傾斜航空攝影在城市建設的應用

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摘要：傾斜航空攝影建模逐漸取代傳統手工建模，成為安徽省數字城市三維建設的主要技術手段。介紹了單一傾斜航空攝影建模方式和傾斜航空攝影與LiDAR數據相結合建模方式的技術路線，比較了二者的優劣，并展望了傾斜航空攝影建模成果在數字城市地理空間框架建設中的應用前景。

關鍵詞：傾斜航空攝影；數字城市地理空間框架；LiDAR

數字城市以地理空間框架為定位基準，集成城市自然、社會、經濟、人文、環境等綜合信息，基于網絡基礎設施實現城市信息的廣泛共享，代表了城市信息化的發展方向，是推動整個國家信息化的重要手段。數字城市地理空間框架既是一個城市的空間基礎信息平臺，也是國家空間數據基礎設施的基本組成部分，是信息集成的載體和數字城市不可或缺的基礎支撐。安徽省自2008年啟動數字城市地理空間框架建設以來，地級市的建設已接近完成，不少地市已開始進行更新維護和數字縣域的建設工作。在建設和更新的過程中，應不斷采用新技術、新方法，以提升建設效率、擴大應用范圍。傾斜航空攝影技術作為一種重要的新技術，逐漸在安徽省得到了廣泛應用，并取得了良好效果。傾斜航空攝影是在同一飛行平臺上搭載多臺傳感器（目前多為五鏡頭相機）獲取地物信息的新型航空攝影方式。與傳統航空攝影不同，它采用5個鏡頭同時獲取下、前、后、左、右的影像數據，并配合慣導系統獲取高精度的位置和姿態信息，再通過特定的數據處理軟件進行處理[1-2]。傾斜航空攝影除了可生產4D數據外，更可通過高分辨率的傾斜影像從不同角度獲取地物的結構和紋理信息，再利用后期專業軟件實現自動化建模。相較于傳統人工建模方式，該方法可真實還原現實世界，模型精度高，模型尺寸精準可量測，實用性相對更強；效率上也非傳統人工方式可比，對于山峰、復雜建筑等人工建模難以完成的地物均可很好地建模還原[3]。同時，一次航攝可獲取三維、DOM、DEM、DLG等多種數據產品，非常適合在數字城市地理空間框架建設中使用[4]。在安徽省數字城市地理空間框架建設中，六安市和黃山市率先使用了傾斜航空攝影技術，但所采用的技術路線有所區別。六安市采用機載多角度傾斜航空攝影系統、機載激光掃描系統對約63km2的范圍進行航空攝影，獲取全市高精度三維傾斜影像數據和DEM；再利用武漢華正的真三維快速構建平臺建立覆蓋全市的真三維場景，把一個真實的全視角的三維立體六安展現在政府部門和社會公眾面前。黃山市僅采用多角度傾斜航空攝影系統對主城區和黃山風景區進行航空攝影，再利用Bentley公司研發的ContextCapture全自動三維建模軟件生成三維模型。ContextCapture軟件無需LiDAR數據輔助，代表了全球相關技術的最高水準。本文比較了兩種方法的技術流程和成果，以期在數字城市地理空間框架建設和更新中更好的應用。

1傾斜航空攝影結合LiDAR數據建模

六安市是安徽省首個在數字城市建設中使用傾斜航空攝影建模技術的城市，2014年采用傾斜航空攝影與LiDAR數據相結合的方式完成了主城區63km2的三維場景建設。之前的城市普遍采用人工建模方式，六安市在總結之前城市經驗時發現，人工建模造價高，周期長，數據精度差，除了瀏覽并無太多實用價值，所以選擇了已經成熟的傾斜航空攝影建模技術。六安市采用機載多角度傾斜攝影系統SWDC-5獲取建模區域的傾斜影像，測區航向重疊度為60%，旁向重疊度為50%，傾斜攝影不僅能得到地物的頂部紋理，而且可采集到地物的側面紋理；采用LiDAR掃描系統ALS60獲取測區的激光點云，格網分辨率為0.65m，通過對采集到的LAS文件進行處理，可得到建筑物的幾何模型。六安市以獲得的傾斜影像和激光點云為基礎，經過數據預處理、點云模型優化、真三維模型自動生成、真三維紋理自動映射等步驟獲取了真三維成果數據，技術路線如圖1所示。激光點云數據的介入是這一技術路線的特點，將LiDAR點云數據處理技術與傳統的航空攝影測量數據處理技術相結合，共同完成三維精細建模，形成優勢互補。由于建筑物表面的特征非常明顯，有利于LiDAR技術進行測量，經驗表明一般城市LiDAR點云數據的絕對精度保持在0.15m，甚至更高，這樣的數據精度保證了其在城市建模項目中應用的可行性。利用LiDAR掃描設備獲取測區點云數據后，不僅能準確、快速地獲得建筑物高度，還能通過點云生成的DSM自動生產模型數據[5]。對比單一傾斜航空攝影方式的建模方法，地面分辨率均為8cm的航片，由于LiDAR點云數據的介入，其幾何完整性和精度都要高出很多（圖2）。然而，采集LiDAR點云數據將大大增加經濟成本，不僅外業采集成本增加，內業數據處理工序也相對復雜，需要更多的專業化軟件支撐，自動提取的建筑物點云數據邊緣呈顆粒狀，也需投入更多的人力進行干預，將建筑物邊緣還原為本來光滑整齊的形狀。

2單一傾斜航空攝影建模

黃山市是安徽省第一個完成數字城市地理空間框架建設的城市，2010年建設時采用傳統人工建模方式完成了核心城區25km2的三維模型建設。鑒于傳統人工建模方式的不足，2015年更新時黃山市采用傾斜航空攝影建模技術對核心城區的三維場景進行更新，并陸續制作了屯溪區15km2地面分辨率為8cm的三維模型、屯溪區25km2地面分辨率為4cm的三維模型和黃山風景區160km2地面分辨率為8cm的三維模型。與六安市不同，黃山市以高重疊度的傾斜航空影像為唯一數據源，通過多視角影像的密集匹配，自動建立三維模型；后期通過少量的人工介入，去除自動處理過程中產生的局部缺陷[6]。傳統的空三解算無法很好地處理傾斜攝影數據，而多視角影像聯合平差需充分考慮影像之間的幾何變形和遮擋關系，因此傾斜攝影空三平差處理最重要的是如何將垂直下視影像與傾斜影像進行聯合平差。利用ContextCapture軟件，結合POS系統提供的外方位元素和相機安裝位置關系，可模擬包括傾斜影像在內的所有影像的地表投影范圍。采用由粗到精的金字塔匹配策略，在各級影像上進行同名點自動匹配和自由網光束法平差，得到較好的同名點匹配結果。同時，通過建立連接點和控制點坐標文件，結合GPS/IMU信息，實現多視角影像自檢校區域網平差迭代計算，通過多次反復聯合解算，最終得到符合精度要求的平差結果[7]。ContextCapture軟件在三維重建過程中能實現全自動計算，根據內部規則算法，自動選擇在對面視角上的最佳像對模型，最終形成三維尺度的密集點云。點云隨后自動轉換為TIN結構，并將由于圖像匹配錯誤而引起的TIN刪除和修復；再根據內在幾何關系，對TIN模型進行平滑和優化，達到最佳的三維表達效果。根據三維TIN的空間位置信息，自動尋找最佳視角影像，并完成模型紋理的構建，形成完整且真實的三維模型體。單一傾斜航空攝影建模技術路線如圖3所示。與結合LiDAR點云數據的建模方式相比，該方式只需獲取單一的傾斜影像數據，成本相對較低，且獲取方式更靈活，內業處理工序相對簡單、自動化程度高。近年來，隨著旋翼無人機、固定翼無人機的快速發展，通過無人機搭載傾斜航攝相機獲取高分辨率傾斜影像已成為主流，影像分辨率的提高完全可彌補缺少LiDAR點云數據導致的幾何完整性不足，且單一數據源的處理更為便捷，因此發展迅速，已成為傾斜航空攝影建模的主流方式[8]。

3結語

三維城市建模是數字城市地理空間框架建設的重要內容，傾斜航空攝影建?？朔藗鹘y手工建模精度差、效率低、實用性差的弊端。本文介紹了傾斜航空攝影建模在安徽省數字城市地理空間框架中的應用，并討論了兩種建模方式的技術流程以及優缺點。今后將重點研究傾斜航空攝影建模三維成果在大比例測圖、不動產登記和景區宣傳推介等方面的應用，以期更好地發揮傾斜航空攝影技術在數字城市地理空間框架中的應用價值。

作者:趙超 侯恩兵 單位:1.安徽省基礎測繪信息中心 2.安徽省智慧城市與地理國情監測重點實驗室