基于多角度影像的大比例尺3D产品一体化生产研究＊

2020-03-15闻彩焕王文栋

河北遥感 2020年3期

闻彩焕王文栋

（1.河北省地质测绘院，河北廊坊 065000）

0 引言

随着经济社会的迅猛发展，规划、建设、交通、环境、公众服务等各部门对基础地理信息数据的时效性和准确性需求越来越高。传统的基础地理信息数据生产中，大比例尺DLG 一般采用全站仪、GPSRTK 技术进行全野外测绘采集的方法。大比例尺DEM，DOM 采用传统航空摄影测量方式基于全数字摄影测量系统生成[1]。同时，随着卫星传感器的不断发展，多角度观测卫星提供多角度观测数据，为DEM、DOM的生产提供了更多选择[2-3]。

倾斜摄影测量技术是近年发展起来的一项航空摄影测量新技术，随着各种倾斜摄影系统的涌现，使得倾斜影像数据获取变得非常快捷，计算机集群、GPU、三维建模的自动化[4]-[7]使得倾斜影像三维建模效率大幅度提升，并得到了广泛的应用。

目前，基于倾斜影像建立的三维模型数据成果已在各行各业中有了广泛的应用，如数字城市、规划设计、电力选线、景区展示[8]-[12]。基于三维模型进行空间信息采集也有单位进行了深入的探索[13]-[14]。

本文利用无人机倾斜摄影技术获取多角度影像，利用集群技术自动化建立高精度实景三维建模，在此基础上进行3D 产品一体化生成。经过质量检查，3D 产品均满足规范要求，为基础地理信息数据快速更新提供了保证。

1 关键技术

1.1 技术流程

通过无人机倾斜摄影、像控点测量获取多角度影像信息，通过空中三角测量、三维模型建设形成实景三维模型，利用三维模型进行输出编辑、要素采集、特征点线采集等，形成测绘3D 数字产品。具体技术流程如图所示：

图1 技术流程图

1.2 多角度影像获取

倾斜摄影测量技术,通过在飞行平台上搭载多台传感器，同时从前、后、左、右、垂直多个角度拍摄地面影像，克服了垂直摄影测量的局限性。能够获取更丰富的地物纹理影像信息，真实地反映地物的实际情况，而且可通过先进的定位技术嵌入精确的地理信息。

利用倾斜摄影测量技术进行海量多角度倾斜影像获取。在倾斜摄影开展前，做好以下工作：航摄分区、航线设计、敷设航线、设计航高、确定航摄重叠度，同时，进行像控点布设与测量工作为多角度影像提供精确的空间定位信息,从而实现利用多角度影像建立可量测的三维模型。

影像分辨率的大小对于三维模型的精度影响至关重要，进而影响3D 产品精度。根据几何关系，地面分辨率和飞行高度关系如下：

其中，f为焦距，H为飞行高度，μ为像元尺寸，GSD为地面分辨率。

因此，在一定的相机条件下，考虑实际地形情况，设计合理的飞行高度从而获得高分辨率影像。

像控点的精度对三维模型的精度影响至为关键，进而影响3D 产品精度。利用GNSSRTK 技术开展像控点测量，观测两测回，测回间时间间隔超过60s，每测回观测值在得到RTK 固定解且收敛稳定后开始记录，测回间的平面坐标分量较差不大于2cm，垂直坐标分量较差不大于3cm。两测回结果取平均值作为像控点测量最终成果。

1.3 实景三维模型建设

空中三角测量利用航摄像片和目标之间的空间几何关系，根据少量像片控制点进行像点加密，求得所有加密点的地面坐标和像片外方位元素。利用ContextCapture[15-16]软件光束法区域网整体平差方法，通过相对定向，像控点量测，绝对定向完成空中三角测量工作。

首先计算出小区域内每个相机的内方位元素，然后导入到工程中进行相对定向，能达到提高相对定向精度的作用。然后在此基础上进行像控点量测。每个像控点分布在不同视角，每个视角至少3 个以上像片，像控点所在像片清晰，像控点位置接近于像片中心。像控点量测后，进行平差计算，从而完成绝对定向。解算出每幅影像的精确的外方位元素，确定各个影像间的关系。需要注意的是，空中三角测量过程中，通过控制点的量测环节的优化、调整，控制点中误差控制在1 个像元以内，从而提高空中三角测量精度。

在空中三角测量的基础上，利用ContextCapture软件，通过倾斜影像的密集匹配,获取大量高密度的点云数据，构建不规则三维网格模型，优化、简化网格模型进行，自动纹理映射，最后生成纹理清晰逼真的三维模型。为提高建模效率，利用多台服务器进行集群处理，分瓦片进行三维建模。

1.4 3D产品生成

1.4.1 DOM生成

基于实景三维模型，自动化分块输出高精度的正射影像，为最大程度保存影像信息，设置分辨率为最高分辨率。在此基础上，利用遥感图像处理软件对分块影像进行镶嵌，再按照生产要求的网格尺寸进行重采样，对于个别遮挡区域、漏洞区域进行人工修补,最终生成大比例尺DOM，。

1.4.2 DLG生成

在EPS 平台调用三维模型OSGB 瓦片数据，利用实景三维模型和DOM 进行数字化测图，采集房屋、道路、河流、地貌等地物要素信息采集，同时赋予要素属性，完成DLG 制作。对于模型中遮挡区域，进行野外补测。对DLG 主要地物要素，采用如下方法进行采集：4

（1）井盖、篦子等点状地物，如井盖，篦子，按照中心定位法在中心位置进行采集。

（2）道路、河流等线状地物，通过倾斜摄影三维模型结合纹理信息，采用直接法直接识别线性地物的类型及其走向，从而快速拾取道路、斜坡、陡坎等线性地物的平面位置、高程等信息。

（3）植被等面状地物，通过识别倾斜摄影三维模型结合纹理信息，采用直接法判断植被范围面，通过采集范围线完成植被的采集工作。

（4）居民地，针对实景三维模型的居民地建筑物具体情况进行采集，对独立建筑物利用自动搜索建筑物边缘进行识别，对密集建筑物，利用相交法、距离延长法进行采集，对于模型顶部清晰、边缘界限不清情况，利用模型叠加DSM 进行采集。内业识别楼层层数及建筑结构信息。

1.4.3 DEM生成

传统的航空摄影方式生成DEM，通过恢复立体像对，采用立体眼镜、手轮脚盘等设备进行特征点、线采集，费时费力。无需佩戴立体眼镜，采用清华山维科技公司的EPS 3DSurvey 三维测图系统根据实景三维模型数据进行特征点、线采集。利用所有的特征点和特征线构建三角网，完成DEM生产工作。

（1）根据DEM 产品尺寸确定格网间距，基于模型自动提取高程点和等高线。

（2）在模型中对提取的高程点和等高线进行检查。同时，对遗漏的反映地貌特征的点进行特征点采集。

（3）采集时，注意贴合地面进行采集，以免造成误差过大。

（4）遇地形变化大情况，高程点不能表达的，进行特征线采集。

2 研究实例

2.1 研究区域概况

本区域为廊坊某个县级城市,面积为31.88km2。区域内高速公路、国、省、县、乡级公路纵横交错，交通十分发达，给测绘工作带来一定困难。

2.2 多角度影像情况

采用搭载五台4240 万像素传感器倾斜相机的多旋翼无人机进行倾斜摄影，根据区域的形状和范围，分为9 个分区，航线按南北方向敷设。航向重叠80%，旁向重叠70%。根据测区范围最高建筑物情况，飞行高度200米。

进行像控点提前布设，利用GNSS-RTK 技术进行像控点测量。共计完成像控点264 个，坐标系为CGCS2000，中央经线为117 度。获取多角度影像数量65195张。分辨率为3.9cm,最高可达2.4cm。

2.3 实景三维模型情况

对海量多角度影像根据分布情况和集群计算能力进行分区处理。本次分为6 个分区。每个分区大概片数在一万张左右。

对6 个分区分别进行空三加密。利用Context-Capture

软件进行原始影像、相机参数、pos 文件导入。软件自动进行关键点提取、像对选择、初始化外方位元素、连接点匹配、控制点参与光束法平差、色彩均衡等步骤来完成空中三角测量。6个分区，像控点的最大重投影差为0.76个像素，控制点的最大平面位置中误差为0.012m，最大高程中误差为0.018m。

空三加密后，利用ContextCapture 软件自动纹理映射进行三维模型生产，输出模型纹理清晰的三维瓦片。利用多节点集群计算，瓦片大小为200m，共计1570个瓦片，用时15天。

2.4 3D产品及质量情况

基于实景三维模型，进行3D 产品的生产。共计生成1:2000 地形图20 平方公里，折合标准图幅20幅。1:500 地形图4 平方公里，折合标准图幅66 幅。共完成1:2000 DEM，45 平方公里，折合标准图幅45幅。共完成1:1000 DOM，45 平方公里，折合标准图幅156幅。投入人员9人，用时折合150人天。

随机抽查30%左右的DLG产品，采用外业散点方式检查精度。共检查平面位置点294 个、高程点208个。经计算，点位中误差为13.9cm。高程中误差为11.7cm。随机抽查30%左右的DEM，12 个图幅。对DEM 进行散点检查，共检查高程点653 个，高程中误差为14.4cm。随机抽查30%左右的DOM，40 个图幅。与DLG 做套合的方式检查几何精度，套合精度高于2个像元，均未发现较大的变形和偏移。

经质量检查，3D产品均满足规范要求。