第八师团场部倾斜摄影三维建模示范应用项目实施方案

赵志刚 王志翔

摘要：开展数字城市三维地理信息系统的研究，将三维可视化和信息查询与管理技术应用于数字城市建设中，对于决策者、设计师和用户对城市景观现状和规划设计蓝图有生动、直观的了解和更深刻的认识，从而拓宽城市规划、设计和管理人员的视角，使城市规划、基础设施设计更加科学化，对于城市可持续发展研究有重要意义。

关键词：摄影测量；倾斜摄影；三维建模

0、引言

数字城市三维模型由于其在城市规划、地籍管理、旅游、交通及环境仿真等领域显示出了巨大的潜力， 已成为众多领域研究的热点。三维模型是以三维的手法进行建模，模拟出一个三维的建筑场景效果，规划者可以模拟在数字场景中任意游走驰骋、飞行缩放，达到一种惟妙惟肖变化多姿的动态视觉效果，对规划及参观者来说是一种全新的体验，并能产生强烈的共鸣。

1、项目区概况

新疆生产建设兵团第八师，含石河子市。 区域总面积7529平方公里。八师和石河子市实行一个党委，政企分设，部门合一的体制。八师管辖18个团场、2个河系管理处和160多家工交建商企业，其中预算内企业35家。石河子市辖5个街道办事处和一镇、一乡。

2、现状及发展趋势

常用的影像数据大多只有地物顶部的信息特征，缺乏地物侧面详细的轮廓及纹理信息，不利于全方位的模型重建和场景感知。当前三维模型数据的制作主要有航测法、地面激光雷达扫描方法、DEM加正射影像法等。传统航空航天摄影测量、地面激光雷达扫描两种方法若想要创建比较真实的三维模型，都需要后期大量的人工工作，较大型的城市想要建设三维模型，成本很难控制，倾斜摄影测量因此成为近年来国际上发展十分迅速的一项高新技术。

倾斜影像（oblique image）是指由一定倾斜角度的航摄相机所获取的影像。倾斜摄影技术是国际测绘遥感领域近年发展起来的一项高新技术， 通过在同一飞行平台上搭载多台传感器，同时从垂直、倾斜等不同的角度采集影像，获取地面物体更为完整准确的信息。

3、项目意义

倾斜摄影测量随着我国城市化进程的快速推进，精细化的三维城市模型作为城市规划、建设、管理和信息化的基础数据，得到了日益广泛的应用并逐渐成为城市空间数据框架的重要内容。倾斜摄影技术将基于立体像对和点特征的传统摄影测量技术推向了一个新的高度，即动态的，基于多视影像和对象特征的实时摄影测量技术。

4、目标及预期成果

4.1项目目标。使用无人机倾斜摄影平台搭载倾斜相机进行数据采集，应用更先进、高效的数据处理手段，获取农八师各团场部实景三维模型。

成果目标：获取农八师各团场部WGS-84坐标系统的高分辨率正射影象图，影像几何精度达到测绘级标准，可以在正射影象图上直接量取长度、面积、角度等数学要素。

制作农八师各团场部实景三维模型，建设三维可视系统，三维模型可根据需求的不同建设白膜三维或者带纹理的三维模型。

4.2预期成果

（1） 数字航空摄影原始数据；（2） 空三加密成果；（3） 高精度正射影像图；（4） 高精度数字地表模型；（5） 高精度城市三维模型。

5、技术方案

5.1仪器装备

1）飞行平台。拟选用QC-1型无人飞行平台，该机型机动灵活，不需要专门机场，可以在公路、平地、简易跑道上起飞，并且安全系数较高，空域申请也比大飞机更容易。

2）航摄仪。使用Sony RX1R数码相机组装倾斜摄影系统，Sony RX1R数码相机是Sony公司2013年6月发布的消费级专业相机，相机最大有效像素2470万，最高分辨率6000×4000，相机重量450g。

5.2 倾斜摄影测量关键技术。倾斜摄影测量的基本原理倾斜影像是通过具有一定倾角的倾斜航摄相机获取的，具有如下的特点：（1）可以获取多个视点和视角的影像，从而得到更为详尽的侧面信息；（2）具有较高的分辨率和较大的视场角；（3）同一地物具有多重分辨率的影像；（4）倾斜影像地物遮挡现象较突出。

针对这些特点，倾斜摄影测量技术通常包括影像预处理、区域网联合平差、多视影像匹配、DSM生成、真正射纠正、三维建模等关键内容，其基本原理如图1 所示：

图1 倾斜数据处理基本原理

倾斜影像测量的关键技术

1） 多视影像联合平差 。多视影像不仅包含垂直摄影数据，还包括倾斜摄影数据。多视影像联合平差需充分考虑影像间的几何变形和遮挡关系。结合 POS 系统提供的多视影像外方位元素，采取由粗到精的金字塔匹配策略，在每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，建立连接点和连接线、控制点坐标、GPU/IMU 辅助数据的多视影像自检校区域网平差的误差方程，通过联合解算，确保平差结果的精度。

2） 多视影像密集匹配。影像匹配是摄影测量的基本问题之一，多视影像具有覆盖范围大，分辨率高等特点。因此，如何在匹配过程中充分考虑冗余信息，快速准确获取多视影像上的同名点坐标，进而获取地物的三维信息，是多视影像匹配的关键。

3） 数字表面模型生成和真正射影像纠正。多视影像密集匹配能得到高精度高分辨率的数字表面模型（DSM），充分表达地形地物起伏特征，可以首先根据自动空三解算出来的各影像外方位元素， 分析与选择合适的影像匹配单元进行特征匹配和逐像素级的密集匹配，并引入并行算法，提高计算效率。在获取高密度DSM数据后，进行滤波处理，并将不同匹配单元进行融合，形成统一的DSM。

6、行业应用

目前实景三维地理数据平台已经在城管、公路、铁路、公安、地图服务等行业进行了广泛而深入的应用，下表列举了該技术能够为这些行业“真图”用户提供的一些新的应用点。

7、结语

倾斜摄影技术是解决传统的航空和卫星遥感对侧面的三维重建有效解决手段，并有效控制后期创建真实三维模型的成本。

参考文献：

[1]倾斜摄影测量技术综述

[2]基于倾斜摄影的三维城市建模

[3]机载倾斜摄影数据在三维建模及单斜片测量中的应用