SWDC-5Ap在大比例尺城市三維模型建設(shè)中的應(yīng)用

孫 愷

(山東省國土測繪院, 山東 濟南 250013)

0 引言

數(shù)字城市為城市規(guī)劃、智能化交通、網(wǎng)格化管理和服務(wù),是信息時代城市和諧發(fā)展的重要手段[1]。數(shù)字城市展現(xiàn)方式之一就是三維數(shù)字城市模型,將三維模型經(jīng)過軟件加工形成三維地理信息系統(tǒng),得到一種真實、直觀的三維虛擬效果。利用傾斜攝影平臺快速獲取多角度影像,已成為當(dāng)前空間數(shù)據(jù)獲取的有效方式之一,尤其是在城市三維建設(shè)等領(lǐng)域有獨特優(yōu)勢[2]。楊榮幫利用傾斜攝影研究三維城市建模[3],曾妮紅等、令狐進等利用傾斜攝影測量技術(shù)進行城市建筑區(qū)的快速獲取[4-5],陳家惠在傾斜影像的三維城市建模影像篩選的研究成果[6],夏正清等基于傾斜模型的國土空間信息管理系統(tǒng)研究[7],曹海春利用消費型傾斜無人機進行城鎮(zhèn)三維重建[8],程俊等用SWDC-5系列獲取傾斜影像數(shù)據(jù)[9],劉力榮等研究SWDC-5定位定姿方法以及傾斜紋理自動配賦[10-11]。需求的不斷提升與技術(shù)的持續(xù)發(fā)展,促使設(shè)備也在不斷升級。

SWDC-5Ap數(shù)碼航攝儀是四維遠見公司生產(chǎn)的新型航攝儀,能夠快速獲取傾斜影像,適用于通航固定翼飛機、直升機等多種搭載平臺,能夠滿足各類傾斜攝影需求。

1 SWDC-5Ap系統(tǒng)特點及技術(shù)優(yōu)勢

SWDC-5系列航攝儀,是最早推出的國產(chǎn)傾斜攝影儀,通過1個垂直攝影和四個傾斜攝影相機拍攝獲得多角度影像。

1.1 系統(tǒng)主要參數(shù)

系統(tǒng)主要參數(shù)如表1所示。

表1 SWDC-5Ap技術(shù)參數(shù)

1.2 主要的技術(shù)優(yōu)勢

(1)適應(yīng)性強,可更換不同焦距鏡頭;

(2)單機像素可達到1.5億,大大提高了航攝效率;

(3)快門速度高達1/4 000 s,曝光間隔快至0.9 s,既提高工作效率又保證航攝質(zhì)量;

(4)高集成度,高自動化,可集成國內(nèi)外不同品牌的POS及座駕,為用戶組合升級提供便利;

(5)配有自動升降臺裝置,使得飛行平臺靈活選擇,常規(guī)飛機+輕小型飛機;

(6)自主研發(fā)了航線設(shè)計、飛行控制、數(shù)據(jù)預(yù)處理等一系列軟件,為數(shù)據(jù)采集提供全方位服務(wù)。

2 傾斜影像獲取方案

根據(jù)任務(wù)要求,在遵守國家航空航天遙感影像獲取相關(guān)規(guī)范的基礎(chǔ)上,結(jié)合SWDC-5Ap傾斜攝影系統(tǒng)性能,指定最佳攝影方案。

2.1 傾斜攝影技術(shù)流程

依照生產(chǎn)順序首先確定攝區(qū)范圍及攝影分辨率,之后安裝設(shè)備執(zhí)行航攝計劃,最后解算POS提交影像,傾斜攝影技術(shù)如圖1所示。

圖1 傾斜攝影技術(shù)

2.2 傾斜攝影關(guān)鍵步驟

2.2.1航線設(shè)計

四維遠見公司獨立開發(fā)航線設(shè)計軟件,首先根據(jù)任務(wù)要求進行區(qū)域外擴,滿足傾斜攝影要求,外擴距離如公式1所示。

w=h×tan(40°)

(1)

式中，w為外擴距離；h為航高；40°為傾斜相機的傾斜角度,該外擴距離能夠保證旁向最外側(cè)航線的傾斜鏡頭能夠拍攝到攝區(qū)內(nèi)的地物。

其次計算重疊度時考慮地形要素,使每張相片滿足設(shè)計要求,最后根據(jù)參數(shù)進行航線設(shè)計及參數(shù)輸出。

2.2.2航飛執(zhí)行

使用四維遠見開發(fā)的操作屏進行航飛執(zhí)行,首先導(dǎo)入設(shè)計文件,其次上傳飛行參數(shù),包括水平偏航、高度偏航、旋偏角度等,最后根據(jù)任務(wù)進行飛行作業(yè)。全程一體化操作,可以根據(jù)空域及飛行要求進行及時修正。

2.2.3數(shù)據(jù)預(yù)處理

根據(jù)下載后的影像數(shù)據(jù)及日志文件,處理每個相機文件,進行重新編號,利用地面基站進行定位定向系統(tǒng)(Position Orientation System,POS)差分解算,整理資料并匯交。

3 傾斜影像數(shù)據(jù)處理方案

完成傾斜影像獲取后進行數(shù)據(jù)處理,三維模型構(gòu)建主要包括相對定向、絕對定向、模型創(chuàng)建等步驟,三維模型構(gòu)建技術(shù)流程如圖2所示。

圖2 三維模型構(gòu)建技術(shù)流程

(2)特征點提取與匹配,提取影像中的特征點并與相鄰像片進行匹配。

(3)相對定向,匹配后建立的自由網(wǎng)進行平差計算,提出錯誤點,保留高精度點位。

(4)像控測量,在圖像中標記出地面點位,要求刺點照片點位顯示清晰,刺點準確。

(5)絕對定向,利用部分像控作為定向點、部分像控作為檢查點,進行平差計算。

(6)模型構(gòu)建,完成空三加密絕對定向后,模型具有真實大地坐標,利用軟件進行模型構(gòu)建。

4 棲霞傾斜影像獲取實例

為支持智慧城市時空大數(shù)據(jù)平臺省級試點建設(shè),要求獲取棲霞城區(qū)約80 km2、分辨率0.03 m傾斜影像。

同一視圖兩節(jié)點之間的關(guān)系比較直觀易懂，下面針對跨視圖兩節(jié)點之間的關(guān)系進行詳細描述，將圖1中裝配流程的每個節(jié)點視為一個任務(wù)(不考慮圖1中虛框表示的拆卸節(jié)點)，用符號“?”表示跨視圖兩節(jié)點間存在關(guān)聯(lián)關(guān)系：

4.1 航線設(shè)計參數(shù)

根據(jù)任務(wù)要求及攝區(qū)情況,將攝區(qū)劃分為1個分區(qū),航線方向設(shè)定為東西方向敷設(shè),共計96條,航向重疊及旁向重疊均為75%,航線設(shè)計參數(shù)如表2所示。

表2 航線設(shè)計參數(shù)表

4.2 直升機搭載平臺

本次飛行使用AS350B3直升機作為搭載平臺,主要技術(shù)參數(shù)如表3所示。

表3 AS350B3直升機性能參數(shù)

由于設(shè)備無法安裝與機艙內(nèi),所以設(shè)計制作了平臺支架將航攝儀安裝在機艙外,并在另一側(cè)添加配重,保證飛行負載均衡,航攝儀安裝如圖3所示。

圖3 SWDC-5Ap安裝圖

4.3 數(shù)據(jù)預(yù)處理

4.3.1數(shù)據(jù)下載

原始影像數(shù)據(jù)采用最新固態(tài)硬盤,關(guān)機后直接插拔帶回即可,POS數(shù)據(jù)日志文件均可一鍵完成下載。

4.3.2POS差分解算

將地面基站數(shù)據(jù)與機載POS數(shù)據(jù)進行差分解算,獲得每張像片的外方位元素。

4.3.3飛行質(zhì)量檢查

根據(jù)飛行日志及差分解算后POS文件數(shù)據(jù),對航線重疊度及影像旋偏角進行檢查。

4.3.4影像質(zhì)量檢查

查看影像有無丟片、漏片,色彩、飽和度等情況,查看有大面積無云、煙情況。

經(jīng)上述檢查,攝區(qū)覆蓋完整,重疊度符合要求,飛行質(zhì)量良好;影像清晰,層次豐富,色差適中,色彩飽滿,影像質(zhì)量優(yōu)良。

4.4 三維模型建設(shè)

4.4.1區(qū)塊劃分

由于棲霞攝區(qū)較大,難以一次完成全區(qū)空三加密,首先進行區(qū)塊劃分。

4.4.2相對定向

通過POS輔助進行特征點提取與匹配,之后進行平差計算,剔除錯誤加密點。

4.4.3像控測量

使用RTK測量外業(yè)控制點,導(dǎo)入數(shù)據(jù),人工選取圖像對應(yīng)位置進行標記。如圖4所示。

圖4 像控測量

4.4.4精度檢測

傾斜影像最終數(shù)據(jù)成果用于城市三維模型建設(shè),為保證后期成果精度,該攝區(qū)共布設(shè)像控點311個,檢核點102個,根據(jù)設(shè)計要求進行空三加密并檢測精度。

表4為某個區(qū)塊空三精度統(tǒng)計表,從表4中可以看出,平面位置及高程精度約為1個像素,說明SWDC-5Ap航攝儀用于3 cm傾斜影像獲取可以滿足后續(xù)建模要求。

表4 棲霞市傾斜影像空三加密檢查

4.4.5模型創(chuàng)建與修飾

根據(jù)空三加密成果,設(shè)置空間框架及瓦片大小。

4.5 成果展示

某學(xué)校三維模型成果如圖5所示。

圖5 傾斜攝影成果截圖

5 結(jié)束語

本文以棲霞市智慧城市建設(shè)為例,分析了SWDC-5Ap數(shù)字航攝儀技術(shù)優(yōu)勢,研究其用于大比例尺傾斜影像獲取的技術(shù)流程,并對成果數(shù)據(jù)進行了檢驗分析。成果表明,基于直升機搭載SWDC-5Ap數(shù)字航攝儀,獲取影像質(zhì)量優(yōu)良,精度符合設(shè)計,其成果能夠滿足城市三維建模需求。