山地城市中倾斜摄影测量技术研究及应用

罗忠平 何应豪 李 阳

重庆市万州区规划设计研究院 重庆 404000

倾斜摄影测量技术颠覆了以往正摄影像只能从垂直角度拍摄的局限，通过在飞行平台上搭载多台传感器，同时从多个不同的角度采集影像。由此获得的倾斜影像不仅能够真实地反映地物情况，而且还能利用先进的定位技术，嵌入精确的地理信息[1]。

近年来，国内外无人机倾斜摄影测量技术快速发展，特别是与全球卫星导航系统（GPS）、惯性测量单元（IMU）等技术相融合[2]，在采集多角度影像的同时能够获取高精度的位置和姿态信息，显著提高了影像匹配效率、几何精度和纹理质量，为快速建立区域性高精度实景三维模型成为可能。相比于传统三维建模，应用无人机倾斜摄影测量技术建模具有数据获取效率高、位置精度高、模型效果更真实、细节更丰富、建模成本更低等诸多优势[3]，已成为城市三维实景建模的重要手段, 在测绘生产和空间信息服务中扮演非常重要的角色。

1 项目概述

1.1 项目背景

2019年6月，自然资源部印发《自然资源“十四五”规划编制工作方案》，提出在“十四五”期间大力推进实景三维中国建设，实景三维将在新型基础测绘中占据重要地位。高精度、高现势性的实景三维数据已成为城市规划、建设、精细化管理、三维展示与应用最基础的底层数据。为满足万州区的城市规划建设、审批管理等工作对实景三维产品等基础测绘产品的需要，我院受万州区规划和自然资源局委托，实施中心城区倾斜三维产品生产。

1.2 测区基本情况

万州区位于长江上游地区、重庆东北部，处三峡库区腹心，属长江上游区域中心城市, 位于东经 107°55′22″～108°53′25″，北纬 30°24′25″～31°14′58″。东临云阳县，南接石柱土家族自治县和湖北利川市，西频忠县和梁平县、北界开州区和四川开江县，以丘陵和山地为主。2021年测区总面积112km2，位于中心城区。测区高差较大，主城内交通便利，房屋密集，车流量大，建筑形态复杂且超高层建筑众多，给航摄工作带来较大影响。测区内天气以云雾天气为主，降水较多，航空摄影作业时间窗口稀缺。

1.3 成果要求

基本精度指标：平面精度、高程精度应优于0.05m。产品的纹理精度：无遮蔽的建筑物楼体外形清晰、表面光滑；能够精确表示各类树木的高度及轮廓；立交桥实景三维其正面及侧面纹理应当达到连续、外轮廓清晰的要求；此外，桥下纹理在最大程度上进行内凹表示；道路实景三维应当消除运动车辆对纹理的影响，使道路的纹理得到均匀、连续、合理的表示。

2 技术路线

2.1 技术路线

测区内海拔从165m至650m，超过100m的超高层建筑众多，为应对较复杂的测区现状和高精度的成果要求，本项目设计采用了飞马D2000搭载D-OP4000倾斜摄影模块的方式进行采集数据，以及相应的影像三维重建和模型单体化处理等技术手段。项目总体技术路线如图3所示。

图1 项目实施技术路线

图2 实景三维用于城市道路建设工程

图3 重点项目三维方案审批

图4 自然资源数据管理

2.2 无人机及载荷

根据项目技术设计要求，项目组选取了飞马D2000型无人机作为飞行平台。通过在该平台使用D-OP4000倾斜摄影模块作为任务载荷，可以实现以下目标：

（1）D-OP4000倾斜摄影模块采用全画幅微单相机凭借在感光面积上的优势，在相同像素条件下成像更好，成像质量更佳；

（2）搭配40mm/56mm镜头组合，较长的焦距组合可以满足高落差等复杂环境下的高分辨率数据获取；

（3）同样的机位下采用同样的焦距和参数进行拍摄，全画幅比APS-C画幅获得的照片视角要广，航摄高分辨率影像时可以使用更快的飞行速度；

（4）RTK高精度实时定位，保持航线稳定性、减少像控点数量、无需地面基站；

（5）变高飞行适应丘陵区域的地形起伏，满足数据采样率要求。

2.3 数据获取

2.3.1 检查点测量

为满足项目中多个环节的处理及检查要求，在测区内选取和实测一定数量的检查点。利用测区内原有高等级控制点求取平面转换参数和高程拟合参数，检查点外业测量和无人机RTK均采用千寻RTK网络服务，以满足项目基准的统一性。

2.3.2 针对复杂地形的航线设计

本项目设计测量范围内的地形复杂多变，为兼顾航飞的效率与质量，采用飞马无人机管家的智航线模块进行航线设计，该模块的智能化及自动化程度较高，航线设计主要依据以下原则：

（1）航摄分区

分区内的地形高差不宜过大；分区内地物景物反差、地貌类型应尽量一致。

（2）确定分区基准面高度

根据飞马无人机管家提供的DEM数据，统计每个分区内最大高程与最小高程，依据《低空数字航空摄影规范》的要求，以及分区地形起伏、飞行安全条件等确定分区基准面高度。

（3）航线布设

敷设航线时根据分区DEM，按照分区范围、设定的地面分辨率和重叠度，飞马无人机管家自动进行计算。虽然有仿地飞行能力，但在航线布设时候尽量根据地形特点保证航线直线平飞，减少航线节点，提高作业效率。在投影差突变的地方提高影像重叠度，以保证陡崖、高层建筑等出现明显漏洞。

2.3.3 无人机飞行作业

为满足成果精度要求，航线设计时采用了较高的数据采样率。倾斜摄影采用2厘米/像素的分辨率，建筑密集区域80%和70%的航向和旁向重叠度。在此条件下倾斜摄影作业的飞行高度为213m。无人机飞行时通过使用千寻网络实时RTK方式直接获取高精度POS信息。

2.4 数据处理

2.4.1 PPK RTK POS融合解算

利用无人机管家“智理图”模块，进行网络PPK预处理，然后进行差分解算，在差分解算中结合各相机的安装角度、飞机姿态以及标记点打标时间进行偏心距改正，解算得到各个相机准确曝光点位置的CGCS2000大地坐标，通过坐标转换软件将CGCS2000大地坐标转换为CGCS2000直角坐标。

2.4.2 基于似大地水准面精化模型的高程转换

本项目POS数据采用“千寻位置服务”测量，所得POS成果高程为大地高H，需要将大地高转换为正常高h，二则之间的差异称为高程异常，利用我院在中心城区进行大面积平面和高程数据成果，选择曲面高程拟合得到像控点和POS的正常高。经过验证该方法获得的正常高精度满足大比例尺测图要求。

2.4.3 空三解算和三维实景模型构建

根据解算得到的高精度POS数据，以中心投影的共线方程作为平差的基础方程，将POS成果作为带权观测值，进行整体平差，求解每张影像的外方位元素。在完成影像空三解算后，利用Context Capture软件导入空三解算成果，经过影像密集匹配、密集点云构三角网、白模生成以及纹理映射等步骤完成三维实景模型。

2.5 精度评价

为验证本次建模的精度水平，在测区范围内均匀采集特征检查点，分别对模型进行平面、高程精度检核。经过计算得到，检查点平面中误差为0.0300m，高程中误差为0.0500m，模型精度满足项目设计书要求和规范。

3 成果应用

为满足我区规划和自然资源局相关规划和项目审批要求，我院向中科图新定制了《空间信息三维辅助分析系统》，结合实景三维成果的高现势性、高精度的特点，在城市的各项建设管理工作中具有十分广泛的应用前景和较高的应用价值。

3.1 市政建设

实景三维模型能够精准反映现状底物地貌情况，因此可以为城市建设提供精确基础数据。我院生产的万州区中心城区的实景三维数据成果在高峰园市政道路修建工程中得到了应用。该工程在设计阶段利用BIM模型和实景三维模型叠加，因此可以实现工程多方案进行对比，精准评估项目与当前环境的协调性，进而可以达到优化设计方案整，提升设计质量的目的。

3.2 规划管理

在城市规划中利用实景三维数据辅助规划重点项目报建审批工作。通过将规划报建三维模型和现状的实景三维模型进行叠加展示，实现真实场景下的设计方案评审和对比，从而确保建筑之间能形成高低错落、疏密有致的城市空间形态，实现优化城市空间的目的。本项目的实景三维成果目前已用于万州区的重点项目规划报建工作，取得了良好的效果和社会效益。

3.3 乡村振兴

实景三维数据作为基底数据，结合实景三维建模，高精度高清晰的还原模型，可用于重点建设项目、重点区域的三维精细场景动态展示和高仿真三维可视化模拟，能以极具真实感的光影效果展示乡村振兴建设前的原始场景和规划后的效果场景。

3.4 自然资源管理

目前万州区正在搭建由智慧医疗、智慧交通、智慧物联等集合而成的智慧万州，计划将城市的地理实体数据、物联感知数据等融合于一体，根据需求构建出服务国土空间规划、自然资源调查监测、自然资源政务服务等的智慧基础数据，服务与自然资源管理。

4 总结展望

项目的顺利实施得力于D2000无人机和D-OP4000倾斜摄影模块在实景三维生产中的巨大优势。该设备操作性简便、飞行稳定、定位精准、数据获取效率高等特性，能有效满足各类地理场景生产需要。通过多个实景三维项目的实施，我院也得出了如下经验和期望：

（1）利用千寻网络直接获取无人机的高精度CGCS2000大地坐标后转换为直角坐标，结合本地的水准面精化模型进行解算，并结合飞行姿态数据解算出每个相机单独的POS数据，有效提高了空三质量，大大提高了模型的精度，通过项目试验，能够真正实现免像控作业，提高工作效率。

（2）典型的山地城市高差较大，地形起伏不平，利用全画幅、长焦距的航摄相机能够解决山地城市中超高层建筑三维模型破顶，同时也解决了由于投影差过大地面分辨率不足的情况。

（3）实景三维生产流程中，影像三维模型重建和模型单体化耗时较长的生产环节，相比数据获取手段的高效率，后期处理的速度是当前实景三维生产中的瓶颈和短板。除硬件配置外，模型重建的算法优化、模型匀光匀色、自动单体化水平和效率均是当前亟待解决的技术难题。

（4）实景三维成果在城市规划、建设、精细管理中均具有非常广阔的前景，并且实景三维也是新型三维地理实体体系中的重要组成部分。作为各部门信息化统一的空间基底，搭建开放包容的数据格式，通用各部门各平台的数据资源，在各行业共同深化研究的基础上，深度融合发展将是实景三维的主要发展方向。