SWDC-5Ap在大比例尺城市三维模型建设中的应用

孙 恺

(山东省国土测绘院, 山东 济南 250013)

0 引言

数字城市为城市规划、智能化交通、网格化管理和服务,是信息时代城市和谐发展的重要手段[1]。数字城市展现方式之一就是三维数字城市模型,将三维模型经过软件加工形成三维地理信息系统,得到一种真实、直观的三维虚拟效果。利用倾斜摄影平台快速获取多角度影像,已成为当前空间数据获取的有效方式之一,尤其是在城市三维建设等领域有独特优势[2]。杨荣帮利用倾斜摄影研究三维城市建模[3],曾妮红等、令狐进等利用倾斜摄影测量技术进行城市建筑区的快速获取[4-5],陈家惠在倾斜影像的三维城市建模影像筛选的研究成果[6],夏正清等基于倾斜模型的国土空间信息管理系统研究[7],曹海春利用消费型倾斜无人机进行城镇三维重建[8],程俊等用SWDC-5系列获取倾斜影像数据[9],刘力荣等研究SWDC-5定位定姿方法以及倾斜纹理自动配赋[10-11]。需求的不断提升与技术的持续发展,促使设备也在不断升级。

SWDC-5Ap数码航摄仪是四维远见公司生产的新型航摄仪,能够快速获取倾斜影像,适用于通航固定翼飞机、直升机等多种搭载平台,能够满足各类倾斜摄影需求。

1 SWDC-5Ap系统特点及技术优势

SWDC-5系列航摄仪,是最早推出的国产倾斜摄影仪,通过1个垂直摄影和四个倾斜摄影相机拍摄获得多角度影像。

1.1 系统主要参数

系统主要参数如表1所示。

表1 SWDC-5Ap技术参数

1.2 主要的技术优势

(1)适应性强,可更换不同焦距镜头;

(2)单机像素可达到1.5亿,大大提高了航摄效率;

(3)快门速度高达1/4 000 s,曝光间隔快至0.9 s,既提高工作效率又保证航摄质量;

(4)高集成度,高自动化,可集成国内外不同品牌的POS及座驾,为用户组合升级提供便利;

(5)配有自动升降台装置,使得飞行平台灵活选择,常规飞机+轻小型飞机;

(6)自主研发了航线设计、飞行控制、数据预处理等一系列软件,为数据采集提供全方位服务。

2 倾斜影像获取方案

根据任务要求,在遵守国家航空航天遥感影像获取相关规范的基础上,结合SWDC-5Ap倾斜摄影系统性能,指定最佳摄影方案。

2.1 倾斜摄影技术流程

依照生产顺序首先确定摄区范围及摄影分辨率,之后安装设备执行航摄计划,最后解算POS提交影像,倾斜摄影技术如图1所示。

图1 倾斜摄影技术

2.2 倾斜摄影关键步骤

2.2.1航线设计

四维远见公司独立开发航线设计软件,首先根据任务要求进行区域外扩,满足倾斜摄影要求,外扩距离如公式1所示。

w=h×tan(40°)

(1)

式中，w为外扩距离；h为航高；40°为倾斜相机的倾斜角度,该外扩距离能够保证旁向最外侧航线的倾斜镜头能够拍摄到摄区内的地物。

其次计算重叠度时考虑地形要素,使每张相片满足设计要求,最后根据参数进行航线设计及参数输出。

2.2.2航飞执行

使用四维远见开发的操作屏进行航飞执行,首先导入设计文件,其次上传飞行参数,包括水平偏航、高度偏航、旋偏角度等,最后根据任务进行飞行作业。全程一体化操作,可以根据空域及飞行要求进行及时修正。

2.2.3数据预处理

根据下载后的影像数据及日志文件,处理每个相机文件,进行重新编号,利用地面基站进行定位定向系统(Position Orientation System,POS)差分解算,整理资料并汇交。

3 倾斜影像数据处理方案

完成倾斜影像获取后进行数据处理,三维模型构建主要包括相对定向、绝对定向、模型创建等步骤,三维模型构建技术流程如图2所示。

图2 三维模型构建技术流程

(2)特征点提取与匹配,提取影像中的特征点并与相邻像片进行匹配。

(3)相对定向,匹配后建立的自由网进行平差计算,提出错误点,保留高精度点位。

(4)像控测量,在图像中标记出地面点位,要求刺点照片点位显示清晰,刺点准确。

(5)绝对定向,利用部分像控作为定向点、部分像控作为检查点,进行平差计算。

(6)模型构建,完成空三加密绝对定向后,模型具有真实大地坐标,利用软件进行模型构建。

4 栖霞倾斜影像获取实例

为支持智慧城市时空大数据平台省级试点建设,要求获取栖霞城区约80 km2、分辨率0.03 m倾斜影像。

同一视图两节点之间的关系比较直观易懂，下面针对跨视图两节点之间的关系进行详细描述，将图1中装配流程的每个节点视为一个任务(不考虑图1中虚框表示的拆卸节点)，用符号“↔”表示跨视图两节点间存在关联关系：

4.1 航线设计参数

根据任务要求及摄区情况,将摄区划分为1个分区,航线方向设定为东西方向敷设,共计96条,航向重叠及旁向重叠均为75%,航线设计参数如表2所示。

表2 航线设计参数表

4.2 直升机搭载平台

本次飞行使用AS350B3直升机作为搭载平台,主要技术参数如表3所示。

表3 AS350B3直升机性能参数

由于设备无法安装与机舱内,所以设计制作了平台支架将航摄仪安装在机舱外,并在另一侧添加配重,保证飞行负载均衡,航摄仪安装如图3所示。

图3 SWDC-5Ap安装图

4.3 数据预处理

4.3.1数据下载

原始影像数据采用最新固态硬盘,关机后直接插拔带回即可,POS数据日志文件均可一键完成下载。

4.3.2POS差分解算

将地面基站数据与机载POS数据进行差分解算,获得每张像片的外方位元素。

4.3.3飞行质量检查

根据飞行日志及差分解算后POS文件数据,对航线重叠度及影像旋偏角进行检查。

4.3.4影像质量检查

查看影像有无丢片、漏片,色彩、饱和度等情况,查看有大面积无云、烟情况。

经上述检查,摄区覆盖完整,重叠度符合要求,飞行质量良好;影像清晰,层次丰富,色差适中,色彩饱满,影像质量优良。

4.4 三维模型建设

4.4.1区块划分

由于栖霞摄区较大,难以一次完成全区空三加密,首先进行区块划分。

4.4.2相对定向

通过POS辅助进行特征点提取与匹配,之后进行平差计算,剔除错误加密点。

4.4.3像控测量

使用RTK测量外业控制点,导入数据,人工选取图像对应位置进行标记。如图4所示。

图4 像控测量

4.4.4精度检测

倾斜影像最终数据成果用于城市三维模型建设,为保证后期成果精度,该摄区共布设像控点311个,检核点102个,根据设计要求进行空三加密并检测精度。

表4为某个区块空三精度统计表,从表4中可以看出,平面位置及高程精度约为1个像素,说明SWDC-5Ap航摄仪用于3 cm倾斜影像获取可以满足后续建模要求。

表4 栖霞市倾斜影像空三加密检查

4.4.5模型创建与修饰

根据空三加密成果,设置空间框架及瓦片大小。

4.5 成果展示

某学校三维模型成果如图5所示。

图5 倾斜摄影成果截图

5 结束语

本文以栖霞市智慧城市建设为例,分析了SWDC-5Ap数字航摄仪技术优势,研究其用于大比例尺倾斜影像获取的技术流程,并对成果数据进行了检验分析。成果表明,基于直升机搭载SWDC-5Ap数字航摄仪,获取影像质量优良,精度符合设计,其成果能够满足城市三维建模需求。