倾斜摄影在长春市城市建模中的应用

薄正权，张宇

(长春市测绘院，吉林 长春　130021)



倾斜摄影在长春市城市建模中的应用

薄正权*，张宇

(长春市测绘院，吉林 长春130021)

摘要：三维数字城市是对城市进行多分辨率、多尺度和多时空的三维描述，快速精确地获取城市地理信息数据，是三维城市建设中的重中之重。本文通过长春市三维城市建设，介绍了基于倾斜摄影测量技术的城市三维建模技术流程，比较了与手工建模和传统航摄建模区别。列举了数据成果在城市规划审批和违建查处工作中的应用。

关键词：倾斜摄影；城市规划；三维数字城市

1引言

人类的活动、社交，城市建设和管理无一不与地理空间位置有关，随着大数据时代的来临，人们对地理信息数据的需求更加旺盛，倾斜摄影技术的发展，开创了地理信息数据获取的新时代，为智慧城市建设提供一种高效实用的技术手段。

早在第一次世界大战期间，就有飞行员拍摄倾斜航空影像，用于战场侦察，但受当时胶片影像处理水平及算法的制约，无法成功将倾斜影像进行拼接[1]。近年来，随着计算机软硬件技术的飞速发展，实现了多视影像自动化匹配和区域网自动空三技术，为倾斜摄影技术的在国际测绘领域的落地应用打下了基础[2]。

2长春市三维城市发展情况

长春市三维城市建设经历了三个阶段，第一阶段基于1∶500地形图和实景照片的手工建模；第二阶段是基于机载激光点云技术和实景照片的手工建模；第三阶段是基于倾斜摄影测量技术的三维建模。长春市建城区 230 km2范围采用的是机载激光点云技术的三维建模，如图1中右侧所示，模型的数学精度和精细程度都可以保证，但是模型的建设周期长、成本高，属于劳动密集型作业。2014年采用倾斜摄影测量技术手段对长春市中心城区及周边区域 1 000 km2进行三维建模，如图1中左侧所示，这种方式有效提升了模型的生产效率，大大降低了三维模型数据采集的经济和时间成本。

图1倾斜摄影建模(左)与手工建模(右)

3长春市倾斜摄影三维模型生产

长春城区位于松辽平原东部山地向西部平原过渡的伊通河台地上。地势东高西低，地貌由台地和平原组成。本项目航空摄影范围内除净月潭水库附近地势由一定起伏，其他区域均地势平坦。本项目测区面积 853 km2，是目前国内最大范围的倾斜摄影建模项目，共划分为4个摄区，摄区最低点分辨率优于 8 cm，航向重叠率为80%，旁向重叠率为70%。航摄仪采用Leica公司RCD30 Oblique。

数据处理与生产采用法国Acute3D公司的Smart3DCapture软件，它是基于图形运算单元GPU的快速三维场景运算软件，无需人工干预，可从简单连续的影像中生成最逼真的实景真三维精细模型。具有快速、简单、全自动的建模特点，并具有广泛的数据源兼容性和优化的数据输出格式[3]。

3.1空三加密

基于Smart3DCapture软件，结合POS系统提供的外方位元素和相机安装位置关系，可以模拟包括倾斜影像在内的所有影像的地表投影范围，采取由粗到精的金字塔匹配策略，在各级影像上进行同名点自动匹配和自由网光束法平差，得到较好的同名点匹配结果。

同时，通过建立连接点和控制点坐标文件，结合GPS/IMU信息，实现多视角影像自检校区域网平差迭代计算，通过多次反复联合解算，最终得到符合精度要求的平差结果，如图2所示。

3.2自动三维模型重建

自动建模流程如图3所示：

(1)初始化建模区域

根据作业区实际范围，划定建模区域。由于建模需要在标准直角三维空间坐标系内进行，因此软件会将项目投影坐标系统转换为局部笛卡尔三维坐标系。建模区域会划分为200 m×200 m的格网，每个格网(Tile)是三维建模的最小单元。

(2)建立三维像对

基于空三平差输出的外方位元素成果和相机安置位置关系，Smart3DCapture可以自动寻找合适的两张影像组成三维像对。

(3)生成像对点云

对Tile内包含的所有三维像对分别进行点云匹配计算，并将这些像对点云进行汇总合并，如图4所示。

(4)构建三维TIN网

将前面环节得到的点云利用Smart3DCapture独有算法进行三角网化处理，在这个过程中，一些异常的点由于无法构建正常的三角形而被作为粗差点进行舍弃处理。Smart3DCapture内嵌了多种高级智能算法，可以对不规则三角网进行自动检测评估，可以对不合理的三角网表面进行自动优化，对平坦表面的三角密度实现自动简化稀疏化处理，同时对复杂表面的三角网密度予以保留，如图5所示。

(5)纹理匹配

Smart3DCapture可以根据TIN网中每个三角形的空间位置，自动映射最佳视角的影像作为模型纹理，如图6所示。

图6纹理映射

3.3海量数据处理与工期控制

由于倾斜摄影测量技术对航飞大重叠度的要求和多视影像数据，原始航片数据量较传统航摄成倍增加，同等条件下，倾斜摄影航片数据量是传统航片数据量的约35倍。长春市实际航摄面积 1 150 km2，原始航片数据量 80 T，因此数据准备与备份，对整个项目的工期影响较大。并且在空三加密和三维建模过程中，会生成大量的过程数据，过程数据的存储与调取同样影响生产工期。

以 200 km2分区为例，使用10节点的Smart3D Capture软件进行数据生产，数据处理时间约为 25 d～30 d，数据拷贝需要10 d～15 d，数据拷贝占整个数据处理时间的30%。

为保证数据生产过程稳定，控制生产工期，建议使用两组磁盘阵列进行数据生产，减少数据的拷贝对项目工期的影响。

4手工建模与倾斜摄影建模比较

4.1项目管理角度

手工建模需要大量的人工作业，每个建模人员对项目设计理解存在偏差，水平能力参差不齐，项目成果较难达到统一的水平，即使经过验收合格的产品，也会出现成果良莠不齐的情况，增加项目的管理难度[4]。反观倾斜摄影建模生产流程自动化程度高，人工干预工作少，项目参与人员少，严格控制项目的几个重点环节，就可以实现对项目的整体掌控，保障成果一致性，同时也降低了项目的管理难度。

4.2模型成果形式

两种方式生产的三维模型是两种不同的产品，手工建模成果可以理解为数字线划图与纹理的结合，倾斜摄影三维模型数据是DSM与影像数据的结合。

手工模型具有以下几个特点，第一它是经过制图综合的，不是全要素的还原三维场景，经过概况和抽象，有选择地对各类要素进行还原；第二各类要素是分层次，可以按照要素类别提取数据；第三可以对所有的地理信息数据赋予属性信息。我们可以对手工模型任意放大、查询、量测、叠加地图，它具有数据量小、便于分层、能快速的生成专题地图等优点，另外还可以突破时空限制，除地表空间外，地下空间、室内场景以及航空航天场景都可以在三维GIS中进行管理与展现。

倾斜摄影模型成果是对现实世界最真实的还原，具有精度高、信息丰富、效果直观逼真，获取快捷等优点[5]，可以作为一个独立的图层与地名注记、道路等图层叠加使用。经检测倾斜模型的平面精度 0.3 m，高程精度 0.2 m。但是倾斜摄影模型的数据量要远远大于手工模型数据量，对三维平台的数据管理能力提出了更高的要求，经过对国内主流的三维平台性能测试，如CityMaker、Skyline、SuperMap等，数据承载能力都已经达到 500 km2以上。另外对于倾斜摄影模型“一张皮”的成果特点，我院采用了二三维一体化的技术架构，将二维矢量数据与倾斜摄影模型结合起来，实现建筑单体化的管理和查询。

5传统航测法建模与倾斜摄影建模比较

航空摄影测量技术本身已经有100多年的发展历史，应用在三维建模方面已有10多年的时间，相比较而言技术比较成熟，有许多现成的软件和算法可以直接应用[2]。倾斜摄影测量是近几年才兴起的三维建模技术，仪器设备昂贵、算法负责且技术不十分成熟。

倾斜影像在三维城市建模中的应用过程中，与以往的垂直影像相比，倾斜影像有着明显的优势，它能通过航摄仪较大的倾斜角度，获取地表建(构)筑物立面信息。在数据生产过程中，倾斜摄影基本实现自动化建模，传统航摄通过立体像对方法建模，项目周期两者基本一致。三维模型成果精度比较，平面精度基本一致，倾斜摄影建模具有较高的高程精度，并且数据可靠性高。

6倾斜摄影模型在城市规划管理中的应用

三维规划辅助决策平台可以提供一个逼真的三维城市景观模型，规划人员可以在三维虚拟城市环境中完成建设用地适宜性评价、城市道路规划、城市景观辅助设计、方案评价与成果表现、规划管理等功能，可以显著提高规划工作效率、促进规划工作的科学性和透明性。

6.1规划辅助分析

可以将设计师的设计方案通过虚拟现实的手段直观展现在平台中，如图7所示，通过间距分析、日照模拟、控高分析、通视分析、视域分析、立面分析等功能，从定性和定量的角度来动态论证方案的优劣，为领导决策提供更为科学的辅助手段。

6.2违建查处工作

搭建在高程建筑顶层的违法建筑，位置隐蔽，从地面难以发现，在违建的判断过程中，我院引入历年影像和倾斜摄影模型，对楼顶结构一览无余，将不同时相的航空影像对比分析，可以准确捕获顶层违法建筑位置及年代，而倾斜摄影模型更可以从各个角度查看违建外观、层数等情况，极大地提升了违建的判别能力，如图8所示。

图7规划方案与现状对比

7结语

倾斜摄影三维模型的诞生，带给城市管理者和建设者巨大的冲击力和吸引力。但是通过计算机自动化生产的三维模型，在使用过程中上具有其一定的局限性，无法满足用户多元化的应用需求。这将给我们带来新的要求，通过人机交互的半自动化的建模方式，利用倾斜摄影模型兼具真实与矢量化和属性的特征，更好地服务于智慧城市建设。

参考文献

[1]梅安新，彭望琭，秦其明等. 遥感导论[M]. 北京： 高等教育出版社，2001.07.7.

[2]朱庆，徐冠宇，杜志强等. 倾斜摄影测量技术综述[OL].

[3]张骥，高钊，陈容. 基于Leica RCD 30倾斜航摄仪和Smart3D技术快速进行城市三维实景生产[J]. 测绘技术装备，2014(3)：61～64.

[4]李永泉，韩文泉，黄志洲. 数字城市三维建模方法比较分析[J]. 现代测绘，2010： 1672～4097(2010) 02-0033-03

[5]王丙涛，王继. 基于倾斜摄影技术的三维建模生产与质量分析[J]. 城市勘测，2015(5)：80～82.

Application of Pictometry Oblique Photogrammetry in Changchun City Modeling

Bo Zhengquan，Zhang Yu

(Changchun Surveying and Mapping Institute，Changchun 130021，China)

Key words：pictometry oblique photogrammetry；city planning；three-dimensional digital city

Abstract：The 3D digital city is a three-dimensional description of the city by multi-resolution，multi-scale and multi-temporal，which obtains city geographic information quickly and accurately and is a top priority of three-dimensional city construction. This paper introduces the Three dimensional modeling based on the oblique photogrammetry of the technical process，compared the difference with the manual modeling and the conventional aerial photogrammetry modeling. Explain the role of the results in the urban planning approval and the illegal construction investigation.

文章编号：1672-8262(2016)03-93-04

中图分类号：P234

文献标识码：B

*收稿日期：2016—01—14

作者简介：薄正权(1975—)，男，高级工程师，注册测绘师，主要从事GIS生产应用、工程测绘。