基于倾斜摄影测量技术的数字城市地理空间框架建设

摘要：随着地理信息系统、全球定位系统、遥感技术的不断发展，以地理空间信息为基础的数字城市地理空间框架建设也从二维平面平台向三维立体可视化应用方向发展。应用三雏数据可以对城市社会资源、基础设施、自然资源、人文及经济领域的信息和内容进行直观的了解．为城市信息的综合应用提供良好的支持。文章探讨了利用倾斜摄影测量技术进行三维数据采集，并将其用于数字城市地理空间框架建设，从而为城市发展提供有力的数据支持。

关键词：数字城市；倾斜摄影；实景三维；地理空间框架

中图法分类号：P208 文献标识码：A

１ 引言

随着我国城镇化进程的快速推进，城市人口、规模和经济都在不断发展，这对城市综合管理及服务能力提出了严峻的考验，因此城市数字化建设应运而生。数字城市地理空间框架建设是利用倾斜摄影测量技术等对城市信息进行全面采集，根据统一标准对信息进行加工并制作出多样的地理信息产品，最终建立一个公共服务平台，实现地理空间信息的发布与共享，从而促进社会治理。

２ 倾斜摄影测量技术

作为测绘领域最新的技术成果，倾斜摄影测量技术突破了传统摄影测量只能使用单镜头数码相机对地观测的限制，由４ 个呈４５°角的倾斜高清镜头和１个垂直高清镜头组成倾斜摄影测量相机，单次拍摄可同时采集５ 张不同方向的照片，通过与大载重的多旋翼无人机配合，应用ＣＭＯＳ 传感器技术进行信息的获取，得到最原始的数据，经过数据空中三角测量、影像拼接、三维重建等处理，可以获得实景三维模型、数字正射影像图及全景影像图等多样化的地理信息成果［１］ 。相较于传统测绘方法，倾斜摄影测量技术具有数据采集周期短、成本低廉以及安全性强等优势，在自然资源调查、电力巡线、灾害治理、数字城市建设等领域得到了广泛的应用。

３ 项目应用

３．１ 项目概况

本文数字城市地理空间框架建设项目区域为广西三江侗族自治县建城区，城区沿寻江两岸而建，地势平坦，外围为高山地。该项目需获取城区５１．３ ｋｍ２

的高精度实景三维模型、５ ｃｍ 分辨率的数字正射影像图、１ ｍ×１ ｍ 格网间距的数字高程模型、２０ 个地质灾害易发区和隐患点的全景影像图、３ ｋｍ２ 的１ ∶５００ 比例尺地形图等数据。该项目采用成都纵横ＣＷ１５ 垂直起降固定翼无人机进行大面积倾斜影像采集，利用大疆Ｍ６００ 型无人机对高楼、景区特殊建筑进行小范围倾斜影像采集，选用成都睿铂的ＤＧ３ 型五镜头相机为倾斜模块，成像效果能够保障项目设计的精度。

３．２ 技术设计

项目采用２０００ 国家大地坐标系，高斯⁃克吕格正形投影按１．５°分带，中央子午线为东经１０９°３０′，高程基准采用１９８５ 国家高程基准，对测区的气候、地形进行分析后，开展无人机倾斜摄影数据获取工作，同时利用广西ＣＯＲＳ⁃ＲＴＫ 进行像控点采集，然后对原始数据进行空中三角测量即可制作实景三维模型、数字正射影像图、数字高程模型、地质灾害点全景图、地形图等地理信息成果（如图１ 所示）。

３．３ 项目实施

根据测量区域已有的图像资料，在测区踏勘的基础上进行航线设计，结合分区的地形条件、航摄基高比及影像用途设置匹配的摄区地面分辨率和重叠度，该项目按照优于３ ｃｍ 的地面分辨率进行航摄，重点区域按照优于１．５ ｃｍ 的地面分辨率进行航摄，航向重叠度为７０％，旁向重叠度为７０％，完成各分区航飞后需检查影像是否清晰明亮，是否存在漏片、照片过亮过暗等异常情况。

为控制测量精度，需在测区均匀布设像片控制点和检查点，布设密度为３００ ｍ～４００ ｍ，采用多基站网络ＲＴＫ 连续运行卫星定位服务系统（ＧＸＣＯＲＳ），选取交角良好的细小线状地物交点、明显地物折角顶点、影像小于０．２ ｍｍ 的点状地物中心等明显目标进行布设。

３．４ 空中三角测量

倾斜摄像测量的空中三角测量计算每个相机属性信息及每张影像的位置和角元素的信息，用来执行三维重建。对航摄像片原始数据进行预处理后，利用Ｃｏｎｔｅｘｔ Ｃａｐｔｕｒｅ 软件进行自动匹配并获取所有像片连接点，当自动匹配出现问题时，采用人工刺点方式进行加点，保障连接点距离影像边缘不小于１５ 个像素，然后进行自由网平差，将坐标残差中误差大于０．７ 个像素的连接点剔除，再对像控点展开刺点，进行绝对定向与区域网平差，确保控制点、自动连接点、检查点及高程值与模型高程中误差均不超过２ 个像素，平差合格即可导出影像对应的相机参数、影像的外方位元素及对应的坐标系信息等空中三角测量成果。

３．５ 地理信息成果制作

３．５．１ 实景三维模型制作

根据空中三角测量成果恢复建模环境，选择最优候选影像组成像对，采用影像的密集匹配，实现地物表面的密集点云，点云能够表达地物表面如细状物体、杆状物体、边缘地物点等细节纹理，利用三维点云可计算出三维三角网表面，其表面的几何模型和拓扑关系都能与原始模型匹配，对每个三角形面片选择最优映射纹理，得到附着纹理的Ｍｅｓｈ 数据。

原始的Ｍｅｓｈ 模型存在扭曲、拉花、变形、粘连、漏洞等问题，根据不同等级的精度要求对地形、建筑、交通、植被、水系、地上管线设施、场地等要素进行踏平、补全、删除编辑，可得到色调均勻、层次分明、完整表达的实景三维模型（如图２ 所示）。

３．５．２ 数字高程模型制作

基于实景三维Ｍｅｓｈ 模型采集地形特征点、地形特征线、水系边界线、高程推测区等特征数据，采集过程特征点重点采集中山头、洼地、鞍部、沟心、谷底等，特征线重点采集山脊线、山谷线、变坡线、陡坎，以及堤坝、沟渠等上沿、下沿线，兼顾模型接边，在图幅接边处保证特征线无缝接边，然后进行数字高程模型编辑与拼接，对非地面高程区域进行滤波编辑，将林地、建筑物、桥梁、水体等地表高程降至地面［２］ 。编辑后的区域需与周围环境进行合理过渡，消除局部高程异常，以模型为单元对数字高程模型进行拼接，在拼接完成后，对拼接效果进行核查，必要时可反复编辑或拼接，最终采用特征数据构建不规则三角网按照１．０ｍ×１．０ ｍ 格网间距内插格网点的方式生成数字高程模型。

３．５．３ 数字正射影像图制作

基于空中三角测量成果及倾斜下视影像，利用定向参数和数字高程模型数据，采用微分纠正方法对影像进行正射纠正，纠正后对像片单张数字正射影像的影像质量进行检查，对影像中出现的影像模糊、错位、扭曲、变形、漏洞等问题利用Ｐｈｏｔｏｓｈｏｐ 软件进行修复。为保证整个测区正射影像的密度、反差、色调的一致性以及整个测区正射影像色彩的协调，采用全自动和人机交互相结合的方式，通过对各种不同地貌的影像增强算子进行影像局部处理或批量快速处理，消除单张影像内或者多张影像间的色差，以实现全测区影像色调一致。最后，采用特征探测算法，对匀光调色后的影像进行自动拼接，通过调整拼接线，可以避免直接穿越道路、桥梁和电线等线状地物，保证线状地物连贯性，并根据调整后的拼接线即可生成测区数字正射影像图［３］ 。

３．５．４ 地质灾害点全景图制作

在地质灾害点使用无人机定点定高进行拍摄，并选择最能反映周围场景信息的高度进行定点定高３６０°全景式拍摄，相片间重叠度保持优于５０％，在拍摄时选取光照最为均匀时段进行，获取全景影像后使用ＰＴＧｕｉＰｒｏ 后期处理软件进行全景拼接，该软件自动化程度高，能通过人机交互形式快速地拼接，将平面图片变为全景地图，把二维的平面图模拟成真实的三维空间，用于虚拟现实浏览。最后，利用Ｐｈｏｔｏｓｈｏｐ软件对全景图进行最终修饰，将影像栅格锯齿状边缘修饰为弧形边界，消除拉花、空洞、错误、重影、明显颜色差异及分割现象，同时标绘易发区范围红线，即可得到测区内２０ 个地质灾害点全景图。

３．５．５ 数字线划地图制作

在测制数字线划地图时，采用的是先内后外的作业模式，即先在实景三维模型上采集、判读地形要素，再经外业核查、补充调绘获取内业无法获得的要素属性信息和内业无法获取的被遮挡地物要素信息，在补充外业调绘成果的基础上，内业可以进行修测，从而制作数字线划地图数据。

利用实景三维模型进行数据采集的顺序是：首先，利用ＣＡＳＳ ３Ｄ 测图软件对居民地及其房屋附属等面状地物进行绘制；其次，绘制城市中的城市道路、河流、桥梁、沟渠、围墙等线状要素，再繪制路灯、路标、污水篦子、消防栓等点状要素；最后，在测区均匀标测高程点构建不规则三角网，通过等值点内插生成等高线，在绘制过程中若无法辨别实景三维模型，则需标绘外调［４］ 。

４ 精度评价

依据《倾斜数字摄影测量技术规程》要求，空中三角测量区域网平差结束后，１ ∶５００ 比例尺平地基本定向点残差平面位置、高程限差分别为０． １１ ｍ 和０．１６ ｍ，１ ∶５００ 比例尺平地检查点误差平面位置、高程限差分别为０．１５ ｍ 和０．２１ ｍ。本文采用广西ＣＯＲＳ⁃ＲＴＫ 在测区内角度交叉口、房屋拐角、场站标线等明显特征点采集了４６２ 个像控点及１５４ 个检查点，经检测，测区基本定向点平面及高程残差分别为０．０７ ｍ 和０．１２ ｍ，检查点平面及高程中误差分别为０．１１ ｍ 和０．１６ ｍ。从检测结果分析，利用倾斜摄影测量技术对数字城市地理空间框架建设地理信息数据进行获取，其数学精度能满足相关规范要求。

５ 结束语

倾斜摄影测量技术具备较快的作业速度与大范围高精度的测绘能力，同时能够生产出多元化的地理信息产品，通过项目实例验证了其在数字城市地理空间框架建设中能满足数据获取需求。随着城市现代化、信息化与管理和服务水平的提高，数字城市地理空间框架将是未来城市发展与建设的重点，倾斜摄影测量技术也必将在其中发挥越来越重要的作用。

参考文献：

［１］ 孙宏伟．基于倾斜摄影测量技术的三维数字城市建模［Ｊ］．现代测绘，２０１４，３７（１）：１８⁃２１．

［２］ 赵林．基于倾斜摄影测量技术的三维数字城市建模研究［Ｊ］．山西建筑，２０１７，４３（２１）：１９７⁃１９９．

［３］ 张平，刘怡，蒋红兵．基于倾斜摄影测量技术的“数字资阳”三维建模及精度评定［Ｊ］．测绘，２０１４，３７（３）：１１５⁃１１８．

［４］ 徐红．基于倾斜摄影测量技术的三维数字城市建模［Ｊ］．地球，２０１６（８）：２４７．

作者简介：董明辉（１９８９—），本科，工程师，研究方向：无人机低空摄影测量、实景三维模型建设、激光雷达系统测绘。