點(diǎn)面結(jié)合的無(wú)人機(jī)傾斜攝影解決方案在應(yīng)急測(cè)繪保障中的應(yīng)用

黃敏兒，南勝，周興華，韓紅，仲偉凡

(1.浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020； 2.浙江省河海測(cè)繪院，浙江 杭州 310008)

點(diǎn)面結(jié)合的無(wú)人機(jī)傾斜攝影解決方案在應(yīng)急測(cè)繪保障中的應(yīng)用

黃敏兒1，2*，南勝1，2，周興華1，2，韓紅1，2，仲偉凡1，2

(1.浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020； 2.浙江省河海測(cè)繪院，浙江 杭州 310008)

針對(duì)傳統(tǒng)無(wú)人機(jī)正射航測(cè)系統(tǒng)的二維局限性和不可量測(cè)的問題以及傾斜攝影數(shù)據(jù)處理耗時(shí)長(zhǎng)無(wú)法滿足快速應(yīng)急的難題，提出了點(diǎn)面結(jié)合的無(wú)人機(jī)傾斜攝影解決方案，在空間和時(shí)間上滿足應(yīng)急測(cè)繪的要求。以三門縣花橋鎮(zhèn)應(yīng)急演練數(shù)據(jù)為例，融合大范圍固定翼無(wú)人機(jī)垂直影像和小范圍典型區(qū)域旋翼無(wú)人機(jī)傾斜影像數(shù)據(jù)，進(jìn)行點(diǎn)面結(jié)合的點(diǎn)云級(jí)融合空三計(jì)算和三維建模，在實(shí)景模型上進(jìn)行二三維GIS基礎(chǔ)分析和應(yīng)用分析，區(qū)別對(duì)待災(zāi)區(qū)的不同區(qū)域和應(yīng)急救災(zāi)的不同時(shí)間段，能夠快速、準(zhǔn)確、全方位、可量測(cè)、直觀逼真地描繪災(zāi)區(qū)，滿足了應(yīng)急測(cè)繪保障的地理空間信息服務(wù)。關(guān)鍵詞：應(yīng)急測(cè)繪保障；無(wú)人機(jī)；傾斜攝影測(cè)量；三維模型；點(diǎn)云級(jí)融合

1 引 言

應(yīng)急測(cè)繪保障服務(wù)是指“各級(jí)測(cè)繪行政主管部門為國(guó)家應(yīng)對(duì)突發(fā)事件提供的測(cè)繪保障活動(dòng)”。應(yīng)急測(cè)繪任務(wù)包括“天-空-地”多源數(shù)據(jù)獲取、傳輸、處理、災(zāi)情信息提取、災(zāi)區(qū)專題圖制作、應(yīng)急測(cè)繪信息產(chǎn)品分發(fā)與服務(wù)等基本內(nèi)容[1]。應(yīng)急測(cè)繪技術(shù)方案有很多種，其中利用無(wú)人機(jī)進(jìn)行應(yīng)急測(cè)繪是最方便和快捷的手段，其已被廣泛地應(yīng)用于應(yīng)急測(cè)繪保障工作中[2～6]。

目前無(wú)人機(jī)系統(tǒng)在應(yīng)急測(cè)繪中應(yīng)用主要獲取災(zāi)區(qū)的高清影像資料和視頻資料，高清影像資料主要通過正射影像圖呈現(xiàn)災(zāi)區(qū)情況，正射影像圖是二維的平面圖(正視)，無(wú)法全方位表達(dá)空間地物，且信息量有限。視頻資料雖能呈現(xiàn)直觀的災(zāi)區(qū)情況，同樣無(wú)法全方位表達(dá)空間地物，并且無(wú)法量測(cè)地物尺寸大小。相比傳統(tǒng)無(wú)人機(jī)正射航測(cè)系統(tǒng)的二維局限性，傾斜攝影技術(shù)突破了主要從垂直視角拍攝的局限，通過在同一飛行平臺(tái)上搭載多個(gè)角度的相機(jī)，可以同時(shí)從垂直、傾斜等多個(gè)不同的角度獲取同一目標(biāo)的影像，是國(guó)際測(cè)繪遙感領(lǐng)域近年發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)高新技術(shù)[7～9]。傾斜攝影測(cè)量將基于立體像對(duì)和點(diǎn)特征的傳統(tǒng)攝影測(cè)量技術(shù)推向了基于多視影像和對(duì)象特征的實(shí)時(shí)攝影測(cè)量技術(shù)[10]，其數(shù)據(jù)成果豐富多樣，主要包括垂直影像、傾斜影像、點(diǎn)云、實(shí)景三維模型、單體化三維模型、DOM、DSM，同時(shí)在此基礎(chǔ)上衍生出DEM、DLG等成果。無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)正逐步應(yīng)用到應(yīng)急測(cè)繪中。然而，傾斜影像處理技術(shù)復(fù)雜，算法不成熟，三維建模處理速度慢，耗時(shí)長(zhǎng)，即便采用中高端計(jì)算機(jī)硬件設(shè)備，對(duì)災(zāi)區(qū)進(jìn)行精細(xì)三維建模需要 80 h/km2～100 h/km2，也遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了大面積區(qū)域快速應(yīng)急需求，處理效率問題成為應(yīng)急測(cè)繪保障服務(wù)的主要瓶頸。

如何準(zhǔn)確、全方位、可量測(cè)、直觀逼真地描繪災(zāi)區(qū)，同時(shí)又快速高效地滿足應(yīng)急測(cè)繪保障的地理空間信息服務(wù)，成為必須面對(duì)的問題。由于從空間上，災(zāi)區(qū)存在重點(diǎn)區(qū)域和非重點(diǎn)區(qū)域，構(gòu)建實(shí)景三維模型時(shí)，不能一概而論；同時(shí)，從時(shí)間上，應(yīng)急救災(zāi)分為前期黃金24小時(shí)階段和后期評(píng)估階段，生產(chǎn)數(shù)據(jù)成果時(shí)應(yīng)先后有序。因此本文提出點(diǎn)面結(jié)合的無(wú)人機(jī)傾斜攝影解決方案，前期提供測(cè)繪基礎(chǔ)產(chǎn)品，后期進(jìn)行點(diǎn)面結(jié)合的點(diǎn)云級(jí)融合空三計(jì)算和三維建模，并開展二三維GIS應(yīng)用分析，既為力求為浙江省各級(jí)政府救災(zāi)工作的開展及決策提供科學(xué)依據(jù)，服務(wù)于災(zāi)中應(yīng)急、災(zāi)后評(píng)估、災(zāi)后重建工作。

2 解決方案

2.1 處理流程

為了達(dá)到快速響應(yīng)的應(yīng)急需求，應(yīng)急測(cè)繪保障的無(wú)人機(jī)傾斜攝影處理流程，應(yīng)根據(jù)前期黃金24小時(shí)階段和后期評(píng)估階段作調(diào)整，即選擇重點(diǎn)區(qū)域構(gòu)建精細(xì)三維模型，而非重要區(qū)域構(gòu)建精細(xì)程度較低的三維模型。具體如下：

(1)數(shù)據(jù)獲?。嚎焖佾@取災(zāi)區(qū)的正射影像和傾斜影像，同時(shí)將旋翼無(wú)人機(jī)傾斜攝影系統(tǒng)和固定翼無(wú)人機(jī)正射攝影系統(tǒng)相結(jié)合，按點(diǎn)面同時(shí)作業(yè)，形成多層次互補(bǔ)，完成空地一體化數(shù)據(jù)快速采集，滿足“大范圍災(zāi)區(qū)描繪、小范圍典型區(qū)域重現(xiàn)”的應(yīng)急需求，力求“快速高效”。

(2)數(shù)據(jù)處理：在前期黃金24小時(shí)階段，利用正射影像進(jìn)行災(zāi)區(qū)影像快拼(DOM)，同時(shí)利用傾斜影像構(gòu)建重點(diǎn)災(zāi)區(qū)精細(xì)三維模型，爭(zhēng)取第一時(shí)間提供災(zāi)區(qū)第一手資料；在后期評(píng)估階段，構(gòu)建重點(diǎn)災(zāi)區(qū)精細(xì)三維模型和大范圍災(zāi)區(qū)低精度三維模型的點(diǎn)云級(jí)融合三維模型數(shù)據(jù)成果。同時(shí)根據(jù)需求疊加點(diǎn)云、DSM、DLG、視頻和已有地理數(shù)據(jù)等成果，對(duì)采集數(shù)據(jù)中的關(guān)鍵地物進(jìn)行數(shù)據(jù)提取，通過快速注記、符號(hào)化、地圖整飾、三維模型優(yōu)化等得到應(yīng)急專題圖和實(shí)景三維場(chǎng)景。

(3)數(shù)據(jù)服務(wù)：在后期評(píng)估階段，主要提供基礎(chǔ)分析和應(yīng)用分析服務(wù)，將實(shí)景三維模型和傳統(tǒng)三維模型進(jìn)行融合，對(duì)重點(diǎn)災(zāi)區(qū)的三維模型進(jìn)行單體化，并進(jìn)行災(zāi)區(qū)屬性信息入庫(kù)與分發(fā)，經(jīng)過處理后通過平臺(tái)快速發(fā)布三維場(chǎng)景網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，并結(jié)合平臺(tái)中的各種地理信息數(shù)據(jù)，進(jìn)行應(yīng)急測(cè)繪保障應(yīng)用分析。

2.2 技術(shù)路線

點(diǎn)面結(jié)合的無(wú)人機(jī)傾斜攝影解決方案的具體技術(shù)路線如圖1所示，創(chuàng)新點(diǎn)主要體現(xiàn)在點(diǎn)面結(jié)合的數(shù)據(jù)獲取階段和點(diǎn)云級(jí)融合的數(shù)據(jù)處理階段。

圖1 技術(shù)路線

在數(shù)據(jù)獲取階段，“點(diǎn)”是指利用旋翼無(wú)人機(jī)獲取重點(diǎn)災(zāi)區(qū)的傾斜影像，而“面”是指利用固定翼無(wú)人機(jī)獲取大范圍災(zāi)區(qū)垂直影像。

在數(shù)據(jù)處理階段，點(diǎn)云級(jí)融合指先利用傾斜影像進(jìn)行空三計(jì)算和構(gòu)建精細(xì)三維模型；然后在模型上量取特征點(diǎn)，以傾斜三維模型的特征點(diǎn)來(lái)反控制垂直影像，即將特征點(diǎn)作為垂直影像區(qū)域的控制點(diǎn)，然后進(jìn)行垂直影像的空三計(jì)算；再將兩次空三結(jié)果進(jìn)行合并，根據(jù)情況再一次進(jìn)行空三計(jì)算；最后進(jìn)行三維建模，同時(shí)構(gòu)建重點(diǎn)災(zāi)區(qū)精細(xì)三維模型和大范圍災(zāi)區(qū)粗三維模型。其中三維建模關(guān)鍵技術(shù)，主要分為以下步驟：①建立影像金字塔；②創(chuàng)建相對(duì)文件；③生成點(diǎn)云文件；④構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)；⑤整飾三角網(wǎng)，將內(nèi)部三角的尺寸調(diào)整至與原始影像分辨率相互匹配的比例；⑥簡(jiǎn)化三角網(wǎng)，降低相對(duì)平坦地區(qū)的三角網(wǎng)密度；⑦構(gòu)建三角網(wǎng)中的每個(gè)三角形與紋理之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系；⑧為帶紋理的模型建立多細(xì)節(jié)層次(Levels of Detail，簡(jiǎn)稱LOD)，便于優(yōu)化相應(yīng)的文件組織結(jié)構(gòu)；⑨將細(xì)節(jié)層次結(jié)構(gòu)模型轉(zhuǎn)換為輸出格式[11]。

由于垂直影像拍攝視角只有下視方向，低精度三維模型的房屋立面比較模糊。效果如圖3(a)。

3 應(yīng)急測(cè)繪保障數(shù)據(jù)服務(wù)

2016年5月12日，2016年浙江省突發(fā)事件測(cè)繪應(yīng)急保障演練在臺(tái)州市臨海、三門沿海區(qū)域舉行，以突發(fā)洪澇災(zāi)害為演練場(chǎng)景，并成功獲取了核心“災(zāi)區(qū)”三門縣花橋鎮(zhèn)影像分辨率無(wú)人機(jī)影像(GSD=10 cm)、花橋中心小學(xué)和中學(xué)校區(qū)的影像分辨率的傾斜影像(GSD=5 cm)以及3個(gè)區(qū)域的視頻數(shù)據(jù)。最后，利用中高端筆記本(Inter Core i7-4940MX CPU @3.1GHZ，NVIDIA Quadro K5100M，32GB RAM)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，制作災(zāi)區(qū)快拼DOM，并進(jìn)行空三計(jì)算和三維建模，構(gòu)建 0.6 km2的重點(diǎn)災(zāi)區(qū)三維模型，基本在災(zāi)害24小時(shí)黃金救援時(shí)期提供第一手資料。

在后期評(píng)估階段，構(gòu)建重點(diǎn)災(zāi)區(qū)精細(xì)三維模型和大范圍災(zāi)區(qū)低精度三維模型的點(diǎn)云級(jí)融合三維模型數(shù)據(jù)成果，并開展二三維GIS基礎(chǔ)分析和應(yīng)用分析。

成果數(shù)據(jù) 表1

下面以此數(shù)據(jù)為例，展開應(yīng)急測(cè)繪保障的基礎(chǔ)分析和應(yīng)用分析數(shù)據(jù)服務(wù)。

圖2 災(zāi)區(qū)快拼DOM

基礎(chǔ)分析使數(shù)據(jù)服務(wù)更加全面、易于管理和共享，但是在應(yīng)急測(cè)繪保障關(guān)鍵時(shí)期往往由于緊迫性而無(wú)法展開，但在后期可以補(bǔ)上。針對(duì)演練數(shù)據(jù)進(jìn)行如下基礎(chǔ)分析：

(1)單體化

“單體化”是指實(shí)現(xiàn)三維模型對(duì)象的單獨(dú)管理，使對(duì)象成為是一個(gè)個(gè)單獨(dú)的、可以被選中的實(shí)體(Entity)；表現(xiàn)形式可以為用鼠標(biāo)點(diǎn)擊對(duì)象時(shí)可以不同顏色高亮顯示，可以附加屬性、被查詢統(tǒng)計(jì)等。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行二三維一體化應(yīng)用，進(jìn)行查詢受災(zāi)房屋、制作專題圖等GIS應(yīng)用。效果如圖3(b)。

(2)網(wǎng)絡(luò)發(fā)布服務(wù)

三維客戶端可直接訪問由服務(wù)器端發(fā)布的三維服務(wù)和數(shù)據(jù)服務(wù)，目前通過兼容WebGL的瀏覽器或者安裝插件，可成功把傾斜三維模型加載到桌面電腦、平板電腦和智能手機(jī)，然后進(jìn)行單體化、屬性查詢、專題圖制作等二三維一體化應(yīng)用分析，同時(shí)能夠滿足三維空間分析的各類應(yīng)用需求，能夠滿足協(xié)同救災(zāi)的管理需求。

針對(duì)應(yīng)急測(cè)繪的時(shí)效性、可用性需求，第一時(shí)間獲取災(zāi)情，在防災(zāi)減災(zāi)指揮部通常先進(jìn)行迫切的應(yīng)用分析，典型代表如下：

圖3 應(yīng)急測(cè)繪保障GIS數(shù)據(jù)服務(wù)舉例

(1)災(zāi)后房屋損毀評(píng)估

傾斜攝影技術(shù)具有多視角、全方位的特點(diǎn)，因此可以使用多角度影像提取房屋的頂部和側(cè)面紋理特征，綜合利用多維度特征檢測(cè)房屋損毀區(qū)域，并利用損毀評(píng)估模型評(píng)估房屋的損毀程度。同時(shí)在大場(chǎng)景實(shí)景三維模型中，可以通過目視解譯粗略判斷受災(zāi)范圍和倒損房屋。

(2)洪澇災(zāi)害分析

基于傾斜三維模型，能夠完成洪澇災(zāi)害的淹沒模擬分析與洪澇損失預(yù)評(píng)估。①淹沒模擬分析：針對(duì)洪澇災(zāi)害，總結(jié)當(dāng)前已有的物理模型，選定較為成熟的洪澇水文及水動(dòng)力模型，并進(jìn)行模型參數(shù)化表達(dá)，在此基礎(chǔ)上定義物理模型的輸入與輸出接口以及數(shù)值解析算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)洪水水位、洪水演進(jìn)過程的模擬計(jì)算；②洪澇損失預(yù)評(píng)估：根據(jù)計(jì)算所得到的洪澇指數(shù)和風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，結(jié)合基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)、人口分布、設(shè)施分布、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、氣象水文預(yù)警等數(shù)據(jù)信息，在特征庫(kù)、模型庫(kù)和知識(shí)庫(kù)的支持下，采用災(zāi)害模擬仿真、二三維可視化等技術(shù)，綜合預(yù)評(píng)估洪澇造成的損失情況，生成洪澇損失預(yù)評(píng)估產(chǎn)品。效果如圖3(c)。

(3)滑坡泥石流分析

由于傾斜三維模型具有全方位、可量測(cè)、分辨率高的特點(diǎn)，可以獲取地物的坐標(biāo)點(diǎn)、長(zhǎng)度、寬度、高度、周長(zhǎng)、面積、土方量。同時(shí)，利用傾斜影像衍生品DSM和DOM，在災(zāi)前DSM和DOM的基礎(chǔ)上，進(jìn)行滑坡泥石流分析。如圖3(d)所示，根據(jù)滑坡泥石流災(zāi)害損毀災(zāi)情指標(biāo)，構(gòu)建滑坡泥石流綜合災(zāi)情指數(shù)，確定各項(xiàng)滑坡泥石流災(zāi)情指標(biāo)權(quán)重，通過量測(cè)滑坡泥石流的長(zhǎng)寬高，可以計(jì)算出泥石流的災(zāi)害范圍、滾石可能下滑的方向和力量、山體崩塌的方向、沖擊力大小和距離的遠(yuǎn)近，確定災(zāi)情等級(jí)，對(duì)次生災(zāi)害的預(yù)警工作有了更加翔實(shí)準(zhǔn)確的依據(jù)，對(duì)于災(zāi)民安置點(diǎn)的選擇、災(zāi)后重建的方案設(shè)計(jì)也起到了至關(guān)重要的作用。

(4)道路通達(dá)性分析

無(wú)人機(jī)傾斜攝影具有高效、快速、直觀逼真的特點(diǎn)，傾斜三維模型基本還原真實(shí)災(zāi)區(qū)情況。在傾斜三維模型的基礎(chǔ)上，利用基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、行業(yè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)等，基于二三維可視化技術(shù)、GIS空間分析技術(shù)，分析區(qū)域道路通達(dá)性，同時(shí)可以交叉驗(yàn)證其他數(shù)據(jù)的道路損毀評(píng)估情況。效果如圖3(e)。

4 結(jié) 語(yǔ)

無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)為應(yīng)急測(cè)繪保障工作提供了實(shí)景三維模型和可靠的測(cè)繪產(chǎn)品，點(diǎn)面結(jié)合的無(wú)人機(jī)傾斜攝影解決方案通過構(gòu)建點(diǎn)面結(jié)合的點(diǎn)云級(jí)融合三維模型，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行二三維GIS基礎(chǔ)分析和應(yīng)用分析。從空間上，滿足了“大范圍災(zāi)區(qū)描繪、小范圍典型區(qū)域重現(xiàn)”的應(yīng)急需求；從時(shí)間上，滿足了應(yīng)急救災(zāi)的前期黃金24小時(shí)階段和后期評(píng)估階段的不同要求；既保證了災(zāi)區(qū)全局的掌控，又省時(shí)省力，第一時(shí)間獲取準(zhǔn)確、全方位、可量測(cè)、直觀逼真的災(zāi)區(qū)情況。今后將進(jìn)行多數(shù)據(jù)源融合的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理工作，為應(yīng)急管理提供更加準(zhǔn)確可靠的數(shù)據(jù)服務(wù)，提升應(yīng)急測(cè)繪保障水平。

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The Application on Emergency Surveying and Mapping Service Based on the Vertical and Oblique Image Fusion in Comprehensive and Individual Way

Huang Miner1，2，Nan Sheng1，2，Zhou Xinghua1，2，Han Hong1，2，Zhong Weifan1，2

(1.Zhejiang Institute of Hydraulics & Estuary，Hangzhou 310020，China； 2.Zhejiang Surveying Institute of Estuary and Coast，Hangzhou 310008 ，China)

Traditional UAVs have two-dimensional limitations and non-measurable problems，and the processing time of oblique photographic data is too long to meet the needs of rapid emergency response. Aiming at this problem，the vertical and oblique image fusion in comprehensive and individual way for different time and space is presented，combining the large range of vertical image data of the fixed wing UAV and the small range of oblique image data of the rotor UAV. Taking the data of Huaqiao Town in Sanmen County as an example，automatic aerotriangulation and 3D modeling based on point cloud fusion is carried out，and then following the 2D/3D GIS foundation analysis and application analysis on 3D Model. Finally，with considering the important area and the different stage of emergency surveying and mapping，this method can show the disaster situation quickly，accurately，omnidirectionally，measurably and vividly，and satisfy the geospatial information service of emergency surveying and mapping service.

emergency surveying and mapping service；UAV；oblique photography；3D Model；the point cloud fusions

1672-8262(2017)02-89-04

P231

A

2017—01—14

黃敏兒(1989—)，女，碩士，助理工程師，主要研究方向：傾斜攝影測(cè)量技術(shù)、應(yīng)急測(cè)繪。 基金項(xiàng)目：浙江省省屬科研院所專項(xiàng)(計(jì)劃編號(hào)2016F30010)