倾斜航空摄影在城市建设的应用

摘要：倾斜航空摄影建模逐渐取代传统手工建模，成为安徽省数字城市三维建设的主要技术手段。介绍了单一倾斜航空摄影建模方式和倾斜航空摄影与LiDAR数据相结合建模方式的技术路线，比较了二者的优劣，并展望了倾斜航空摄影建模成果在数字城市地理空间框架建设中的应用前景。

关键词：倾斜航空摄影；数字城市地理空间框架；LiDAR

数字城市以地理空间框架为定位基准，集成城市自然、社会、经济、人文、环境等综合信息，基于网络基础设施实现城市信息的广泛共享，代表了城市信息化的发展方向，是推动整个国家信息化的重要手段。数字城市地理空间框架既是一个城市的空间基础信息平台，也是国家空间数据基础设施的基本组成部分，是信息集成的载体和数字城市不可或缺的基础支撑。安徽省自2008年启动数字城市地理空间框架建设以来，地级市的建设已接近完成，不少地市已开始进行更新维护和数字县域的建设工作。在建设和更新的过程中，应不断采用新技术、新方法，以提升建设效率、扩大应用范围。倾斜航空摄影技术作为一种重要的新技术，逐渐在安徽省得到了广泛应用，并取得了良好效果。倾斜航空摄影是在同一飞行平台上搭载多台传感器（目前多为五镜头相机）获取地物信息的新型航空摄影方式。与传统航空摄影不同，它采用5个镜头同时获取下、前、后、左、右的影像数据，并配合惯导系统获取高精度的位置和姿态信息，再通过特定的数据处理软件进行处理[1-2]。倾斜航空摄影除了可生产4D数据外，更可通过高分辨率的倾斜影像从不同角度获取地物的结构和纹理信息，再利用后期专业软件实现自动化建模。相较于传统人工建模方式，该方法可真实还原现实世界，模型精度高，模型尺寸精准可量测，实用性相对更强；效率上也非传统人工方式可比，对于山峰、复杂建筑等人工建模难以完成的地物均可很好地建模还原[3]。同时，一次航摄可获取三维、DOM、DEM、DLG等多种数据产品，非常适合在数字城市地理空间框架建设中使用[4]。在安徽省数字城市地理空间框架建设中，六安市和黄山市率先使用了倾斜航空摄影技术，但所采用的技术路线有所区别。六安市采用机载多角度倾斜航空摄影系统、机载激光扫描系统对约63km2的范围进行航空摄影，获取全市高精度三维倾斜影像数据和DEM；再利用武汉华正的真三维快速构建平台建立覆盖全市的真三维场景，把一个真实的全视角的三维立体六安展现在政府部门和社会公众面前。黄山市仅采用多角度倾斜航空摄影系统对主城区和黄山风景区进行航空摄影，再利用Bentley公司研发的ContextCapture全自动三维建模软件生成三维模型。ContextCapture软件无需LiDAR数据辅助，代表了全球相关技术的最高水准。本文比较了两种方法的技术流程和成果，以期在数字城市地理空间框架建设和更新中更好的应用。

1倾斜航空摄影结合LiDAR数据建模

六安市是安徽省首个在数字城市建设中使用倾斜航空摄影建模技术的城市，2014年采用倾斜航空摄影与LiDAR数据相结合的方式完成了主城区63km2的三维场景建设。之前的城市普遍采用人工建模方式，六安市在总结之前城市经验时发现，人工建模造价高，周期长，数据精度差，除了浏览并无太多实用价值，所以选择了已经成熟的倾斜航空摄影建模技术。六安市采用机载多角度倾斜摄影系统SWDC-5获取建模区域的倾斜影像，测区航向重叠度为60%，旁向重叠度为50%，倾斜摄影不仅能得到地物的顶部纹理，而且可采集到地物的侧面纹理；采用LiDAR扫描系统ALS60获取测区的激光点云，格网分辨率为0.65m，通过对采集到的LAS文件进行处理，可得到建筑物的几何模型。六安市以获得的倾斜影像和激光点云为基础，经过数据预处理、点云模型优化、真三维模型自动生成、真三维纹理自动映射等步骤获取了真三维成果数据，技术路线如图1所示。激光点云数据的介入是这一技术路线的特点，将LiDAR点云数据处理技术与传统的航空摄影测量数据处理技术相结合，共同完成三维精细建模，形成优势互补。由于建筑物表面的特征非常明显，有利于LiDAR技术进行测量，经验表明一般城市LiDAR点云数据的绝对精度保持在0.15m，甚至更高，这样的数据精度保证了其在城市建模项目中应用的可行性。利用LiDAR扫描设备获取测区点云数据后，不仅能准确、快速地获得建筑物高度，还能通过点云生成的DSM自动生产模型数据[5]。对比单一倾斜航空摄影方式的建模方法，地面分辨率均为8cm的航片，由于LiDAR点云数据的介入，其几何完整性和精度都要高出很多（图2）。然而，采集LiDAR点云数据将大大增加经济成本，不仅外业采集成本增加，内业数据处理工序也相对复杂，需要更多的专业化软件支撑，自动提取的建筑物点云数据边缘呈颗粒状，也需投入更多的人力进行干预，将建筑物边缘还原为本来光滑整齐的形状。

2单一倾斜航空摄影建模

黄山市是安徽省第一个完成数字城市地理空间框架建设的城市，2010年建设时采用传统人工建模方式完成了核心城区25km2的三维模型建设。鉴于传统人工建模方式的不足，2015年更新时黄山市采用倾斜航空摄影建模技术对核心城区的三维场景进行更新，并陆续制作了屯溪区15km2地面分辨率为8cm的三维模型、屯溪区25km2地面分辨率为4cm的三维模型和黄山风景区160km2地面分辨率为8cm的三维模型。与六安市不同，黄山市以高重叠度的倾斜航空影像为唯一数据源，通过多视角影像的密集匹配，自动建立三维模型；后期通过少量的人工介入，去除自动处理过程中产生的局部缺陷[6]。传统的空三解算无法很好地处理倾斜摄影数据，而多视角影像联合平差需充分考虑影像之间的几何变形和遮挡关系，因此倾斜摄影空三平差处理最重要的是如何将垂直下视影像与倾斜影像进行联合平差。利用ContextCapture软件，结合POS系统提供的外方位元素和相机安装位置关系，可模拟包括倾斜影像在内的所有影像的地表投影范围。采用由粗到精的金字塔匹配策略，在各级影像上进行同名点自动匹配和自由网光束法平差，得到较好的同名点匹配结果。同时，通过建立连接点和控制点坐标文件，结合GPS/IMU信息，实现多视角影像自检校区域网平差迭代计算，通过多次反复联合解算，最终得到符合精度要求的平差结果[7]。ContextCapture软件在三维重建过程中能实现全自动计算，根据内部规则算法，自动选择在对面视角上的最佳像对模型，最终形成三维尺度的密集点云。点云随后自动转换为TIN结构，并将由于图像匹配错误而引起的TIN删除和修复；再根据内在几何关系，对TIN模型进行平滑和优化，达到最佳的三维表达效果。根据三维TIN的空间位置信息，自动寻找最佳视角影像，并完成模型纹理的构建，形成完整且真实的三维模型体。单一倾斜航空摄影建模技术路线如图3所示。与结合LiDAR点云数据的建模方式相比，该方式只需获取单一的倾斜影像数据，成本相对较低，且获取方式更灵活，内业处理工序相对简单、自动化程度高。近年来，随着旋翼无人机、固定翼无人机的快速发展，通过无人机搭载倾斜航摄相机获取高分辨率倾斜影像已成为主流，影像分辨率的提高完全可弥补缺少LiDAR点云数据导致的几何完整性不足，且单一数据源的处理更为便捷，因此发展迅速，已成为倾斜航空摄影建模的主流方式[8]。

3结语

三维城市建模是数字城市地理空间框架建设的重要内容，倾斜航空摄影建模克服了传统手工建模精度差、效率低、实用性差的弊端。本文介绍了倾斜航空摄影建模在安徽省数字城市地理空间框架中的应用，并讨论了两种建模方式的技术流程以及优缺点。今后将重点研究倾斜航空摄影建模三维成果在大比例测图、不动产登记和景区宣传推介等方面的应用，以期更好地发挥倾斜航空摄影技术在数字城市地理空间框架中的应用价值。

作者:赵超 侯恩兵 单位:1.安徽省基础测绘信息中心 2.安徽省智慧城市与地理国情监测重点实验室