傾斜攝影測量在智慧城市建設中的應用

高建彩

(三和數碼測繪地理信息技術有限公司，甘肅 天水 741000)

傾斜攝影測量是近年來迅速發展起來的一項測繪新技術，是在飛行平臺上搭載一臺或多臺相機，同一時間從多個不同角度采集照片數據，獲取地面物體更為準確的數據信息[1]，在測繪領域發揮著重要的作用，尤其是在智慧城市建設中的應用，更是不可或缺。傾斜攝影數據處理主要包括多視影像空中三角測量、控制點的轉刺與平差、多視影像密集匹配、不規則三角網(TIN)構建、白膜生成、紋理映射、格式轉換和貼圖輸出等[2]。基于傾斜攝影技術可以得到高精度的實景三維模型、高精度數字表面模型、數字線劃圖和真正射影像。分析了智慧城市的基本特點及傾斜攝影技術水平與特點，指出了智慧城市建設中需要的基礎地理數據，提出了傾斜攝影測量在智慧城市建設中的應用，為城市建設者提供有效的參考和借鑒。

1 智慧城市建設概況及特點

智慧城市起源于傳媒領域，是運用信息和通信技術手段感測、整合、分析城市運行過程中各個行業的關鍵信息，是新一輪信息技術變革和知識經濟發展的產物，它能夠完美地將工業化、城市化與信息化深度融合[3]。智慧城市建設可提高人們生活水平，為人們提供更多的現代化資源，充分發揮資源共享、線上辦公等優勢，提高生活質量。

2 傾斜攝影測量技術

傾斜攝影測量技術是近幾年發展起來的一項測繪新技術，其是在飛行平臺上同時搭載多個相機，通常搭載5個相機，其中1個相機垂直于地面，其余4個相機與地面存在一定的夾角，通常為45°，以獲取盡可能多的側視紋理信息，從多個角度采集照片數據，有效減少視角盲區。傾斜攝影較傳統攝影來說，最大的區別是掛載的相機個數和獲取影像的方式不同。垂直攝影是掛載一個相機，垂直于地面進行影像獲取，其重疊度一般要求較低；傾斜攝影有1個相機是垂直地面獲取影像的，其余4個則是以一定的角度獲取影像。假設在獲取影像時，下視相機是完全垂直地面的，側視相機與下視相機之間夾角為45°，這樣從空中進行拍攝時，側視相機獲取的影像中心到地面對應點的中心之間的距離是1.41倍的垂直距離，如果5個相機焦距一樣、像元大小相同，獲取影像時，其分辨率理論上相差是很大的，這樣不利于后期數據的處理和應用。相機焦距、地面分辨率、像元大小和相對航高之間應滿足以下公式：

H=f*GSD/a

(1)

上式中，H是相對航高，通常是指飛機距離地面的高度，f是相機焦距，在攝影測量中，相機焦距是一個規定值，GSD是獲取的地面影像分辨率，a是像元大小，也就是將CCD成多個矩形，其中一個矩形的邊長，通常是個正方形，邊長相同。由式(1)可以看出，在相機選定后，地面影像分辨率只和相對航高有關系。在傾斜攝影中，多個相機都是固定在一起的，所以通過改變相對航高來調整影像分辨是不可行的。像元大小由CCD和分割數量決定，為了便于數據解算，像元大小是相同的，要想保證傾斜相機和側視相機獲取的影像分辨率一致，需要對相機焦距進行調整，也就是常見的5拼相機，下視焦距是35 mm，側視焦距是50 mm。為了保證安全，減少因遮擋帶來的視角盲區，智慧城市項目通常采用長焦距方式獲取影像數據，以確保飛機飛行高度，避免碰撞到高層建筑物。

2.1 傾斜攝影作業流程

傾斜攝影作業主要分為兩部分，即外業數據獲取和內業數據處理。外業數據獲取主要包航攝前的資料收集，任務區勘察和控制點、檢查點測量，無人機空域申請，航線規劃和影像數據航飛。內業數據處理主要包括數據預處理、工程創建和完善、空中三角測量解算、對影像密集匹配和密集點云生成，基于密集點云構建不規則三角網TIN，同時自動篩選高質量紋理并精準映射到TIN模型上，自動化完成精細實景三維模型重建工作，打破基于正射影像的局限性。也可快速輸出任意分辨率的真正射影像圖、數字表面模型基礎地理信息產品，高效靈活利用傾斜三維模型完成地理信息3D產品(DOM、DEM和DLG)的生產。其主要作業流程如圖1所示。

圖1 傾斜攝影作業流程圖Fig.1 Flow chart of tilt photogrammetry

2.2 傾斜攝影測量軟件

瞰景Smart3D軟件。該軟件是上海瞰景科技推出的實景三維建模軟件，其可以一次性對10w張以上影像進行空三解算和三維模型生產，空三精度高，模型成果質量好，格式多，支持多機集群作業和一機引擎多開等。在相同配置下，其解算效率較其他軟件高，能夠高效完成任務，節約時間。基于實景三維模型，可以獲取高分辨率、高精度的數字真正射影像成果。模型成果可以導入多個測圖軟件來生產數字線劃圖成果，也可在模型上直接獲取特征點和特征線，用來反演生產數字高程模型成果。

大疆智圖軟件。該軟件是大疆公司推出的一款集航線規劃和建模于一體的測繪軟件，具有同步進行數據獲取和數據處理的特點，可用于應急項目，通過無人機在空中作業，電腦端獲取影像數據進行處理，即可獲得對應的實景三維模型，其空三速度、模型生產速度較瞰景Smart3D來說更快，目前新推出的版本也可以進行集群作業，價格較低，受到了客戶的認可。

ContextCapture軟件。該軟件是本特利公司的一款建模軟件，其可以集群進行空中三角測量解算和實景三維模型生產。軟件操作簡單、易上手，但是當影像數據大于1w張時，空三解算失敗率較高且效率較低，因此在處理大面積作業區時，需要劃分較多的作業區，后期接邊工作量大，容易產生接邊誤差超限等問題，需要和其他建模軟件搭配使用，如使用photoscan軟件、Mirauge3D軟件進行空中三角測量解算，將成果導出后再引入ContextCapture進行后續模型生產。

Mirauge3D軟件。該軟件是北京中測智繪推出的一款建模軟件，就現有的版本來說，其空三精度較低，但是大面積空三解算通過率較高，尤其是帶狀數據的解算，通過率最高。它主要用來進行初始外方位數據的解算，將成果抽稀導出后，引入ContextCapture軟件進行控制點的轉刺，重新進行加密點匹配和平差，在ContextCapture中完成后續數據的生產。

2.3 傾斜攝影測量特點

較傳統垂直攝影技術來說，傾斜攝影測量能夠更真實直觀地反映地物的實際情況，能夠讓使用者從全方位、多角度查看地物，彌補了正射影像應用的局限性。可實現單張影像測量，通過專業軟件可生成三維模型，實現裸眼量測地物高度、長度、寬度等，也可采集建筑物側面紋理，大大減少了野外工作量。數據量小易于網絡發布，保證了海量傾斜三維場景的高效數據轉換，實現了快速網絡化發布瀏覽及數據共享。

3 智慧城市建設基礎地理信息內容及獲取方式

基礎地理信息數據體系建設以形成數字信息服務產業模式為目標，通過各種技術手段獲取基礎地理信息，進行采集、編輯處理、貯存等[2]。時空信息云平臺是對智慧城市地理信息公共平臺的智能提升，主要依托云計算環境，把基礎設施、時空信息、功能軟件和開發接口作為服務資源。傾斜攝影測量是智慧城市時空信息云平臺建設項目的核心內容之一，是三維實景模型生產、DLG生產、DEM生產、DOM生產的基礎性和必備性工作，即3D產品的生產。傾斜攝影測量技術具有超高的分辨率和真實性，能夠真實還原地表實際狀況，詳盡地表現出地物的種類和位置。通過實景三維模型成果可實現分類查詢、規劃設計、控高分析、規劃壓平、方案對比、日照分析、立面圖設計、攝像頭安裝與監控、科普知識宣傳、直觀展示自然風光，為智慧城市的進一步應用提供強有力的保障。

4 傾斜攝影測量技術在智慧城市中的應用

4.1 數字高程模型(DEM)的制作

數字高程模型是智慧城市建設中的重要的基礎地理數據，為城市實景三維模型的建設和各種工程設計提供了基礎成果。目前我國只有少量城市使用了格網，尺寸為2～25 m，建立了一定范圍內的數字高程模型成果，格網高程精度為0.25～2.0 m[4]。傾斜攝影測量系統能夠提取大范圍的數字高程模型，DEM獲取有兩種方式：一是利用平差后符合精度要求的空三加密成果，自動匹配生成DTM，在第三方軟件中進行編輯點云。二是通過人工采集或已有的DLG數據中的等高線、高程點及特征點導入立體模型，生成DEM。

4.2 數字線畫圖(DLG)的制作

數字線畫圖是城市建設主要的形式之一，可用于城市基礎地理信息數據庫產品化加工，能夠滿足地理信息系統所需的各種空間分析要求，被視為智能數據[2]。它的表現形式多種多樣，與DOM可以疊加形成正射影像地形圖，與DOM、DEM疊加形成立體地形圖或數字地面模型。DLG生產以傾斜攝影測量的實景三維模型為底圖，一般情況下，城市使用的大比例尺地形圖數據成果，傾斜攝影測量技術均可以滿足[5]。主要獲取方式有兩種，一是利用數字正射影像和數字高程模型進行疊加，得到高精度的帶有紋理信息的數字表面模型，二是直接利用生產的實景三維模型。兩種方式都是直接將三維模型成果導入到第三方裸眼測圖軟件，如易繪、EPS、SV365等軟件中，在裸眼環境下進行數字線畫圖的采集。對于大比例尺地形圖來說，可直接在模型上進行屋檐改正，利用前方交會對無法采集的房角等進行采集，提高模型精度，充分減少了外業工作量，縮短了項目任務周期。

4.3 數字真正射影像圖(TDOM)的制作

數字真正射影像圖是根據數字高程模型對中心投影的航攝影像進行糾正處理，消除投影差的垂直投影的影像地圖[6]，主要獲取方式是利用集群化全自動數據處理系統和數字高程模型成果，對數字航空影像進行微分糾正，通常采用雙線性內插法或雙三次卷積內插法重采樣。數字微分糾正后的單片正射影像，以空三加密區為單元，在軟件中自動選取鑲嵌線，達到快速、批量成圖，成果為一幅總圖。

4.4 實景三維模型的制作

實景三維模型是通過高精度的三維地理坐標和真實的地表影像數據，構建真實地表三維模型，是“一張皮”模型，主要表現形式是通過計算機或其他視頻設備進行顯示，主要獲取方式是利用Bentley的ContextCapture Center軟件，利用平差后符合精度要求的空三加密成果，通過自動提取密集點云，重建三角網，自動映射紋理，指定模型輸出格式，得到實景三維模型。自動化生成的三維模型由于原始數據等問題，存在模型漏洞、地面起伏不平、空中懸浮物等問題，為了模型美觀，展示效果好，要通過漏洞填補、懸浮物刪除、壓平等手段對其進行處理。

三維模型對水域約束建模的方法。由于水是弱紋理要素，不易提取加密點，因此一般生產的三維模型都是大面積漏洞，呈現支離破碎的狀態，需要對這種漏洞進行填充。常規填充方法不能填充大面積孔洞，因此需要通過約束建模來完成水域填充。約束建模思路是通過谷歌瀏覽生成的三維模型，沿水域畫面范圍保持高程和水面高程一致，導出并保存范圍面，引入建模軟件，利用水面約束，令水域自動建模，以獲取平整的水面。

5 結語

智慧城市建設是實現我國城市智能化管理的基礎。探討了智慧城市建設的基本內容，對傾斜攝影技術進行了分析，將其應用于智慧城市建設中，促進智慧城市的發展。