基于倾斜摄影测量城市级实景三维建设关键技术研究

刘光鑫 虞列沛 贺 培

（1.广东省有色地质测绘院，广东 广州 510080；2.广州市威控机器人有限公司，广东 广州 510000）

0.引言

近几年来，随着我国“智慧城市”建设需求不断提升，城市级实景三维模型这种所见即所得、满足测绘精度的三维模型逐渐成为大众热衷的表达方式，也是构建三维基础地理信息系统的重要数据载体。因此，建设城市级实景三维模型成为三维GIS应用领域的研究热点。

在构建城市三维模型技术方案中，传统的人工单体建模有着诸多缺陷，如建设周期长、成本高、精度低、与现实世界反差较大等，而基于激光雷达技术的三维建模虽然在精度方面有较大提升，但是受限于硬件成本高昂、后期数据处理工作量大，只能适用于小范围精细建模，不适用于城市级大面积建模。随着倾斜摄影技术的快速发展，相关设备平台也日趋完善。徕卡CityMapper作为世界上首款专为城市测量打造的机载混合传感器，单传感器可以获取倾斜影像和多波段下视影像，同时还包括三维激光点云数据。

本文采用CityMapper传感器，采集了汕尾市城区范围39290张高分辨率影像及点云数据，制作了汕尾市城区392 km2实景三维模型，并利用203个像控点进行精度约束。最后通过检查点对三维模型成果进行精度评定，符合1∶1 000地形图测绘精度。相比传统三维建模，应用倾斜摄影测量技术构建的实景三维模型结构真实、纹理丰富、具备较高的平面和高程精度[1]，同时大幅度降低了三维建模的成本并有效地提高了模型生产的效率。笔者认为这套技术方案将成为城市级实景三维建模的主流趋势。

1.数据获取

1.1 测区概况

汕尾市位于广东省东南沿海，东同揭阳市惠来县交界；西与惠州市惠东县接壤；北接河源市紫金县；南濒南海，与香港隔海相望。陆域界线南北最宽处90 km，东西最宽处132 km，总面积5 271 km（2不含东沙群岛1.8 km2），占全省总面积的2.93%。大陆岸线长302 km，占全省岸线总长度的9%；辖内海域有93个岛屿、10个港口和3个海湖。根据地形地貌、气候条件、申请空域条件等各因素综合分析，按照国家基础航空摄影地区的困难程度分类，汕尾市城区范围属于航空摄影Ⅲ类区域，如图1所示，实施影像获取相对较难。图1是本项目的航摄范围。红色范围线为航摄范围，黄色范围线为城建区，建筑较为密集。

图1 航摄范围

1.2 航摄外业实施

外业航拍采用陕西精功通用航空有限公司的塞斯纳208飞机，本项目采用的CityMapper航摄仪相机主距是80 mm，地面分辨率是10 cm，根据相关公式计算飞行的相对航高为1 550 m，为了达到倾斜摄影建模目的，航向和旁向影像照片要保证有足够的重叠率，航向重叠率和旁向重叠率都设定为70%，测区敷设41条航线，总航线长度1340.6 km，本测区航线规划，如图2所示。

图2 航线规划

1.3 控制测量

本项目数据基础：

（1）平面坐标系统：采用2000国家大地坐标系。

（2）高程系统：采用1985国家高程基准。

（3）投影和分带：用高斯—克吕格投影，3°分带，中央子午线为114°。

控制点根据地形及航线规划进行布设，共设置203个控制点及98个检查点。

2.城市级倾斜摄影测量关键技术

2.1 航摄系统CityMapper

徕卡CityMapper配备了5台8000万像素航摄仪，能够以45°黄金角度获取高分辨率影像，更清晰的纹理采集可最大限度地还原真实的世界。配备两种不同焦距组合方案，能够更加灵活地满足不同地域要求，轻松飞行的时代已经开启。徕卡CityMapper同时配备激光雷达组件，可提供全地形解决方案，无需考虑地形起伏所增加的额外采集成本，真正达到一机两用。

系统内部集成NovAtel SPAN GNSS-IMU系统，支持GPS/GLONASS/BeiDou等全球卫星星座，高精度陀螺仪保证更少控制点布设，获取更高数据质量[2]。

2.2 数据预处理平台HxMap

HxMap是徕卡公司专业处理航空传感器数据的通用软件平台，为徕卡测量的多款航空摄影仪做数据后处理和三维建筑单体化建模。HxMap软件平台还可以提供航摄仪数据的预处理、质量检查、影像匀光匀色、自动化匹配、空中三角测量计算、激光数据校检、激光数据配准以及其他数字产品的生产等功能，为倾斜摄影测量提供前期完整的数据预处理工作流程。相较于原有的FramePro以及PPS处理流程，HxMap平台操作简便，并改进了单张影像的浏览方式，具有区域影像全局浏览等优势；同时在激光数据处理方面，相比原有的CloudPro，简化了激光检校的流程，提供了可视化的点云精度检查界面，整体操作流程简单，易上手。目前，HxMap软件平台已支持徕卡DMCIII、徕卡RCD30倾斜、徕卡CityMapper、徕卡TerrainMapper以及徕卡SPL100等徕卡航测设备的数据处理，更多的设备后处理模块将逐步整合到这个通用平台中。

HxMap平台数据预处理流程如图3所示。

图3 HxMap处理流程

对航摄完的数据通过数据解算软件对航摄硬盘中的流数据进行解读，通过影像配准、波段组合、影像融合、色调匹配等一系列自动化处理方式输出通用格式的单片真彩色影像数据，满足对数据的后续使用。

2.3 倾斜摄影测量技术

倾斜摄影测量技术是测绘领域最近几年来快速发展起来的一项新技术，它是在一个低空飞行器上面同时搭载多台传感器，同时从多个角度采集影像，它通过低空以45°角对地面进行数据采集，可以获取多个角度地面高分率影像，从而克服了传统正射影像只有垂直角度的数据局限，增加了多个角度的数据，有效提升了数据采集效率。摄取范围如图4所示。

图4 倾斜摄影技术（图片来源于网络，网址：https://www.hnwdhk.com/xinwenzhongxin/yejiexinwen/xinwen2/20200807/1003.html）

相比正射影像，倾斜摄影测量具备显著特点，因为45°角能提供更好的视角去拍摄到地物的侧面，这一优势满足了实景三维建模各个方向的地物表面纹理生成的需求。通过最新的图像匹配方法，结合摄影时记录的POS信息进行空中三角测量计算，空中三角测量完成后，建模软件自动进行多视角影像密集匹配，生成三维密集点云，结合影像自动完成纹理匹配，最终实现实景三维模型输出。三维建模流程如图5所示。

图5 三维建模流程图

倾斜摄影测量技术融合了传统航空摄影测量和近景测量技术，从垂直及前后左右共5个方向采集影像。然后运用高效的自动化建模技术，通过增加硬件达到增效目的，快速构建准确地理位置信息的三维空间场景，可以直观地掌握测区范围内地形地貌及地物的详细特征。同时数据还展现出所见即所得、按需量测的特点，深得测绘行业认可。

3.数据处理流程

本项目数据处理主要分为机载数据的预处理（经过HxMap的质量检查、影像调色、自动点匹配等流程得到符合建模使用质量的航拍原数据）和三维实景建模。

3.1 预处理

通过Hxmap进行预处理，流程严格按照HxMap平台数据预处理流程进行，如图6所示。

图6 影像调色

3.2 三维实景建模

预处理后得到最终影像、POS数据。首先利用自动化建模软件，再利用POS数据进行区域网的自由网多视影像联合约束平差解算，在这个过程中根据情况适当添加连接点，达到提高特征点密集匹配的正确性，完成相对定向。然后将外业测定的控制点导入工程，在相关影像上进行转刺，利用已知点对测区范围局域网再进行约束平差解算，将测区范围内的局域网纳入精准的大地坐标系中，完成绝对定向，并生成匹配点云，最后构建Delaunay三角网，映射纹理完成三维建模流程。具体如图7、图8、图9所示。

图7 空三成果

图8 建模成果

图9 模型细节

4.三维模型质量检查

4.1 位置精度

根据ISO9001:2015质量管理体系的标准，在项目实施过程中认真贯彻质量方针，落实项目质量目标，明确项目生产管理职责。本项目成果质量控制严格按照GB/T 24356—2009《测绘成果质量检查与验收》、CH/T 9024—2014《三维地理信息模型数据产品质量检查与验收》和GB/T 18316—2008《数字测绘成果质量检查与验收》执行[3]。

空三加密按照技术设计作业流程执行，经检查，坐标系统选择正确；空三加密前已核对了POS数据，影像数据，像控点成果，相机参数的坐标系统、数量、成果格式等；像控点的转刺准确无误。

经过统计，98个检查点平面位置误差平均值6.15 cm，高程误差平均值-8.1 cm。

项目要求模型平面精度中误差±15 cm，模型高度中误差±30 cm，符合要求[4]。

4.2 模型质量

实景三维模型比例真实，模型细节、场景纹理表现自然，极其接近真实效果，数据包含丰富的信息，能最大程度发挥外业调查成果的综合利用，已经慢慢成为自然资源的公共基地数据，能全面展示地表全要素的详细状况。但由于其特有的技术手段和工艺流程，存在常见的质量问题：存在几栋低矮建筑，在模型中呈现出轻微的变形、模糊、扭曲等，建筑周边的相关设施也存在辨识度较低的问题。

4.3 逻辑一致性

经检查，数据逻辑一致性未发现问题，空间实体之间的拓扑关系比如关联、邻接、包含、连通、层次等在地理空间表达上没有问题，保证了空间数据空间关系的正确性，总体表达都非常真实完整[5]。成果质量等级评定标准，依据CH/T 9024-2014《三维地理信息模型数据产品质量检查与验收》相关规定，本项目数据质量为合格。

5.结束语

本文根据倾斜摄影测量原理、关键技术和生产流程等，探索出一种城市级大面积区域、复杂地形的航空摄影测量、内业数据处理的实景三维建模总体方案。在项目实际应用过程中克服各种困难，最终按照技术方案完成既定目标392 km2实景三维模型生产。考虑生产周期及生产成本，该项目采用有人机搭载高效率航摄仪完成，按照单位面积计算，成本反而有所下降，而且作业效率有非常大的提升，模型整体效果也较无人机有所提升。此外，随着自动化建模算法的逐渐改进和完善，LiDAR倾斜三维建模将凭借其集成多源异构数据的优势，会在城市级三维建模中发挥出更加重要的作用。借助CIM、云计算、大数据等关键技术的发展，该项技术可以推动城市管理工作的精细化，在与空间位置相挂钩的城市管理、分析及决策的方式方法上会逐渐由原来的二维空间数据向三维空间数据转变，为我国城市级的数字化建设和国土空间规划提供一套权威、统一、翔实的实景三维模型数据底座。