高分辨率城市級實景三維地理場景高效構建技術與應用

朱磊，趙慧，趙菲，杜沖，楊金鳳

(1.山東省國土測繪院，山東 濟南 250102；2.山東省地質科學研究院，山東 濟南 250013；3.山東省國土空間生態修復中心，山東 濟南 250014)

0 引言

實景三維作為真實、立體、時序化反映人類生產、生活和生態空間的時空信息，是國家重要的新型基礎設施。通過“人機兼容、物聯感知、泛在服務”實現數字空間與現實空間的實時關聯互通，為數字中國提供統一的空間定位框架和分析基礎，是數字政府、數字經濟重要的戰略性數據資源和生產要素。傾斜攝影三維模型具有信息豐富、效果直觀真實等優點，是城市級實景三維地理場景的主要表達方式。

受制于像點位移、影像存儲速度、安全飛行高度等因素制約，優于0.03m分辨率傾斜攝影一般采用無人機搭載輕小型傾斜相機[1-4]或者直升飛機搭載傾斜航攝儀獲取[5-7]。兩種作業方式均存在速度慢、影像飛行質量容易超限等問題，影響航攝效率和建模效果。

本文以智慧城市時空大數據平臺省級試點沾化傾斜攝影項目為例，提出一種采用高速固定翼飛機搭載多鏡頭傾斜航攝儀高效獲取0.03m分辨率多視影像，并采用全自動建模技術制作傾斜攝影三維模型的技術方案，為高分辨率城市級實景三維地理場景建設提供借鑒。

1 SWDC-Max6Ap150數字傾斜航攝儀

1.1 航攝儀簡介

SWDC-Max6Ap150數字傾斜航攝儀集測量型相機、定姿定位系統、陀螺穩定平臺、數據存儲計算機、航攝管理計算機等設備于一體，配備2個下視鏡頭和4個側視鏡頭，可同時獲取下視和側視影像數據。子相機iXM-RS150F是一款中畫幅工業相機，采用背照式CMOS傳感器，擁有53.4mm×40mm畫幅尺寸和83dB動態范圍，即使在低光照條件下，也依然能夠提供超高圖像質量，分辨率高達14204×10652；配備的RS鏡頭快門集成于鏡頭中，采用創新型電荷直接驅動理念，提升了曝光速度，最高可達l/2500s。

航攝儀集成的定姿定位系統POSDO-AF01是一款結構緊湊、一體化設計的GNSS+INS組合導航系統，內置OEM板卡、光纖陀螺和石英加速度計，后處理位置精度優于2cm，水平精度優于0.005°，航向精度優于0.008°，大大提高了系統的可靠性、精確性與動態性。航攝儀集成GSM4000陀螺座駕，配有電動升降臺裝置，拓寬了航空攝影儀對飛行平臺的適應性。

1.2 外視場拼接

1.5億像素中畫幅傳感器引入航攝領域之后，極大的提升了航攝效率，但受制于技術瓶頸制約，更大幅面相機近年內難以出現，相機外視場拼接技術較好的解決了這一問題。原理是利用水平像片上重疊部分的同名點，根據旋轉平移關系求解兩幅影像的相對方位元素，然后將水平影像同時投影到虛擬影像上，流程如圖1。其中“內部相對定向”過程是依據子相機影像重疊范圍內同名點坐標相等的原理，等同于相對定向中同名射線對對相交的原理[8-9]。相機外視場拼接技術有效提升了相機幅面，提高了航攝效率。

圖1 外視場拼接技術流程

SWDC-Max6Ap150下視相機虛擬影像采用兩個獨立的iXM-RS150F相機影像拼接而成，影像間內部重疊為15%左右，通過外視場拼接技術，下視幅面由14204×10652像元提高到20000×13000像元，比常規5頭傾斜相機作業效率提高40%左右。

1.3 航攝儀主要性能參數

表1 航攝儀主要參數

2 航攝制約因素分析與方案設計

得益于SWDC-Max6Ap150傾斜航攝儀的影像外視場拼接、長焦鏡頭及快速存儲技術，解決了飛行安全高度、像點位移、像片存儲速度等因素對高速獲取多視影像的制約，使得以高速固定翼飛機為載體獲取優于0.03m分辨率傾斜影像成為了現實。

2.1 安全飛行高度

航高由相機下視地面分辨率、鏡頭焦距、像元尺寸等參數決定，計算公式如下：

式中：H—攝影航高(m)；f—鏡頭焦距(mm)；a—像元尺寸(mm)；GSD—地面分辨率(m)。

中國民航局相關監管法規規定，“在人口稠密區、集鎮或居住區的上空或者任何露天公眾集會上空，航空器的高度不得低于在其600m水平半徑范圍內的最高障礙物以上300m”。當下視地面分辨率為0.03m時，相對航高為718m，大于安全飛行高度。

2.2 像點位移

在航空攝影中，因裝載航攝儀的飛機始終處于運動狀態，而成像又需時間長度有限的曝光，所以被照物影像與傳感器之間存在相對運動，帶來成像模糊及拖尾效應，此即像移[10]。GB/T 27920.1-2011《數字航空攝影規范 第1部分：框幅式數字航空攝影》中5.2.3規定，“確保因飛機地速的影響，在曝光瞬間造成的像點位移一般不應大于1個像素，最大不應大于1.5個像素”。

iXM-RS150F子相機無像移補償模塊，當影像地面分辨率設計為0.03m時，按照相機快門速度為1/2500s測算，飛機巡航速度不大于270km/h時，像移不超過1個像素。

2.3 像片存儲速度

SWDC-CS41存儲系統使用一臺存儲計算機存儲并監控航空影像數據，具有體積小、功耗低、存儲容量大、性能穩定等特點。存儲介質為mini-SATA接口協議的固態硬盤，讀寫速度高達500m/s，使得航攝儀最短曝光間隔小于0.9s。

不考慮地形因素影響，航攝基線長度=航攝儀航向幅寬×地面分辨率×(1-航向重疊度)。

按照地面分辨率為0.03m，航向重疊度為75%設計航線時，SWDC-Max6Ap150傾斜航攝儀曝光點間距為97.5m。當飛機巡航速度為270km/h(75m/s)時,曝光間隔為97.5/75=1.3s，大于0.9s的航攝儀最短曝光間隔。

綜上，飛機飛行速度小于270km/h，采用SWDC-Max6Ap150獲取0.03m分辨傾斜影像，像移小于1個像素，存儲速度、飛行高度均滿足航攝要求。

3 工程實例

3.1 工程概況

為提升測繪地理信息服務能力和保障水平，促進自然資源管理和治理能力現代化，結合智慧城市建設發展需求，濱州市沾化區決定采用傾斜攝影技術加快推進實景三維沾化建設，范圍包括沾化區主城區、經濟開發區和高新技術產業園，面積約90km2，模型分辨率為0.03m。

3.2 技術路線

采用Kodiak-100固定翼飛機搭載SWDC-Max6Ap150數字傾斜航攝儀獲取實驗區0.03m分辨率多視影像數據，經影像預處理、多視影像空三測量、稠密點云構建、三維模型重建等步驟制作傾斜攝影三維模型。

根據實驗區范圍的特點，劃分為3個航攝分區，見圖2，航攝設計參數如表2所示。

圖2 分區航線敷設示意圖

表2 航攝設計參數表

3.3 實施過程

3.3.1 傾斜航空攝影

2020年10月，山東省國土測繪院以濱州大高機場為起降場地，經過5個架次約24 h的飛行，成功獲取沾化區城區和工業園區90km2,模型分辨率為0.03m傾斜影像數據。

3.3.2 三維建模

(1)數據預處理

對原始影像進行色彩、亮度和對比度的調整和勻色處理；采用外視場拼接技術生成下視虛擬影像；解算POS數據，引入相機檢校文件與像片外方位元素，為空中三角測量做準備。

(2)多視影像空中三角測量

結合地面控制點、傾斜影像匹配結果及影像的內外方位元素，建立連接點和連接線、控制點坐標以及POS數據的多視影像自檢校區域網平差的誤差方程，進行POS輔助多視影像空中三角解算，得到多視影像的精確內外方位元素[11-12]。

(3)稠密點云構建

利用多視影像及各影像的內、外方位元素進行多視傾斜影像的特征提取和特征匹配。利用多視影像數據及其精確的內、外方位元素進行多視影像密集匹配，得到密集地表三維點云。

(4)三維模型重建

基于已定向的密集三維點云，構建不規則三角網，得到三角網表面模型(白模))，并利用多視影像及其精確的內、外方位元素來確定物方與像方的幾何關系，對白模進行自動紋理映射，得到傾斜攝影三維模型。通過手工作業或者機器學習自動化手段，對傾斜攝影三維模型內的漏洞及存在遮擋區域進行補充修飾[13-14]。

3.4 模型效果

沾化實景三維模型總體顏色均勻、層次分明、表達精細，場景協調完整[15]，滿足了自然資源管理、城市精細化管理等需求(圖3)。模型成果在資源調查、確權登記、國土空間規劃、自然資源監督監管等自然資源管理中大顯身手，有力推進自然資源管理三維化[16-17]，也為沾化的城市更新和管理插上了智慧的“翅膀”，為系統、細致、客觀認知城市規律，科學、精準謀劃城市發展，完善城市治理體系，提高城市治理能力提供了支撐[18-20]。

圖3 沾化實景三維模型效果圖

3.5 模型精度分析

均勻選擇4個精度驗證區，采用網絡RTK實測226個地面檢核點，與實景三維解析同名點進行了精度對比。經檢測，模型平面位置中誤差為±0.082m，高程中誤差為±0.172m，優于1∶500比例尺地形圖精度要求。

4 結論與展望

(1)文中對制約高分辨率影像快速獲取的像點位移、影像存儲速度、安全飛行高度等因素進行了分析，對核心解決方案“外視場拼接”技術進行了闡述，結合SWDC-Max6Ap150數字傾斜航攝儀幅面、焦距、像片存儲速度等性能參數，提出并論證了以快速固定翼飛機為載體獲取3cm分辨率傾斜影像的技術方案。

(2)以智慧城市時空大數據平臺省級試點沾化傾斜航攝為例，采用Kodiak-100固定翼飛機搭載SWDC-Max6Ap150高效數字航攝儀獲取了沾化區主城區和工業園區90km2傾斜影像并采用自動化建模技術構建了實景三維模型。采用快速固定翼飛機為載體獲取3cm分辨率傾斜影像為國內首次報道。高速固定翼飛機作航攝平臺，有效提高了航攝效率，提升了航攝質量和三維建模效果，為構建城市級實景三維地理場景提供了經驗和借鑒。

(3)傾斜攝影三維建模具有效率高、成本低、靈活便捷等優勢。因傾斜攝影、貼近攝影、激光點云等單一建模技術都存在各自的局限性，隨著對三維模型的細膩度、真實度以及精度要求的不斷提高，多源數據融合建模將更加有利于宏觀、逼真展示城市的形態，是三維建模的未來發展方向，對構建三維城市、孿生城市具有極大的推動作用。