亞米級衛(wèi)片在城市級三維建模方面的應(yīng)用

文|曹景慶

南方遙感(哈爾濱)科技有限公司

衛(wèi)星影像在地形級三維建模開展的相關(guān)經(jīng)驗，開展城市級三維建模技術(shù)與應(yīng)用研究，展現(xiàn)了其在機(jī)場凈空區(qū)障礙物監(jiān)測、數(shù)字孿生等領(lǐng)域的應(yīng)用前景。

二、基于亞米級衛(wèi)片構(gòu)建城市級白模技術(shù)路線

1.作業(yè)資料

本文使用高分七號作為白模生產(chǎn)的原始作業(yè)資料。高分七號衛(wèi)星是我國自主研發(fā)的高分辨率對地觀測應(yīng)用衛(wèi)星，于2019 年11 月3 日成功發(fā)射，并于2020 年8 月20 日正式投入使用[4]。高分七號衛(wèi)星搭載了雙線陣立體相機(jī)，分辨率達(dá)到0.6m，能夠獲取高空間分辨率光學(xué)立體觀測數(shù)據(jù)，大幅提升了中國衛(wèi)星對地觀測與立體測繪的水平。

2.技術(shù)流程

利用經(jīng)過輻射校正和幾何校正的L1 級立體測繪衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，處理獲取2m 格網(wǎng)DSM 數(shù)據(jù)與DEM 數(shù)據(jù)、0.65m 分辨率DOM 數(shù)據(jù)，基于DOM 數(shù)據(jù)自動提取出建筑輪廓并進(jìn)行人工編輯修正，獲取建筑物平面位置信息，基于DSM 與DEM 獲取建筑物的高度信息，從而構(gòu)建出滿足LOD1.3 級別精度指標(biāo)的單體三維模型，總體生產(chǎn)流程如圖1 所示。

圖1 城市級三維模型數(shù)據(jù)總體生產(chǎn)技術(shù)流程

3.主要環(huán)節(jié)

主要環(huán)節(jié)包括以下三個方面：

（1）數(shù)據(jù)預(yù)處理

1）作業(yè)資料檢查。檢查數(shù)據(jù)范圍是否滿足需要，檢查影像紋理細(xì)節(jié)清晰程度、光譜豐富程度以及對是否有云或雪覆蓋及覆蓋度等方面進(jìn)行全面檢查，影像紋理清楚，地物清晰可讀。

2）空中三角測量解算。根據(jù)影像成像幾何模型類型、影像類型和自身幾何質(zhì)量等，選取適宜的區(qū)域網(wǎng)平差數(shù)學(xué)模型和平差策略進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)平差計算。通過同名點匹配及區(qū)域網(wǎng)平差完成空中三角測量解算。

（2）建筑物空間信息提取

1）傳統(tǒng)測繪產(chǎn)品制作。利用立體像對進(jìn)行DEM、DSM、DOM 生產(chǎn)。采用密級點匹配的方式生產(chǎn)2m 分辨率的初始DSM，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行DSM精編及DEM 編輯。生產(chǎn)0.65m 分辨率的DOM。

2）建筑物輪廓信息提取。建筑物要素智能提取包括DOM 數(shù)據(jù)及提取軟件準(zhǔn)備、提取矢量屬性字段設(shè)置、提取參數(shù)設(shè)置及調(diào)優(yōu)、軟件運行等步驟，具體流程包括建筑物樣本采樣、模型訓(xùn)練、建筑物輪廓提取、建筑物矢量修正等步驟。

3）建筑物空間信息提取。利用軟件將人工編輯后的精細(xì)化的DEM 成果、DSM 成果進(jìn)行差值運算，獲取項目區(qū)地物高度模型。

基于編輯修正后的建筑物矢量數(shù)據(jù)在隨機(jī)位置進(jìn)行點位采樣。使用創(chuàng)建隨機(jī)點地理處理工具生成一組隨機(jī)采樣點，這些點受建筑物輪廓線約束并引用其唯一對象標(biāo)識符。確定每個建筑物輪廓線創(chuàng)建的點數(shù)。采樣點越多，平均高度越精確，處理時間越長。設(shè)置采樣點間允許的最小距離，該距離不小于采樣?xùn)鸥窀窬W(wǎng)大小。結(jié)果為包含點組的新要素類，每組對應(yīng)一個建筑物。人工對點位置進(jìn)行檢查，確保點位完全落在建筑物矢量內(nèi)部。各建筑物可能不具有在地理處理工具中指定的采樣點總數(shù)。該工具在無法放置新點時將停止創(chuàng)建點，以便不違反允許的最小距離。

將隨機(jī)采樣的點矢量分別與DEM 成果、DSM 成果、地物高度模型進(jìn)行空間計算，獲取點矢量的地面高程信息、建筑物高程信息及建筑物高度信息，使用添加表面信息地理處理工具將高程信息作為屬性添加到各個點。使用均值統(tǒng)計法為各建筑物生成單一值。通過唯一對象標(biāo)識符將采樣點統(tǒng)計出的地面高程信息、建筑物高程信息及建筑物高度信息分別賦予建筑物矢量的GLH 字段、AMSL 字段、AGL 字段。

三、應(yīng)用試驗

項目區(qū)域為烏魯木齊主城區(qū)，面積約30km2，作業(yè)資料使用2022 年7—9 月的高分七號衛(wèi)星影像。基于平差處理后的高分七號立體觀測影像，對前視、后視全色影像進(jìn)行立體模型構(gòu)建、匹配 DSM，獲取地表高程信息[5]。作業(yè)區(qū)域如圖2 所示。

圖2 試驗區(qū)域范圍

試驗區(qū)使用兩景2022 年9 月3 日獲取的兩景高分七號衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，包括前后視、多光譜影像，影像分布如圖3 所示。

圖3 試驗區(qū)域影像分布

原始數(shù)據(jù)下載完成后對其表征質(zhì)量、初始定位精度進(jìn)行檢查，確認(rèn)沒有問題后進(jìn)行空三解算。本項目使用PixGrid 軟件的空三模塊進(jìn)行連接點自動匹配及區(qū)域網(wǎng)平差。

利用GPX 軟件進(jìn)行DSM 匹配，使用PhotoMap軟件進(jìn)行DSM、DEM 編輯。

利用ARP 軟件進(jìn)行DOM 數(shù)據(jù)生產(chǎn)，以同期生產(chǎn)的DEM 數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)、衛(wèi)星影像與區(qū)域網(wǎng)平差后的RPC 參數(shù)，對全色下視影像與多光譜影像進(jìn)行正射糾正，對糾正后的全色數(shù)字正射影像和多光譜數(shù)字正射影像進(jìn)行影像融合、影像鑲嵌、勻光勻色、影像分幅等處理。

原始影像生產(chǎn)的DOM、DEM、DSM 及提取的建筑物輪廓數(shù)據(jù)圖4、圖5 所示。

圖4 試驗區(qū)域DOM/DSM/DEM/DLG 成果示意圖

圖5 白模數(shù)據(jù)效果圖

在立體模式下通過人工打點的方式對建筑物白模數(shù)據(jù)平面與高程進(jìn)行精度檢測，共打點25 個，點位均勻分布，提取檢測點的空間坐標(biāo)信息與模型特征點空間坐標(biāo)信息，計算模型高程中誤差。

通過對該技術(shù)流程生產(chǎn)的LOD1.3 級白模數(shù)據(jù)進(jìn)行精度檢測，得到三維白模的高程精度0.8m，達(dá)到LOD1.3 精度指標(biāo)要求。

四、成果應(yīng)用

1.機(jī)場凈空區(qū)障礙物監(jiān)測

傳統(tǒng)的機(jī)場凈空區(qū)超高建筑監(jiān)測手段是靠人力實地巡查，由于機(jī)場凈空區(qū)范圍較大，調(diào)查工作量繁重，通過人力巡查效率較低，而且人為判斷錯誤容易造成障礙物少判、漏判，影響調(diào)查進(jìn)度與飛機(jī)飛行安全。基于衛(wèi)星遙感技術(shù)開展超高地物提取，可快速實現(xiàn)障礙物的快速發(fā)現(xiàn)。利用衛(wèi)片三維建模技術(shù)構(gòu)建的機(jī)場周邊建筑三維模型如圖6 所示。

圖6 機(jī)場周邊建筑三維模型

在獲取機(jī)場周邊建筑空間位置信息基礎(chǔ)上，對地物數(shù)據(jù)進(jìn)行超高分析，獲取超高建筑物數(shù)據(jù)，如圖7 所示。

圖7 機(jī)場周邊超高建筑物點位分布情況

2.數(shù)字孿生

基于衛(wèi)片建模快速生成三維模型的特點可為區(qū)域級數(shù)字孿生、智慧園區(qū)等平臺提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，如圖8 所示，利用紋理映射技術(shù)將白模模型貼圖，引入到三維GIS 平臺中。

圖8 GIS 平臺基礎(chǔ)模型數(shù)據(jù)

五、結(jié)語

本文通過對衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)和深度學(xué)習(xí)結(jié)合應(yīng)用，提出了一種基于衛(wèi)片的建筑物白模生產(chǎn)技術(shù)，其制作方法簡便、成本低廉、制作效率高，可以滿足建筑物白模在建筑設(shè)計、工程施工、景觀規(guī)劃等領(lǐng)域的需要。實驗結(jié)果表明，該技術(shù)制作的白模準(zhǔn)確度高，精度可達(dá)到米級，可以滿足一般建筑物白模的需求。同時，該技術(shù)可以大幅降低制作白模的成本和制作周期，提高建筑物白模的生產(chǎn)效率和制作質(zhì)量。基于衛(wèi)片的建筑物白模生產(chǎn)技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景，可以滿足建筑設(shè)計、工程施工、景觀規(guī)劃等領(lǐng)域?qū)Π啄５男枨蟆Ｔ诓粩嗌罨夹g(shù)研究的同時，還需要解決存在的問題，進(jìn)一步完善該技術(shù)，推動其在實踐中的廣泛應(yīng)用。