傾斜攝影在實景三維中國建設項目中的應用

關鍵詞：傾斜攝影；實景三維中國；基礎地理實體；實景三維模型；精細化模型

中圖分類號：P231 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2024）36-0110-03"開放科學（資源服務） 標識碼（OSID） ：

0 引言

近年來，隨著航天航空技術的迅速發(fā)展和導航定位精度的不斷提高，無人機應用范圍不斷擴展，在各個行業(yè)展現(xiàn)出巨大的應用潛力，例如無人機植保、無人機送快遞、無人機空投救援物資以及無人機滅火等[1-3]。無人機攝影測量技術在測繪領域發(fā)揮著越來越重要的作用，其中傾斜攝影因其獲取的影像數據更加豐富，在解算過程中擁有更多約束條件，從而得到精度更高、更可靠的成果[4-5]。傾斜攝影在農村房地一體項目中也展現(xiàn)出巨大的應用潛力。基于傾斜攝影獲得的高精度實景三維模型，可以直接用于采集房角點和界址點，并通過模型的豐富信息獲取房屋的結構和層數等信息，從而減少入戶調查工作量，并基于實景模型完成指界確權工作，顯著提高房地一體登記確權發(fā)證的效率[6-8]。在旅游行業(yè)，基于傾斜攝影獲取高分辨率、逼真的實景三維模型，將其制作成視頻并發(fā)布在旅游App客戶端，可以讓用戶足不出戶體驗景點，對景點的推廣具有積極作用。實景三維中國建設項目是繼數字城市、智慧城市之后，我國又開展的一項重要的全國性項目。本文首先介紹了傾斜攝影，然后概述了實景三維中國建設內容，最后以某城市項目為例，探討了傾斜攝影在實景三維中國建設項目中數據生產的流程。本文的研究可以為實景三維中國建設項目中數據的生產方式提供參考。

1 傾斜攝影

無人機航空攝影是指在無人機上搭載航攝儀，從空中對地面進行拍攝，獲取航攝影像數據，并利用專業(yè)的解算軟件對影像數據進行處理，最終得到符合測繪精度要求的航攝成果[9-10]。傾斜攝影作業(yè)原理與無人機航空攝影類似，但搭載的鏡頭更多，獲取的影像角度更廣，影像信息更加豐富，并且一般在低空飛行，因此獲取的影像分辨率更高。在傾斜攝影中，一般采用搭載5個鏡頭的傾斜相機，其中4個下視相機和1個側視相機分別從側面和頂部采集地物信息。如圖1所示，為無人機搭載5鏡頭傾斜相機獲取影像時的示意圖。

基于傾斜攝影，可以制作得到實景三維模型、數字正射影像、數字線劃圖、數字高程模型等多種測繪產品，應用范圍更加廣泛。

2 實景三維中國建設內容

實景三維中國建設項目的目標是，到2035年，建設全國地級以上城市和有條件的縣級城市的實景三維模型，模型精度優(yōu)于5 cm，并生產豐富的測繪產品，包括數字高程模型、數字表面模型、基礎地理實體、數字正射影像、精細化三維模型等。旨在從國家層面到地方層面實現(xiàn)基礎數據全覆蓋，為國家政府部門提供可靠的基礎測繪成果。基于此，本文采用傾斜攝影，對實景三維中國建設項目中基礎數據的生產流程進行了深入研究。

3 案例應用

某市在開展實景三維中國建設項目時，根據項目需求，決定采用傾斜攝影來完成基礎數據的生產。基于傾斜攝影生產實景三維中國基礎數據的作業(yè)流程如圖2所示。

3.1 傾斜影像數據的獲取

傾斜影像數據的獲取主要包括兩個步驟：航線規(guī)劃和航空攝影作業(yè)。作業(yè)前，需要利用專業(yè)的航線規(guī)劃軟件，根據航攝分辨率的要求，結合相機的焦距和作業(yè)區(qū)地形，設置航攝參數，并自動生成無人機作業(yè)軌跡數據。如圖3所示，為航跡大師軟件規(guī)劃本次航線時輸入的參數。

航線規(guī)劃完成后，將規(guī)劃好的航線上傳飛控系統(tǒng)，控制無人機按照航線進行影像數據的采集。采集過程中，飛控系統(tǒng)控制多個相機同時曝光拍照，并記錄下視相機曝光時的位置和姿態(tài)，用于后期影像數據的高精度解算。

3.2 空中三角測量解算

空中三角測量，也稱為空三加密，是指利用影像特征信息，采用同名點檢測與提取算法，對重疊區(qū)域相同地物的坐標進行提取，然后結合航攝相機參數，對提取的點進行糾正，得到整個任務區(qū)域的空三加密點。此時的加密點為相對坐標，其坐標系統(tǒng)與參與運算的POS坐標系統(tǒng)一致。對于測繪應用，需要將坐標系統(tǒng)轉換到大地測量坐標系統(tǒng)下，引入控制點對空三加密點進行坐標轉換，該步驟稱為平差調整。完成空三加密點平差調整后，需要檢查空三精度，確保各控制點精度符合要求，然后方可用于后續(xù)數據的生產。本次作業(yè)需要生產實景三維模型和數字高程模型，因此需要兩套空三加密成果：一套包含所有鏡頭的空三加密成果，用于實景三維模型的生產；另一套只包含下視鏡頭的空三成果，用于數字高程模型的立體編輯。

3.3 實景三維模型數據的生成

實景三維模型的生產基于空三加密成果，利用空三加密成果的少量加密點，采用多視影像密集匹配技術，生成稠密的點云數據，該點云數據能夠準確反映地形變化。然后利用不規(guī)則三角網算法對密集點云進行抽稀構網，生成互不交叉、互不重疊的三角網。結合影像和三角網頂點之間的關系，對三角網面片進行自動紋理映射，最終得到實景三維模型成果。本次模型生產過程中，結合項目需求，將三維模型重建坐標系統(tǒng)設置為與控制點坐標系統(tǒng)一致，模型分塊大小為100m×100m的正方形平面分塊，模型輸出格式為OSGB。模型輸出參數設置完成后，提交重建任務，啟動引擎，完成實景三維模型數據的生產。如圖4所示，為本次生產的部分實景三維模型成果。

3.4 數字表面模型數據的制作

數字表面模型（Digital Surface Model，簡稱DSM） 是指用數字表達物體表面形態(tài)的集合。通俗地說，數字表面模型就是利用坐標點來反映地物的實際高程狀態(tài)。例如，通過DSM可以直觀地看出樓房、河流的分布以及地物的高低起伏變化。本次數字表面模型的生產直接基于實景三維模型，在立體環(huán)境下，通過恢復的立體像對，對房屋點進行編輯，解決投影差問題，將屬于房屋的三維點編輯到真實位置，最終得到符合要求的DSM成果。

3.5 數字高程模型數據的制作

數字高程模型（Digital Elevation Model，簡稱DEM） 是指用一組有序數值陣列形式表示地面高程的一種實體地面模型。通俗地說，數字高程模型就是利用坐標點來反映地形的高低起伏變化。在DEM編輯過程中，需要將房屋、樹木、電線等地物的三維點編輯到地面上。本次DEM產品的制作，首先利用下視鏡頭的空三加密成果，將其恢復到立體編輯軟件中，然后通過立體像對構建的立體模型，選中房屋、樹木等地物，將鼠標高程貼合到地面上，然后一鍵壓平，就可以得到編輯后的DEM成果。如圖5所示，是DSM和DEM的對比效果圖。

3.6 數字正射影像的制作

數字正射影像的生產基于下視鏡頭對應的空三加密成果和編輯后的DEM成果。利用DEM成果對航攝影像進行數字微分糾正，得到分辨率與實際地物相符的單張影像。基于DEM成果，結合重疊區(qū)域影像，自動生成鑲嵌線并進行自動鑲嵌，最終得到完整的帶有真實測量坐標的數字正射影像成果。對于房屋錯位等問題，通過人工干預編輯鑲嵌線，避開帶有投影差的地物，對影像進行局部更新，最終得到表征質量符合要求的數字正射影像成果。按照標準分幅圖框對鑲嵌后的影像成果進行分幅處理，得到符合項目要求的分幅數字正射影像。

3.7 精細化三維模型制作

傾斜攝影雖然可以從多個角度采集地面影像，但由于樹木、屋檐等的遮擋，會導致影像存在盲區(qū)，即航攝盲區(qū)。由于缺乏可靠的影像匹配，航攝盲區(qū)區(qū)域的模型通常存在結構拉花、紋理映射錯位等問題，影響模型整體質量。因此需要對這類模型進行精細化處理。不可靠的點云會導致構建的三角網與實際地物結構不符，造成模型變形。這類模型通常采用兩種方式進行修飾處理。一種方法是使用修模軟件對三角網進行編輯和重構，并重新映射和編輯紋理，得到精細化模型。另一種方法是使用單體化軟件，基于實景模型或虛擬立體模型，采集建筑物結構輪廓，并利用建筑物和影像之間的對應關系，完成影像紋理的自動映射。對于映射錯誤的紋理，聯(lián)動專業(yè)的修圖軟件進行修飾處理，得到單體化精細模型。本文使用模仿軟件對結構發(fā)生變形的建筑物進行結構重建，重新映射并編輯紋理，最終得到了精細化三維模型成果。如圖6所示，是某一建筑精細化處理前后對比圖。

3.8 基礎地理實體數據的制作

基礎地理實體可以通過數字線劃圖進行轉換得到，數字線劃圖可以基于航空攝影方式生產。基礎地理實體由點、線、面、體和語義化部分組成，是實景三維中國建設中非常重要的基礎數據成果。本次數字線劃圖生產和轉換使用南方測繪iData軟件。利用該軟件加載模型數據，選擇500比例尺模板庫，基于實景三維模型采集地形圖，并利用完善的質檢模塊對地形圖成果進行質檢，解決地形圖存在的拓撲等錯誤問題，得到符合要求的數據庫成果。通過語義化處理，為地物附上屬性，得到基礎地理實體數據成果。

4 結束語

本文介紹了傾斜攝影，并簡要闡述了實景三維中國建設基礎數據的類型。重點探討了傾斜攝影在實景三維中國建設基礎數據生產中的應用。本研究可為實景三維中國建設項目中基礎數據的生產提供參考。