傾斜攝影在長春市城市建模中的應(yīng)用

薄正權(quán)，張宇

(長春市測繪院，吉林 長春　130021)

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傾斜攝影在長春市城市建模中的應(yīng)用

薄正權(quán)*，張宇

(長春市測繪院，吉林 長春130021)

摘要：三維數(shù)字城市是對城市進行多分辨率、多尺度和多時空的三維描述，快速精確地獲取城市地理信息數(shù)據(jù)，是三維城市建設(shè)中的重中之重。本文通過長春市三維城市建設(shè)，介紹了基于傾斜攝影測量技術(shù)的城市三維建模技術(shù)流程，比較了與手工建模和傳統(tǒng)航攝建模區(qū)別。列舉了數(shù)據(jù)成果在城市規(guī)劃審批和違建查處工作中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：傾斜攝影；城市規(guī)劃；三維數(shù)字城市

1引言

人類的活動、社交，城市建設(shè)和管理無一不與地理空間位置有關(guān)，隨著大數(shù)據(jù)時代的來臨，人們對地理信息數(shù)據(jù)的需求更加旺盛，傾斜攝影技術(shù)的發(fā)展，開創(chuàng)了地理信息數(shù)據(jù)獲取的新時代，為智慧城市建設(shè)提供一種高效實用的技術(shù)手段。

早在第一次世界大戰(zhàn)期間，就有飛行員拍攝傾斜航空影像，用于戰(zhàn)場偵察，但受當時膠片影像處理水平及算法的制約，無法成功將傾斜影像進行拼接[1]。近年來，隨著計算機軟硬件技術(shù)的飛速發(fā)展，實現(xiàn)了多視影像自動化匹配和區(qū)域網(wǎng)自動空三技術(shù)，為傾斜攝影技術(shù)的在國際測繪領(lǐng)域的落地應(yīng)用打下了基礎(chǔ)[2]。

2長春市三維城市發(fā)展情況

長春市三維城市建設(shè)經(jīng)歷了三個階段，第一階段基于1∶500地形圖和實景照片的手工建模；第二階段是基于機載激光點云技術(shù)和實景照片的手工建模；第三階段是基于傾斜攝影測量技術(shù)的三維建模。長春市建城區(qū) 230 km2范圍采用的是機載激光點云技術(shù)的三維建模，如圖1中右側(cè)所示，模型的數(shù)學精度和精細程度都可以保證，但是模型的建設(shè)周期長、成本高，屬于勞動密集型作業(yè)。2014年采用傾斜攝影測量技術(shù)手段對長春市中心城區(qū)及周邊區(qū)域 1 000 km2進行三維建模，如圖1中左側(cè)所示，這種方式有效提升了模型的生產(chǎn)效率，大大降低了三維模型數(shù)據(jù)采集的經(jīng)濟和時間成本。

圖1傾斜攝影建模(左)與手工建模(右)

3長春市傾斜攝影三維模型生產(chǎn)

長春城區(qū)位于松遼平原東部山地向西部平原過渡的伊通河臺地上。地勢東高西低，地貌由臺地和平原組成。本項目航空攝影范圍內(nèi)除凈月潭水庫附近地勢由一定起伏，其他區(qū)域均地勢平坦。本項目測區(qū)面積 853 km2，是目前國內(nèi)最大范圍的傾斜攝影建模項目，共劃分為4個攝區(qū)，攝區(qū)最低點分辨率優(yōu)于 8 cm，航向重疊率為80%，旁向重疊率為70%。航攝儀采用Leica公司RCD30 Oblique。

數(shù)據(jù)處理與生產(chǎn)采用法國Acute3D公司的Smart3DCapture軟件，它是基于圖形運算單元GPU的快速三維場景運算軟件，無需人工干預，可從簡單連續(xù)的影像中生成最逼真的實景真三維精細模型。具有快速、簡單、全自動的建模特點，并具有廣泛的數(shù)據(jù)源兼容性和優(yōu)化的數(shù)據(jù)輸出格式[3]。

3.1空三加密

基于Smart3DCapture軟件，結(jié)合POS系統(tǒng)提供的外方位元素和相機安裝位置關(guān)系，可以模擬包括傾斜影像在內(nèi)的所有影像的地表投影范圍，采取由粗到精的金字塔匹配策略，在各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，通過建立連接點和控制點坐標文件，結(jié)合GPS/IMU信息，實現(xiàn)多視角影像自檢校區(qū)域網(wǎng)平差迭代計算，通過多次反復聯(lián)合解算，最終得到符合精度要求的平差結(jié)果，如圖2所示。

3.2自動三維模型重建

自動建模流程如圖3所示：

(1)初始化建模區(qū)域

根據(jù)作業(yè)區(qū)實際范圍，劃定建模區(qū)域。由于建模需要在標準直角三維空間坐標系內(nèi)進行，因此軟件會將項目投影坐標系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為局部笛卡爾三維坐標系。建模區(qū)域會劃分為200 m×200 m的格網(wǎng)，每個格網(wǎng)(Tile)是三維建模的最小單元。

(2)建立三維像對

基于空三平差輸出的外方位元素成果和相機安置位置關(guān)系，Smart3DCapture可以自動尋找合適的兩張影像組成三維像對。

(3)生成像對點云

對Tile內(nèi)包含的所有三維像對分別進行點云匹配計算，并將這些像對點云進行匯總合并，如圖4所示。

(4)構(gòu)建三維TIN網(wǎng)

將前面環(huán)節(jié)得到的點云利用Smart3DCapture獨有算法進行三角網(wǎng)化處理，在這個過程中，一些異常的點由于無法構(gòu)建正常的三角形而被作為粗差點進行舍棄處理。Smart3DCapture內(nèi)嵌了多種高級智能算法，可以對不規(guī)則三角網(wǎng)進行自動檢測評估，可以對不合理的三角網(wǎng)表面進行自動優(yōu)化，對平坦表面的三角密度實現(xiàn)自動簡化稀疏化處理，同時對復雜表面的三角網(wǎng)密度予以保留，如圖5所示。

(5)紋理匹配

Smart3DCapture可以根據(jù)TIN網(wǎng)中每個三角形的空間位置，自動映射最佳視角的影像作為模型紋理，如圖6所示。

圖6紋理映射

3.3海量數(shù)據(jù)處理與工期控制

由于傾斜攝影測量技術(shù)對航飛大重疊度的要求和多視影像數(shù)據(jù)，原始航片數(shù)據(jù)量較傳統(tǒng)航攝成倍增加，同等條件下，傾斜攝影航片數(shù)據(jù)量是傳統(tǒng)航片數(shù)據(jù)量的約35倍。長春市實際航攝面積 1 150 km2，原始航片數(shù)據(jù)量 80 T，因此數(shù)據(jù)準備與備份，對整個項目的工期影響較大。并且在空三加密和三維建模過程中，會生成大量的過程數(shù)據(jù)，過程數(shù)據(jù)的存儲與調(diào)取同樣影響生產(chǎn)工期。

以 200 km2分區(qū)為例，使用10節(jié)點的Smart3D Capture軟件進行數(shù)據(jù)生產(chǎn)，數(shù)據(jù)處理時間約為 25 d～30 d，數(shù)據(jù)拷貝需要10 d～15 d，數(shù)據(jù)拷貝占整個數(shù)據(jù)處理時間的30%。

為保證數(shù)據(jù)生產(chǎn)過程穩(wěn)定，控制生產(chǎn)工期，建議使用兩組磁盤陣列進行數(shù)據(jù)生產(chǎn)，減少數(shù)據(jù)的拷貝對項目工期的影響。

4手工建模與傾斜攝影建模比較

4.1項目管理角度

手工建模需要大量的人工作業(yè)，每個建模人員對項目設(shè)計理解存在偏差，水平能力參差不齊，項目成果較難達到統(tǒng)一的水平，即使經(jīng)過驗收合格的產(chǎn)品，也會出現(xiàn)成果良莠不齊的情況，增加項目的管理難度[4]。反觀傾斜攝影建模生產(chǎn)流程自動化程度高，人工干預工作少，項目參與人員少，嚴格控制項目的幾個重點環(huán)節(jié)，就可以實現(xiàn)對項目的整體掌控，保障成果一致性，同時也降低了項目的管理難度。

4.2模型成果形式

兩種方式生產(chǎn)的三維模型是兩種不同的產(chǎn)品，手工建模成果可以理解為數(shù)字線劃圖與紋理的結(jié)合，傾斜攝影三維模型數(shù)據(jù)是DSM與影像數(shù)據(jù)的結(jié)合。

手工模型具有以下幾個特點，第一它是經(jīng)過制圖綜合的，不是全要素的還原三維場景，經(jīng)過概況和抽象，有選擇地對各類要素進行還原；第二各類要素是分層次，可以按照要素類別提取數(shù)據(jù)；第三可以對所有的地理信息數(shù)據(jù)賦予屬性信息。我們可以對手工模型任意放大、查詢、量測、疊加地圖，它具有數(shù)據(jù)量小、便于分層、能快速的生成專題地圖等優(yōu)點，另外還可以突破時空限制，除地表空間外，地下空間、室內(nèi)場景以及航空航天場景都可以在三維GIS中進行管理與展現(xiàn)。

傾斜攝影模型成果是對現(xiàn)實世界最真實的還原，具有精度高、信息豐富、效果直觀逼真，獲取快捷等優(yōu)點[5]，可以作為一個獨立的圖層與地名注記、道路等圖層疊加使用。經(jīng)檢測傾斜模型的平面精度 0.3 m，高程精度 0.2 m。但是傾斜攝影模型的數(shù)據(jù)量要遠遠大于手工模型數(shù)據(jù)量，對三維平臺的數(shù)據(jù)管理能力提出了更高的要求，經(jīng)過對國內(nèi)主流的三維平臺性能測試，如CityMaker、Skyline、SuperMap等，數(shù)據(jù)承載能力都已經(jīng)達到 500 km2以上。另外對于傾斜攝影模型“一張皮”的成果特點，我院采用了二三維一體化的技術(shù)架構(gòu)，將二維矢量數(shù)據(jù)與傾斜攝影模型結(jié)合起來，實現(xiàn)建筑單體化的管理和查詢。

5傳統(tǒng)航測法建模與傾斜攝影建模比較

航空攝影測量技術(shù)本身已經(jīng)有100多年的發(fā)展歷史，應(yīng)用在三維建模方面已有10多年的時間，相比較而言技術(shù)比較成熟，有許多現(xiàn)成的軟件和算法可以直接應(yīng)用[2]。傾斜攝影測量是近幾年才興起的三維建模技術(shù)，儀器設(shè)備昂貴、算法負責且技術(shù)不十分成熟。

傾斜影像在三維城市建模中的應(yīng)用過程中，與以往的垂直影像相比，傾斜影像有著明顯的優(yōu)勢，它能通過航攝儀較大的傾斜角度，獲取地表建(構(gòu))筑物立面信息。在數(shù)據(jù)生產(chǎn)過程中，傾斜攝影基本實現(xiàn)自動化建模，傳統(tǒng)航攝通過立體像對方法建模，項目周期兩者基本一致。三維模型成果精度比較，平面精度基本一致，傾斜攝影建模具有較高的高程精度，并且數(shù)據(jù)可靠性高。

6傾斜攝影模型在城市規(guī)劃管理中的應(yīng)用

三維規(guī)劃輔助決策平臺可以提供一個逼真的三維城市景觀模型，規(guī)劃人員可以在三維虛擬城市環(huán)境中完成建設(shè)用地適宜性評價、城市道路規(guī)劃、城市景觀輔助設(shè)計、方案評價與成果表現(xiàn)、規(guī)劃管理等功能，可以顯著提高規(guī)劃工作效率、促進規(guī)劃工作的科學性和透明性。

6.1規(guī)劃輔助分析

可以將設(shè)計師的設(shè)計方案通過虛擬現(xiàn)實的手段直觀展現(xiàn)在平臺中，如圖7所示，通過間距分析、日照模擬、控高分析、通視分析、視域分析、立面分析等功能，從定性和定量的角度來動態(tài)論證方案的優(yōu)劣，為領(lǐng)導決策提供更為科學的輔助手段。

6.2違建查處工作

搭建在高程建筑頂層的違法建筑，位置隱蔽，從地面難以發(fā)現(xiàn)，在違建的判斷過程中，我院引入歷年影像和傾斜攝影模型，對樓頂結(jié)構(gòu)一覽無余，將不同時相的航空影像對比分析，可以準確捕獲頂層違法建筑位置及年代，而傾斜攝影模型更可以從各個角度查看違建外觀、層數(shù)等情況，極大地提升了違建的判別能力，如圖8所示。

圖7規(guī)劃方案與現(xiàn)狀對比

7結(jié)語

傾斜攝影三維模型的誕生，帶給城市管理者和建設(shè)者巨大的沖擊力和吸引力。但是通過計算機自動化生產(chǎn)的三維模型，在使用過程中上具有其一定的局限性，無法滿足用戶多元化的應(yīng)用需求。這將給我們帶來新的要求，通過人機交互的半自動化的建模方式，利用傾斜攝影模型兼具真實與矢量化和屬性的特征，更好地服務(wù)于智慧城市建設(shè)。

參考文獻

[1]梅安新，彭望琭，秦其明等. 遙感導論[M]. 北京： 高等教育出版社，2001.07.7.

[2]朱慶，徐冠宇，杜志強等. 傾斜攝影測量技術(shù)綜述[OL].

[3]張驥，高釗，陳容. 基于Leica RCD 30傾斜航攝儀和Smart3D技術(shù)快速進行城市三維實景生產(chǎn)[J]. 測繪技術(shù)裝備，2014(3)：61～64.

[4]李永泉，韓文泉，黃志洲. 數(shù)字城市三維建模方法比較分析[J]. 現(xiàn)代測繪，2010： 1672～4097(2010) 02-0033-03

[5]王丙濤，王繼. 基于傾斜攝影技術(shù)的三維建模生產(chǎn)與質(zhì)量分析[J]. 城市勘測，2015(5)：80～82.

Application of Pictometry Oblique Photogrammetry in Changchun City Modeling

Bo Zhengquan，Zhang Yu

(Changchun Surveying and Mapping Institute，Changchun 130021，China)

Key words：pictometry oblique photogrammetry；city planning；three-dimensional digital city

Abstract：The 3D digital city is a three-dimensional description of the city by multi-resolution，multi-scale and multi-temporal，which obtains city geographic information quickly and accurately and is a top priority of three-dimensional city construction. This paper introduces the Three dimensional modeling based on the oblique photogrammetry of the technical process，compared the difference with the manual modeling and the conventional aerial photogrammetry modeling. Explain the role of the results in the urban planning approval and the illegal construction investigation.

文章編號：1672-8262(2016)03-93-04

中圖分類號：P234

文獻標識碼：B

*收稿日期：2016—01—14

作者簡介：薄正權(quán)(1975—)，男，高級工程師，注冊測繪師，主要從事GIS生產(chǎn)應(yīng)用、工程測繪。