趙志剛 王志翔

摘要：開(kāi)展數(shù)字城市三維地理信息系統(tǒng)的研究，將三維可視化和信息查詢(xún)與管理技術(shù)應(yīng)用于數(shù)字城市建設(shè)中，對(duì)于決策者、設(shè)計(jì)師和用戶(hù)對(duì)城市景觀(guān)現(xiàn)狀和規(guī)劃設(shè)計(jì)藍(lán)圖有生動(dòng)、直觀(guān)的了解和更深刻的認(rèn)識(shí)，從而拓寬城市規(guī)劃、設(shè)計(jì)和管理人員的視角，使城市規(guī)劃、基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計(jì)更加科學(xué)化，對(duì)于城市可持續(xù)發(fā)展研究有重要意義。

關(guān)鍵詞：攝影測(cè)量；傾斜攝影；三維建模

0、引言

數(shù)字城市三維模型由于其在城市規(guī)劃、地籍管理、旅游、交通及環(huán)境仿真等領(lǐng)域顯示出了巨大的潛力， 已成為眾多領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。三維模型是以三維的手法進(jìn)行建模，模擬出一個(gè)三維的建筑場(chǎng)景效果，規(guī)劃者可以模擬在數(shù)字場(chǎng)景中任意游走馳騁、飛行縮放，達(dá)到一種惟妙惟肖變化多姿的動(dòng)態(tài)視覺(jué)效果，對(duì)規(guī)劃及參觀(guān)者來(lái)說(shuō)是一種全新的體驗(yàn)，并能產(chǎn)生強(qiáng)烈的共鳴。

1、項(xiàng)目區(qū)概況

新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第八師，含石河子市。 區(qū)域總面積7529平方公里。八師和石河子市實(shí)行一個(gè)黨委，政企分設(shè)，部門(mén)合一的體制。八師管轄18個(gè)團(tuán)場(chǎng)、2個(gè)河系管理處和160多家工交建商企業(yè)，其中預(yù)算內(nèi)企業(yè)35家。石河子市轄5個(gè)街道辦事處和一鎮(zhèn)、一鄉(xiāng)。

2、現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

常用的影像數(shù)據(jù)大多只有地物頂部的信息特征，缺乏地物側(cè)面詳細(xì)的輪廓及紋理信息，不利于全方位的模型重建和場(chǎng)景感知。當(dāng)前三維模型數(shù)據(jù)的制作主要有航測(cè)法、地面激光雷達(dá)掃描方法、DEM加正射影像法等。傳統(tǒng)航空航天攝影測(cè)量、地面激光雷達(dá)掃描兩種方法若想要?jiǎng)?chuàng)建比較真實(shí)的三維模型，都需要后期大量的人工工作，較大型的城市想要建設(shè)三維模型，成本很難控制，傾斜攝影測(cè)量因此成為近年來(lái)國(guó)際上發(fā)展十分迅速的一項(xiàng)高新技術(shù)。

傾斜影像（oblique image）是指由一定傾斜角度的航攝相機(jī)所獲取的影像。傾斜攝影技術(shù)是國(guó)際測(cè)繪遙感領(lǐng)域近年發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)高新技術(shù)， 通過(guò)在同一飛行平臺(tái)上搭載多臺(tái)傳感器，同時(shí)從垂直、傾斜等不同的角度采集影像，獲取地面物體更為完整準(zhǔn)確的信息。

3、項(xiàng)目意義

傾斜攝影測(cè)量隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的快速推進(jìn)，精細(xì)化的三維城市模型作為城市規(guī)劃、建設(shè)、管理和信息化的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，得到了日益廣泛的應(yīng)用并逐漸成為城市空間數(shù)據(jù)框架的重要內(nèi)容。傾斜攝影技術(shù)將基于立體像對(duì)和點(diǎn)特征的傳統(tǒng)攝影測(cè)量技術(shù)推向了一個(gè)新的高度，即動(dòng)態(tài)的，基于多視影像和對(duì)象特征的實(shí)時(shí)攝影測(cè)量技術(shù)。

4、目標(biāo)及預(yù)期成果

4.1項(xiàng)目目標(biāo)。使用無(wú)人機(jī)傾斜攝影平臺(tái)搭載傾斜相機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，應(yīng)用更先進(jìn)、高效的數(shù)據(jù)處理手段，獲取農(nóng)八師各團(tuán)場(chǎng)部實(shí)景三維模型。

成果目標(biāo)：獲取農(nóng)八師各團(tuán)場(chǎng)部WGS-84坐標(biāo)系統(tǒng)的高分辨率正射影象圖，影像幾何精度達(dá)到測(cè)繪級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，可以在正射影象圖上直接量取長(zhǎng)度、面積、角度等數(shù)學(xué)要素。

制作農(nóng)八師各團(tuán)場(chǎng)部實(shí)景三維模型，建設(shè)三維可視系統(tǒng)，三維模型可根據(jù)需求的不同建設(shè)白膜三維或者帶紋理的三維模型。

4.2預(yù)期成果

（1） 數(shù)字航空攝影原始數(shù)據(jù)；（2） 空三加密成果；（3） 高精度正射影像圖；（4） 高精度數(shù)字地表模型；（5） 高精度城市三維模型。

5、技術(shù)方案

5.1儀器裝備

1）飛行平臺(tái)。擬選用QC-1型無(wú)人飛行平臺(tái)，該機(jī)型機(jī)動(dòng)靈活，不需要專(zhuān)門(mén)機(jī)場(chǎng)，可以在公路、平地、簡(jiǎn)易跑道上起飛，并且安全系數(shù)較高，空域申請(qǐng)也比大飛機(jī)更容易。

2）航攝儀。使用Sony RX1R數(shù)碼相機(jī)組裝傾斜攝影系統(tǒng)，Sony RX1R數(shù)碼相機(jī)是Sony公司2013年6月發(fā)布的消費(fèi)級(jí)專(zhuān)業(yè)相機(jī)，相機(jī)最大有效像素2470萬(wàn)，最高分辨率6000×4000，相機(jī)重量450g。

5.2 傾斜攝影測(cè)量關(guān)鍵技術(shù)。傾斜攝影測(cè)量的基本原理傾斜影像是通過(guò)具有一定傾角的傾斜航攝相機(jī)獲取的，具有如下的特點(diǎn)：（1）可以獲取多個(gè)視點(diǎn)和視角的影像，從而得到更為詳盡的側(cè)面信息；（2）具有較高的分辨率和較大的視場(chǎng)角；（3）同一地物具有多重分辨率的影像；（4）傾斜影像地物遮擋現(xiàn)象較突出。

針對(duì)這些特點(diǎn)，傾斜攝影測(cè)量技術(shù)通常包括影像預(yù)處理、區(qū)域網(wǎng)聯(lián)合平差、多視影像匹配、DSM生成、真正射糾正、三維建模等關(guān)鍵內(nèi)容，其基本原理如圖1 所示：

圖1 傾斜數(shù)據(jù)處理基本原理

傾斜影像測(cè)量的關(guān)鍵技術(shù)

1） 多視影像聯(lián)合平差 。多視影像不僅包含垂直攝影數(shù)據(jù)，還包括傾斜攝影數(shù)據(jù)。多視影像聯(lián)合平差需充分考慮影像間的幾何變形和遮擋關(guān)系。結(jié)合 POS 系統(tǒng)提供的多視影像外方位元素，采取由粗到精的金字塔匹配策略，在每級(jí)影像上進(jìn)行同名點(diǎn)自動(dòng)匹配和自由網(wǎng)光束法平差，得到較好的同名點(diǎn)匹配結(jié)果。同時(shí)，建立連接點(diǎn)和連接線(xiàn)、控制點(diǎn)坐標(biāo)、GPU/IMU 輔助數(shù)據(jù)的多視影像自檢校區(qū)域網(wǎng)平差的誤差方程，通過(guò)聯(lián)合解算，確保平差結(jié)果的精度。

2） 多視影像密集匹配。影像匹配是攝影測(cè)量的基本問(wèn)題之一，多視影像具有覆蓋范圍大，分辨率高等特點(diǎn)。因此，如何在匹配過(guò)程中充分考慮冗余信息，快速準(zhǔn)確獲取多視影像上的同名點(diǎn)坐標(biāo)，進(jìn)而獲取地物的三維信息，是多視影像匹配的關(guān)鍵。

3） 數(shù)字表面模型生成和真正射影像糾正。多視影像密集匹配能得到高精度高分辨率的數(shù)字表面模型（DSM），充分表達(dá)地形地物起伏特征，可以首先根據(jù)自動(dòng)空三解算出來(lái)的各影像外方位元素， 分析與選擇合適的影像匹配單元進(jìn)行特征匹配和逐像素級(jí)的密集匹配，并引入并行算法，提高計(jì)算效率。在獲取高密度DSM數(shù)據(jù)后，進(jìn)行濾波處理，并將不同匹配單元進(jìn)行融合，形成統(tǒng)一的DSM。

6、行業(yè)應(yīng)用

目前實(shí)景三維地理數(shù)據(jù)平臺(tái)已經(jīng)在城管、公路、鐵路、公安、地圖服務(wù)等行業(yè)進(jìn)行了廣泛而深入的應(yīng)用，下表列舉了該技術(shù)能夠?yàn)檫@些行業(yè)“真圖”用戶(hù)提供的一些新的應(yīng)用點(diǎn)。

7、結(jié)語(yǔ)

傾斜攝影技術(shù)是解決傳統(tǒng)的航空和衛(wèi)星遙感對(duì)側(cè)面的三維重建有效解決手段，并有效控制后期創(chuàng)建真實(shí)三維模型的成本。

參考文獻(xiàn)：

[1]傾斜攝影測(cè)量技術(shù)綜述

[2]基于傾斜攝影的三維城市建模

[3]機(jī)載傾斜攝影數(shù)據(jù)在三維建模及單斜片測(cè)量中的應(yīng)用