倾斜摄影技术在城市规划中的应用

2018-06-14王宇

建材与装饰 2018年26期

王宇

（抚顺市勘察测绘院有限公司辽宁抚顺 113008）

1 概述

倾斜摄影测量技术是近年来发展起来的一项新的测量技术。它改变了以往航测遥感影像只能从垂直方向拍摄的局限性，倾斜摄影测量技术通过多台传感器从不同的角度进行数据的采集，快速、高效获取丰富的数据信息，真实地反映地面的客观情况，满足人们对三维信息的需求。目前，倾斜摄影测量技术已经应用于实际的生产实践[1]。倾斜摄影能够快速、大范围的获取地表自然地物或人工建筑的整体三维模型。与传统手工三维建模相比，倾斜摄影生成的三维模型具有纹理真实感强，建模效率高等突出特点。以倾斜摄影成果作为城市规划的基础地理信息数据，可以使规划方案的展示在三维环境下更加直观形象，可以通过日照分析、视线分析等三维分析方法对规划方案进行更科学有效的评价。

本文以实际项目为例，该项目位于抚顺城区，作业面积约2km2，采用四旋翼无人机搭载微型五镜头相机作为航摄器材，利用三维建模软件进行空三处理、三维建模、生成真正射影像，利用清华山维软件进行二维地形图测绘。

本文从航摄飞行、控制测量、数据处理、数据应用等四个方面介绍了倾斜摄影在城市规划中的应用。

2 航摄飞行

2.1 航线设计

倾斜摄影的航线设计工作首先需要确定相对航高、航向重叠率、旁向重叠率等航拍作业的基本参数。

航摄相机主距f为7.8mm，像元尺寸L=1.4μm，地面分辨率D为5cm，根据三角相似原理：

可求得相对航高h为280m。

根据以往的倾斜摄影作业经验，航向重叠度和旁向重叠度均设置为80%时，既可以满足倾斜摄影三维建模对地物多方位不同角度的构像要求，又能最大程度减少航线数及总相片数，降低航摄成本和后期数据处理的压力。

确定好相对航高和重叠率，便可以在无人机的地面站软件中进行航线规划。由于无人机的续航时间有限，总的航线所需时间超出了无人机的最大航时，因此将测区划分为6个架次进行航摄飞行。

2.2 无人机航摄

无人机起飞前进行需进行详尽细致的检查。检查全部合格后，控制飞机起飞，观察飞机的姿态是否稳定，检查无误后切换到自动驾驶状态，飞机爬升至预设高度并进入航线开始拍摄。

飞行结束后，将相机拍摄的影像文件和飞机飞控记录的POS数据传输到计算机中，对飞行数据进行检查。重点检查照片是否有丢漏、重叠度满足要求。若飞行数据不满足要求，应分析原因，并进行重拍或补拍。

3 控制测量

尽管直接利用像片的POS数据也可以完成倾斜摄影三维模型的绝对定向，但这样的定位结果无法满足城市规划的需要。一来POS数据来自于飞机自带的导航型GPS接收机，数据精度较低；二来POS数据的坐标系为WGS84坐标系，并非城市规划使用的地方坐标系。为了解决上述问题，需要实测一定数量的像片控制点，用来对三维模型进行精确的定位。

现行的摄影测量规范并未对倾斜摄影的像控点布点方案做出明确规定，根据以往项目的工作经验，每平方公里选择10个以上像控点便可以满足需要，实际作业时选取了46个像控点。这些点在测区内分布均匀，完整覆盖了测区，点位均选在了明显的地物拐角点或线状地物的交叉点，例如道路标志线、房屋等地物的角点等。利用GNSS接收机、全站仪等设备测定出上述46个点的平面坐标及高程，并在相应的相片上做好点位标记。

4 数据处理

4.1 空三处理

三维建模软件的空三解算过程主要分三步。首先需要提取每张照片上的特征点，接下来通过特征点进行同名像点匹配，生成大量的连接点，最后根据匹配信息以及输入的像片控制点进行光束法平差，剔除粗差点，解算出连接点的实地坐标及每张像片的外方位元素。

实际项目中使用了26个像控点参与空三解算，剩余20个点作为检核点进行精度检验。经过统计，控制点平面中误差为6.3cm，高程中误差4.1cm，检查点平面中误差为5.9cm，高程中误差4.9cm，考虑到实际项目中像片的地面采样间隔为5cm，基本将误差控制在一个像素大小，空三成果精度较为理想。

4.2 三维模型生成

空三解算通过后，利用三维建模软件的建模功能，通过影像同名点匹配技术，可生成基于真实影像的超高密度点云，再根据点云数据生成数字表面模型（DSM），并自动将纹理映射到DSM上，并以此生成基于真实影像纹理的高分辨率实景真三维模型，形成整体的三维模型数据。这种三维模型对真实场景在原始影像分辨率下的全要素级别的还原达到了无限接近真实的极致。

5 数据应用

城市规划需要使用地形图、影像图、三维模型等多种形式的地理信息数据作为基础数据。倾斜摄影成果通过处理，可以转化为上述类型的数据加以利用。

5.1 真正射影像生成

传统的数字正射影像图是在数字高程模型的基础上进行生产的，影像图上的房屋、桥梁等建筑具有投影差，严重影响了影像图的准确判读。真正射影像是将正射影像纠正为垂直视角的影像产品，表现为地形、建筑物等要素没有投影差、建筑物间无遮挡的正射影像图，全面无遗漏地展现了地面上的物要素[2]。

以倾斜摄影空三处理结果为定位基础，以生成三维模型时的高精度DSM数据为高程数据源，对原始影像中的下视影像进行正射纠正，利用其他方向的影像对遮挡部分进行修补，便可生成真正射影像。

5.2 利用倾斜摄影模型进行地形图测绘

与用传统的摄影测量方式不同，采用倾斜摄影模型进行地形图测绘，不需要专业的立体显示设备，对作业人员的立体感没有特殊要求，可以直接在三维模型上对地物进行量测[3]。倾斜摄影模型可以准确定位建筑物的侧立面，因而在勾画建筑物时可以直接勾画其建筑主体，省略掉了房檐改正的环节，并且可以判读出房屋的层数，减少了外业调绘的工作量。

使用清华山维软件进行倾斜摄影模型测图，需要先把三维建模生成的osgb格式三维模型转换为dsm格式的数据，接下来加载转换后的数据。软件会自动打开一个三维模型窗口和一个二维矢量窗口，两个窗口会进行联动，在三维窗口描绘的地物会自动显示在二维窗口中。对于比较规整的矩形房屋，可以选择“五点房”功能进行绘制；对于不规则房屋，可以通过按住ctrl键捕捉每个角点的方式绘制。除了房屋之外，水系、管线、道路、植被、地貌等信息均可以按照类似的方式在立体模型上进行采集。