倾斜摄影在实景三维中国建设项目中的应用

关键词：倾斜摄影；实景三维中国；基础地理实体；实景三维模型；精细化模型

中图分类号：P231 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2024）36-0110-03"开放科学（资源服务） 标识码（OSID） ：

0 引言

近年来，随着航天航空技术的迅速发展和导航定位精度的不断提高，无人机应用范围不断扩展，在各个行业展现出巨大的应用潜力，例如无人机植保、无人机送快递、无人机空投救援物资以及无人机灭火等[1-3]。无人机摄影测量技术在测绘领域发挥着越来越重要的作用，其中倾斜摄影因其获取的影像数据更加丰富，在解算过程中拥有更多约束条件，从而得到精度更高、更可靠的成果[4-5]。倾斜摄影在农村房地一体项目中也展现出巨大的应用潜力。基于倾斜摄影获得的高精度实景三维模型，可以直接用于采集房角点和界址点，并通过模型的丰富信息获取房屋的结构和层数等信息，从而减少入户调查工作量，并基于实景模型完成指界确权工作，显著提高房地一体登记确权发证的效率[6-8]。在旅游行业，基于倾斜摄影获取高分辨率、逼真的实景三维模型，将其制作成视频并发布在旅游App客户端，可以让用户足不出户体验景点，对景点的推广具有积极作用。实景三维中国建设项目是继数字城市、智慧城市之后，我国又开展的一项重要的全国性项目。本文首先介绍了倾斜摄影，然后概述了实景三维中国建设内容，最后以某城市项目为例，探讨了倾斜摄影在实景三维中国建设项目中数据生产的流程。本文的研究可以为实景三维中国建设项目中数据的生产方式提供参考。

1 倾斜摄影

无人机航空摄影是指在无人机上搭载航摄仪，从空中对地面进行拍摄，获取航摄影像数据，并利用专业的解算软件对影像数据进行处理，最终得到符合测绘精度要求的航摄成果[9-10]。倾斜摄影作业原理与无人机航空摄影类似，但搭载的镜头更多，获取的影像角度更广，影像信息更加丰富，并且一般在低空飞行，因此获取的影像分辨率更高。在倾斜摄影中，一般采用搭载5个镜头的倾斜相机，其中4个下视相机和1个侧视相机分别从侧面和顶部采集地物信息。如图1所示，为无人机搭载5镜头倾斜相机获取影像时的示意图。

基于倾斜摄影，可以制作得到实景三维模型、数字正射影像、数字线划图、数字高程模型等多种测绘产品，应用范围更加广泛。

2 实景三维中国建设内容

实景三维中国建设项目的目标是，到2035年，建设全国地级以上城市和有条件的县级城市的实景三维模型，模型精度优于5 cm，并生产丰富的测绘产品，包括数字高程模型、数字表面模型、基础地理实体、数字正射影像、精细化三维模型等。旨在从国家层面到地方层面实现基础数据全覆盖，为国家政府部门提供可靠的基础测绘成果。基于此，本文采用倾斜摄影，对实景三维中国建设项目中基础数据的生产流程进行了深入研究。

3 案例应用

某市在开展实景三维中国建设项目时，根据项目需求，决定采用倾斜摄影来完成基础数据的生产。基于倾斜摄影生产实景三维中国基础数据的作业流程如图2所示。

3.1 倾斜影像数据的获取

倾斜影像数据的获取主要包括两个步骤：航线规划和航空摄影作业。作业前，需要利用专业的航线规划软件，根据航摄分辨率的要求，结合相机的焦距和作业区地形，设置航摄参数，并自动生成无人机作业轨迹数据。如图3所示，为航迹大师软件规划本次航线时输入的参数。

航线规划完成后，将规划好的航线上传飞控系统，控制无人机按照航线进行影像数据的采集。采集过程中，飞控系统控制多个相机同时曝光拍照，并记录下视相机曝光时的位置和姿态，用于后期影像数据的高精度解算。

3.2 空中三角测量解算

空中三角测量，也称为空三加密，是指利用影像特征信息，采用同名点检测与提取算法，对重叠区域相同地物的坐标进行提取，然后结合航摄相机参数，对提取的点进行纠正，得到整个任务区域的空三加密点。此时的加密点为相对坐标，其坐标系统与参与运算的POS坐标系统一致。对于测绘应用，需要将坐标系统转换到大地测量坐标系统下，引入控制点对空三加密点进行坐标转换，该步骤称为平差调整。完成空三加密点平差调整后，需要检查空三精度，确保各控制点精度符合要求，然后方可用于后续数据的生产。本次作业需要生产实景三维模型和数字高程模型，因此需要两套空三加密成果：一套包含所有镜头的空三加密成果，用于实景三维模型的生产；另一套只包含下视镜头的空三成果，用于数字高程模型的立体编辑。

3.3 实景三维模型数据的生成

实景三维模型的生产基于空三加密成果，利用空三加密成果的少量加密点，采用多视影像密集匹配技术，生成稠密的点云数据，该点云数据能够准确反映地形变化。然后利用不规则三角网算法对密集点云进行抽稀构网，生成互不交叉、互不重叠的三角网。结合影像和三角网顶点之间的关系，对三角网面片进行自动纹理映射，最终得到实景三维模型成果。本次模型生产过程中，结合项目需求，将三维模型重建坐标系统设置为与控制点坐标系统一致，模型分块大小为100m×100m的正方形平面分块，模型输出格式为OSGB。模型输出参数设置完成后，提交重建任务，启动引擎，完成实景三维模型数据的生产。如图4所示，为本次生产的部分实景三维模型成果。

3.4 数字表面模型数据的制作

数字表面模型（Digital Surface Model，简称DSM） 是指用数字表达物体表面形态的集合。通俗地说，数字表面模型就是利用坐标点来反映地物的实际高程状态。例如，通过DSM可以直观地看出楼房、河流的分布以及地物的高低起伏变化。本次数字表面模型的生产直接基于实景三维模型，在立体环境下，通过恢复的立体像对，对房屋点进行编辑，解决投影差问题，将属于房屋的三维点编辑到真实位置，最终得到符合要求的DSM成果。

3.5 数字高程模型数据的制作

数字高程模型（Digital Elevation Model，简称DEM） 是指用一组有序数值阵列形式表示地面高程的一种实体地面模型。通俗地说，数字高程模型就是利用坐标点来反映地形的高低起伏变化。在DEM编辑过程中，需要将房屋、树木、电线等地物的三维点编辑到地面上。本次DEM产品的制作，首先利用下视镜头的空三加密成果，将其恢复到立体编辑软件中，然后通过立体像对构建的立体模型，选中房屋、树木等地物，将鼠标高程贴合到地面上，然后一键压平，就可以得到编辑后的DEM成果。如图5所示，是DSM和DEM的对比效果图。

3.6 数字正射影像的制作

数字正射影像的生产基于下视镜头对应的空三加密成果和编辑后的DEM成果。利用DEM成果对航摄影像进行数字微分纠正，得到分辨率与实际地物相符的单张影像。基于DEM成果，结合重叠区域影像，自动生成镶嵌线并进行自动镶嵌，最终得到完整的带有真实测量坐标的数字正射影像成果。对于房屋错位等问题，通过人工干预编辑镶嵌线，避开带有投影差的地物，对影像进行局部更新，最终得到表征质量符合要求的数字正射影像成果。按照标准分幅图框对镶嵌后的影像成果进行分幅处理，得到符合项目要求的分幅数字正射影像。

3.7 精细化三维模型制作

倾斜摄影虽然可以从多个角度采集地面影像，但由于树木、屋檐等的遮挡，会导致影像存在盲区，即航摄盲区。由于缺乏可靠的影像匹配，航摄盲区区域的模型通常存在结构拉花、纹理映射错位等问题，影响模型整体质量。因此需要对这类模型进行精细化处理。不可靠的点云会导致构建的三角网与实际地物结构不符，造成模型变形。这类模型通常采用两种方式进行修饰处理。一种方法是使用修模软件对三角网进行编辑和重构，并重新映射和编辑纹理，得到精细化模型。另一种方法是使用单体化软件，基于实景模型或虚拟立体模型，采集建筑物结构轮廓，并利用建筑物和影像之间的对应关系，完成影像纹理的自动映射。对于映射错误的纹理，联动专业的修图软件进行修饰处理，得到单体化精细模型。本文使用模仿软件对结构发生变形的建筑物进行结构重建，重新映射并编辑纹理，最终得到了精细化三维模型成果。如图6所示，是某一建筑精细化处理前后对比图。

3.8 基础地理实体数据的制作

基础地理实体可以通过数字线划图进行转换得到，数字线划图可以基于航空摄影方式生产。基础地理实体由点、线、面、体和语义化部分组成，是实景三维中国建设中非常重要的基础数据成果。本次数字线划图生产和转换使用南方测绘iData软件。利用该软件加载模型数据，选择500比例尺模板库，基于实景三维模型采集地形图，并利用完善的质检模块对地形图成果进行质检，解决地形图存在的拓扑等错误问题，得到符合要求的数据库成果。通过语义化处理，为地物附上属性，得到基础地理实体数据成果。

4 结束语

本文介绍了倾斜摄影，并简要阐述了实景三维中国建设基础数据的类型。重点探讨了倾斜摄影在实景三维中国建设基础数据生产中的应用。本研究可为实景三维中国建设项目中基础数据的生产提供参考。