倾斜摄影应用于地理国情普查与监测的探讨

薛雁明，周军元，戴 丹，许南茜，李 晓

（ 1.郑州测绘学校，河南 郑州450015；2．湖北省测绘工程院，湖北 武汉 430074；3．湖北省航测遥感院，湖北 武汉 430074；4．武汉金方圆信息技术有限公司，湖北 武汉430074）

1 地理国情普查与监测的概述

地理国情监测是综合利用全球导航卫星定位、航空航天遥感、地理信息系统等现代空间信息、测绘技术，在进行地理国情普查、建立本底数据的基础上，综合各时期测绘与专题成果资料，对相关的地理国情要素进行动态和定量化、空间化的监测，并统计分析其变化量、变化频率、分布特征、地域差异、变化趋势等，形成反映其空间分布及其发展变化规律的监测数据、地图和研究报告等。

在以前的地理国情普查与监测项目中存在一些普遍问题：

1）以往的地理国情普查使用的数据一般为航摄正射影像，这种数据一般是由飞机在使用航摄仪拍摄后处理拼接而成，从正射影像上看，绝大部分房子的顶视图发生了投影变形。

2）由于航摄影像由飞机在高空拍摄，它所生成的正射影像必然存在上层遮盖下层的问题。

3）一般情况下，计算机自动分类提取地表覆盖分类数据，也需要针对分类结果进行人工编辑。这其中自动分类、人工解译其实都是立足于影像色差的判读方式，航摄影像在色差上往往受到影像质量、天气烟雾、光照阴影、人为因素等多种干扰。

4）地理国情普查和监测的技术方案可能已经难以满足现有空间地理信息监测的需求了。比如立交桥，在二维绘图工程中一般遵从“上层通下层断”的绘图原则，但是随着多层立交桥的出现，这时简单的上下层原则已经不适用。

2 倾斜摄影测量三维技术简介

近年来，国内外众多学者在倾斜摄影技术方面已经开展了大量的研究。张祖勋在2004年就提出了计算机视觉的概念[1]；王伟、刘国栋等人在三维城市建筑物建模中开展了应用研究[2,3]；杨久勇等在中国测绘学会2010年学术年会上阐述了倾斜航空摄影的原理与特点[4]；桂德柱、季铮、赵修莉等人在三维模型重建方面进行了研究和论文答辩[5-7]； 李德仁院士提出了智慧地球时代测绘地理信息学的新使命[8]，倾斜摄影技术经过这一段时间的发展，已有一套成熟的航空测绘方面的应用方案。它利用飞行器挂载五向高分辨率照相机从不同角度拍摄目标物体的影像，通过倾斜三维建模软件，由计算机自动构建出目标三维模型，从而获得整个测区的精确模型。

相较于以前的人工建模方案，倾斜摄影建模具有更好的真实感，同时由于使用计算机自动建模，在一定的条件下能极大地节省人力，更适合大规模的自动化建模。

3 实景三维技术针对国情普查的解决方案

武汉金方圆信息技术有限公司（Wuhan GSC Information Technology Co.Ltd.，以下简称“金方圆公司”）结合过去在国情普查方面的技术经验和在倾斜摄影建模方向的研究成果，认为能够以倾斜摄影建模技术为基础，开发适用于地理国情普查和监测的三维地理空间信息系统。

3.1 倾斜摄影三维建模方案

3.1.1 倾斜摄影相机

GSC倾斜摄影相机为金方圆公司自主研发的专业倾斜相机，相较于徕卡等国际厂商的倾斜相机，GSC倾斜摄影相机功能适用、价格低廉，而较之于一些国内的无人机倾斜相机系统，GSC倾斜相机具有更高的分辨率和成像质量。GSC倾斜相机主要挂载于有人直升机和三角翼飞机，比无人机飞行更适合于大面积建模。

相机的影像获取部分由5个数码相机组成（1个垂直摄影相机和4个倾斜摄影相机），并集成机载GPS接收机／高精度IMU，提供每张影像的外方位元素，该相机的成像架构如图1所示。

图1 倾斜摄影相机的成像架构图

3.1.2 三维建模

三维建模流程如图2所示。

图2 三维建模流程图

同时软件还可以根据已经生成的三维模型来生成真正射影像，由于采用对三维模型进行压平处理获得真正射影像，所以不会出现建筑侧面出现在影像上的情况。

3.1.3 基于倾斜摄影三维模型的地理国情内业调绘

传统的地理国情普查手段，包括内业图上绘制和外业调绘。内业绘制即利用航摄的地面正射影像来勾画图斑并赋予属性数据。影像的目视解译除了依据相关参考资料，就只能看色差，根据图上色差来勾画地块边界，一旦碰到地物遮挡和无法确定色差的地方，内业人员无法判定，正射影像本身有其局限性，所以内业无法确定或者有问题的地区需要外业实地调绘。

当内业绘图的基本资料由正射影像换为三维模型时，这一根本问题就有了显著优化，倾斜三维模型除了真实反映原始地物的色差，它还表现了目标高程、形状、纹理等属性，操作者不用到实地就能360°无死角观察地物。在二维影像调绘的过程中，类似于建筑侧面成像、地物影像遮盖、内业地类辨别等都不再成为三维模型调绘的问题。

3.2 倾斜摄影三维模型的精度分析

在广东省的某项目中，金方圆公司利用倾斜摄影进行三维建模，其成果经实地采样检查，样本中15个检查点在X、Y、Z3个方向的标准偏差分别为0.171 m、0.154 m、0.179 m，满足1∶2 000大比例尺成图的要求。

通过对项目过程的分析和总结，得出高精度三维模型的精度控制主要得益于以下方面：

1）高精度GNSS/IMU数据；

2）影像匹配时，结合外方位元素获取到更多有效的特征点。

3.3 三维模型应用于国情普查的优点

实景三维模型应用于国情普查时，其优点如下：

1）倾斜摄影建模方案，相机拍摄自动化、计算机建模自动化。

2）数字模型用于土地调绘的一大成果就是土地可视化，对于非专业人士来说，全国土地调绘的数据成果是较难理解的，即使是对相关知识有了解的人，也要经过一段时间的培训才能清楚地解读图上数据。而有了三维模型，对于外行来说，模型也是真实可见的，易于理解。

3）倾斜摄影建模由于可以给出直接的地物模型，我们在国土调查中难以收集的资料也可以通过相关程序来采集，可以说“模型在手，一切皆有”，这有利于数据的利用。比如耕地坡度数据，国家规定25°以上山地应该退耕还林，但是这个25°判测按常规手段需要外业人员去山地一块地一块地测，对于模型来说一个程序就可以全部提取出来。

4）从数据维护与更新方面来讲，地理国情普查数据讲求时效性，应该定期更新。传统的数字正射影像图、数字线划图因其生产周期长、数据量太大，难以快速维护与更新。而建筑模型只要使用单体化技术，每次维护都是只对需要更新的地物单体进行小范围无人机倾斜建模，将新模型替换旧模型并修改对应的属性层数据即可。同时由于VR技术等 三维技术的发展，数字三维模型的大规模应用即将成为潮流。

5）地理国情普查在正射影像上进行内业解译和外业调查等工作，需要消耗大量的人力物力。而对正射影像解译中遇到的大量问题进行外业调绘，其劳动强度大，工作效率低，劳务费用高，而倾斜摄影方案需要的人工调绘量不及正射影像方案的十分之一，所消耗的时间也大大减少，同时也降低了劳动强度，工作效率大大提高。

4 结 语

实景三维倾斜摄影技术在国内已经有过多项实际项目采用，并广泛应用于测绘、房地产、救灾、智慧厂区、智慧景区等方面，而新时代地理国情资讯方面的需求将会越来越高，采用新技术也将是测绘任务的需求，实景三维倾斜摄影技术应用于地理国情普查可以有效的降低成本，节省时间，取得良好的经济效益与社会效益。