綜述

[2]基于傾斜攝影的三維城市建模

[3]機載傾斜攝影數(shù)據(jù)在三維建模及單斜片測量中的應用