航空摄影测量技术在构建数字城市中的应用

2023-11-19任正昊

智能建筑与智慧城市 2023年9期

任正昊

（北京洛斯达科技发展有限公司）

1 引言

当前，数字化测绘技术已经得到了快速发展，不仅提高了测绘效率，而且还提高了测绘数据的质量。数字化测绘技术包括很多方面，其中航空摄影测量技术在数字化测绘中占据着重要地位，它通过获取地面三维立体模型确定地物的空间位置和形状，能反映出地形地貌的空间分布和形状特征。航空摄影测量是一种非接触式的测量方法，不需要任何仪器设备，具有较高的安全性，应用领域广泛。航空摄影测量主要包括航空摄影计划和航摄航线的设计。

2 航空摄影测量技术基本概念

航空摄影测量技术是指通过飞行器在空中对地面进行摄影，获取反映地面状况的航空影像数据的一种技术，它可以为城市规划、地质勘探等提供准确的数据信息，为数字城市的构建提供支撑。

航空摄影测量技术是以数码相机作为传感器，在机载平台上对影像数据进行采集，同时将影像数据传送至计算机中进行处理。这种技术可以实现对地面信息的快速采集，并且具有成本低、效率高、采集速度快等优点[1]。数字影像数据主要包括航空影像数据和卫星影像数据。其中，航空影像数据主要包括全色、多光谱、多角度和多光谱等类型，其质量和分辨率都非常高。

3 数字城市构建意义

数字城市建设与传统城市建设有很大区别，数字城市以电子计算机技术和通信技术为基础，在数字地图上对信息进行采集和处理，并对城市运行情况进行实时监控。数字城市在构建过程中不仅需要与传统测绘技术相结合，还需要与计算机网络技术相结合，以实现数据信息的有效处理和分析，从而促进城市规划、交通运输等工作的开展。数字城市建设具有较强的综合性，且在构建过程中不受地理位置和环境因素影响，具有较强的灵活性。

4 常见航空摄影测量技术

4.1 数字航摄仪CityMapper2

数字航摄仪CityMapper2 是一种新型航空摄影仪，其混合传感器同时拥有6 台1.5 亿像素相机，能实现全地形环境高密度点云应用。相比于上一代CityMapper，CityMapper2 的传感器性能更高，像素达到了1.5 亿，故CityMapper2 的采集效率是上一代设备的两倍。CityMapper2 独特的激光雷达单元具有强劲的2MHz脉冲，这也是CityMapper2能做到全地形应用的关键，即依靠激光雷达单元，CityMapper2 实现了无测距盲区，在获取全地形数据效率方面，更是上一代设备的三倍。CityMapper2的控制器及存储系统也完美地集成到主镜头中，系统的安装和操作更加简便。

CityMapper2 在现代航空摄影测量等相关领域得到了广泛使用，其中就包括了数字城市建设。

4.2 IMU/DGPS辅助航空摄影测量

IMU/DGPS 辅助航空摄影测量，即利用GPS 卫星定位系统来确定航摄时的位置信息，根据IMU/DGPS提供的坐标信息，确定航摄中物体的位置和姿态，并进行航摄处理。IMU/DGPS 辅助航空摄影测量技术可应用于各种类型的航空摄影测量中。

IMU/DGPS辅助航空摄影测量是在航空摄影测量系统中嵌入IMU/DGPS 模块，并与航空摄影测量系统相结合。该模块主要包括陀螺仪、加速度计和气压高度计等设备。采用GPS 技术进行导航定位时，需要考虑其在空中坐标系中的位置坐标，因此需要先对GPS 卫星进行定位，并根据其相对于地面的位置来确定飞行高度。这两种技术通过相互配合可以实现对飞行高度的控制，从而保证了对飞行中物体的实时监控。IMU/DGPS辅助航空摄影测量系统具有较高的自动化程度和自动化水平，但其对飞行环境要求较高。

4.3 LIDAR激光测高扫描

LIDAR 激光测高扫描技术是一种高精度、高效率的新型测绘技术。在目前的城市测绘中，通过LIDAR 激光测高扫描系统获取地面点云数据，可以快速准确地获得地形表面、植被信息。LIDAR 激光测高扫描技术可以快速获得大量地面点云数据，能实现对城市基础设施建设、道路改造、大面积地表形变监测、房屋建筑、水系等各种物体形态信息的实时监测。通过对LIDAR 激光测高扫描数据进行分析和处理，可以实现对地面地形表面、植被特征等的自动分类，并能快速获取地面物体三维信息，为数字城市建设提供更准确的测绘成果。

4.4 三维建模技术

三维建模技术是一种以计算机技术为核心的新兴技术，可以为数字城市的建设提供各种数据资源。在进行三维建模时，首先需要将地形地貌数据信息整合到计算机中，然后在计算机上对其进行仿真模拟，通过将现实世界的各种形态数据经过软件处理后构建出相应的三维模型，最后将模型以数字图像格式进行保存。在数字化城市建设过程中，通过对数字城市地理信息系统的建立和完善，可以更好地为数字城市建设服务[2]。因此在进行数字城市建设过程中，应加强对三维建模技术的重视。通过将地理信息系统与数字城市地理信息系统相结合，可以实现对城市地理信息数据进行动态监测和管理。

5 航空摄影测量技术应用

5.1 技术选型

随着计算机技术的不断发展，三维建模技术也在不断更新。现阶段三维建模主要分为影像建模、激光雷达建模两种。

激光雷达建模方法利用激光雷达点云数据构建出模型，该方法具有精度高、效率高、自动化程度高等优点。由于激光雷达的精度较高，所以模型能满足实际要求。但这种方法也存在一些缺点，比如需要提前进行地面控制点的布设工作，从而增加了生产成本；激光雷达点云数据量较大，需要耗费大量时间进行数据处理；在建立模型时需要专门的设备进行扫描。

影像建模方法主要包括纹理贴图和自由曲面两种方式。其中纹理贴图是在空中三角测量过程中获取的建筑物、树木等地物纹理信息，利用这些信息可以制作出真实的纹理图像。贴图制作出的模型具有一定真实感，但是贴图成本较高。自由曲面建模利用多视影像制作出模型，不仅能够降低成本还可以提高效率。由于自由曲面模型具有一定真实性，所以能够满足大多数用户需求[3]。但是自由曲面建模需要人工干预，并且难以实现自动化操作，而且建模时间较长。

结合上述，影像和激光雷达的三维建模方法都有其自身特点和优点，但目前一般建议选择激光雷达建模。

5.2 技术应用

5.2.1 事前准备

在进行三维建模之前，应该先建立区域控制点。控制点是三维模型构建过程中最为基础的数据信息，同时也是其重要组成部分，通过建立合理的控制点，可以保证模型构建结果的正确性。

选择合适的飞行时间，在进行三维建模过程中，选择合适的飞行时间十分重要。一般来说，在进行飞行时间选择时，应该结合实际情况确定最佳的飞行时间。

进行数据采集和整理，在进行三维建模之前需要先对所获取数据进行处理，然后再将其转换为可以使用的格式。在进行数据采集时需要注意对其类型和数量等方面进行详细分析，这样才能保证所获取数据具有较高质量和完整性。

设置好航飞参数，在航飞参数设置方面应该注意两个方面，一个是对航线长度和高度差等方面进行设置，另一个是对航线之间的间隔距离、飞行时间等方面进行设置。

检查三维模型是否完整以及是否存在严重误差等方面，在建模过程中必须要确保其所有信息都是准确真实可靠的，并且必须要保证其所有信息都是一致完整的。

5.2.2 数字高程模型、数字正射影像图与真正射影像图制作

数字高程模型是以地面高程为依据，采用数字图像处理技术和计算机图形学等相关技术，将地表高程信息转换成数字化的图形信息，并在计算机上进行显示、编辑和分析。在城市规划和设计中，如果需要准确地表达出地面的地物高度，依靠该模型可以为城市规划提供准确的数据信息，给城市建设、城市规划提供必要的依据。

数字正射影像图制作包括影像数据的采集和处理、影像数据的拼接、空中三角测量、数字高程模型制作等工作。在采集数据时，应注意采集精度和时间的配合。当数字高程模型数据采集完成后，需要对其进行拼接，以避免在图像处理时出现重叠区域，影响图像质量。

真正射影像图制作，先要进行外业调绘，建立正射影像图测区的控制点成果表；然后进行内业数字高程模型（DEM）制作和外业正射影像图的裁切与编辑处理。利用DEM和DSM制作正射影图。然后利用数字高程模型（DEM）数据，通过自动或半自动处理方法，获得精确的数字表面模型（DSM），最终进行正射影像图裁切和编辑处理。

5.2.3 三维建模

三维建模技术是将图像和数字模型结合的技术，它利用计算机对图像进行处理，然后利用数字模型对图像进行分析和研究。在这一过程中，要对图像进行拼接，然后将图像的各个部分分离出来，然后对这些分离出来的部分进行建模即可。

5.3 成果应用

以数字城市的地理信息系统建设场景为例，使用航摄技术获取信息，然后建立三维模型，利用三维模型可对地物进行快速测量。过程中，由于空间数据具有一定的完整性和连续性，因此可以利用其建立地物数据库[4]。依靠数据库，先在航摄资料的基础上构建立体像对，后通过多视图处理方法进行立体建模，由此通过三维立体模型获取地物数据，并对其进行综合分析。