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倾斜摄影测量在智慧城市建设中的应用

学术期刊发表网 位置:理工论文 时间:2022-04-12 09:22 (12)

摘要:摘要: 为解决传统智慧城市建设中获取基础地理数据成本高、难度大的问题,采用倾斜摄影测量方式生产基础地理数据,分析了基础地理数据的获取和实景三维模型成果在智慧城市中的应用,包

  摘要: 为解决传统智慧城市建设中获取基础地理数据成本高、难度大的问题,采用倾斜摄影测量方式生产基础地理数据,分析了基础地理数据的获取和实景三维模型成果在智慧城市中的应用,包括数字高程模型( DEM) 的制作、数字线画图( DLG) 的制作、数字真正射影像图( TDOM) 的制作和实景三维模型的制作,为智慧城市建设者提供思路,以改变作业模式,提高作业效率,降低生产成本。

  关键词: 倾斜摄影测量; 智慧城市; 应用

  Abstract: In order to solve the problems in traditional smart city construction,such as the high cost and great difficulties in basic geographic data,the study gets basic geographic data through tilt photogrammetry,analyzes the acquisition of basic geographic data and the application of real-world 3D model results in smart cities,including the production of DEM,DLG and TDOM and real-world 3D model,to provide ideas for smart city builders,change the operating mode,improve operating efficiency,and reduce production costs.

  Key words: Tilt photogrammetry; Smart city; Application

倾斜摄影测量在智慧城市建设中的应用

  倾斜摄影测量是近年来迅速发展起来的一项测绘 新技术,是在飞行平台上搭载一台或多台相机,同一时 间从多个不同角度采集照片数据,获取地面物体更为 准确的数据信息[1],在测绘领域发挥着重要的作用, 尤其是在智慧城市建设中的应用,更是不可或缺。倾 斜摄影数据处理主要包括多视影像空中三角测量、控 制点的转刺与平差、多视影像密集匹配、不规则三角网 ( TIN) 构建、白膜生成、纹理映射、格式转换和贴图输 出等[2]。基于倾斜摄影技术可以得到高精度的实景 三维模型、高精度数字表面模型、数字线划图和真正射 影像。分析了智慧城市的基本特点及倾斜摄影技术水 平与特点,指出了智慧城市建设中需要的基础地理数 据,提出了倾斜摄影测量在智慧城市建设中的应用,为 城市建设者提供有效的参考和借鉴。

  1 智慧城市建设概况及特点

  智慧城市起源于传媒领域,是运用信息和通信技 术手段感测、整合、分析城市运行过程中各个行业的关 键信息,是新一轮信息技术变革和知识经济发展的产 物,它能够完美地将工业化、城市化与信息化深度融 合[3]。智慧城市建设可提高人们生活水平,为人们提 供更多的现代化资源,充分发挥资源共享、线上办公等 优势,提高生活质量。

  2 倾斜摄影测量技术

  倾斜摄影测量技术是近几年发展起来的一项测绘 新技术,其是在飞行平台上同时搭载多个相机,通常搭 载 5 个相机,其中 1 个相机垂直于地面,其余 4 个相机 与地面存在一定的夹角,通常为 45°,以获取尽可能多 的侧视纹理信息,从多个角度采集照片数据,有效减少 视角盲区。倾斜摄影较传统摄影来说,最大的区别是 挂载的相机个数和获取影像的方式不同。垂直摄影是 挂载一个相机,垂直于地面进行影像获取,其重叠度一 般要求较低; 倾斜摄影有 1 个相机是垂直地面获取影 像的,其余 4 个则是以一定的角度获取影像。假设在 获取影像时,下视相机是完全垂直地面的,侧视相机与 下视相机之间夹角为 45°,这样从空中进行拍摄时,侧 视相机获取的影像中心到地面对应点的中心之间的距 离是 1. 41 倍的垂直距离,如果 5 个相机焦距一样、像 元大小相同,获取影像时,其分辨率理论上相差是很大 的,这样不利于后期数据的处理和应用。相机焦距、地 面分辨率、像元大小和相对航高之间应满足以下公式:

  H = f* GSD / a ( 1)

  上式中,H 是相对航高,通常是指飞机距离地面的高度,f 是相机焦距,在摄影测量中,相机焦距是一个 规定值,GSD 是获取的地面影像分辨率,a 是像元大 小,也就是将 CCD 成多个矩形,其中一个矩形的边长, 通常是个正方形,边长相同。由式( 1) 可以看出,在相 机选定后,地面影像分辨率只和相对航高有关系。在 倾斜摄影中,多个相机都是固定在一起的,所以通过改 变相对航高来调整影像分辨是不可行的。像元大小由 CCD 和分割数量决定,为了便于数据解算,像元大小 是相同的,要想保证倾斜相机和侧视相机获取的影像 分辨率一致,需要对相机焦距进行调整,也就是常见的 5 拼相机,下视焦距是 35 mm,侧视焦距是 50 mm。为 了保证安全,减少因遮挡带来的视角盲区,智慧城市项 目通常采用长焦距方式获取影像数据,以确保飞机飞 行高度,避免碰撞到高层建筑物。

  2. 1 倾斜摄影作业流程

  倾斜摄影作业主要分为两部分,即外业数据获取 和内业数据处理。外业数据获取主要包航摄前的资料 收集,任务区勘察和控制点、检查点测量,无人机空域 申请,航线规划和影像数据航飞。内业数据处理主要 包括数据预处理、工程创建和完善、空中三角测量解 算、对影像密集匹配和密集点云生成,基于密集点云构 建不规则三角网 TIN,同时自动筛选高质量纹理并精 准映射到 TIN 模型上,自动化完成精细实景三维模型 重建工作,打破基于正射影像的局限性。也可快速输 出任意分辨率的真正射影像图、数字表面模型基础地 理信息产品,高效灵活利用倾斜三维模型完成地理信 息 3D 产品( DOM、DEM 和 DLG) 的生产。其主要作业 流程如图 1 所示。

  2. 2 倾斜摄影测量软件

  瞰景 Smart3D 软件。该软件是上海瞰景科技推出 的实景三维建模软件,其可以一次性对 10w 张以上影 像进行空三解算和三维模型生产,空三精度高,模型成 果质量好,格式多,支持多机集群作业和一机引擎多开 等。在相同配置下,其解算效率较其他软件高,能够高 效完成任务,节约时间。基于实景三维模型,可以获取 高分辨率、高精度的数字真正射影像成果。模型成果 可以导入多个测图软件来生产数字线划图成果,也可 在模型上直接获取特征点和特征线,用来反演生产数 字高程模型成果。 大疆智图软件。该软件是大疆公司推出的一款集 航线规划和建模于一体的测绘软件,具有同步进行数 据获取和数据处理的特点,可用于应急项目,通过无人 机在空中作业,电脑端获取影像数据进行处理,即可获 得对应的实景三维模型,其空三速度、模型生产速度较 瞰景 Smart3D 来说更快,目前新推出的版本也可以进 行集群作业,价格较低,受到了客户的认可。 ContextCapture 软件。该软件是本特利公司的一 款建模软件,其可以集群进行空中三角测量解算和实 景三维模型生产。软件操作简单、易上手,但是当影像 数据大于 1w 张时,空三解算失败率较高且效率较低, 因此在处理大面积作业区时,需要划分较多的作业区, 后期接边工作量大,容易产生接边误差超限等问题,需 要和其他建模软件搭配使用,如使用 photoscan 软件、 Mirauge3D 软件进行空中三角测量解算,将成果导出 后再引入 ContextCapture 进行后续模型生产。 Mirauge3D 软件。该软件是北京中测智绘推出的 一款建模软件,就现有的版本来说,其空三精度较低, 但是大面积空三解算通过率较高,尤其是带状数据的 解算,通过率最高。它主要用来进行初始外方位数据 的解算,将成果抽稀导出后,引入 ContextCapture 软件 进行控制点的转刺,重新进行加密点匹配和平差,在 ContextCapture 中完成后续数据的生产。

  2. 3 倾斜摄影测量特点

  较传统垂直摄影技术来说,倾斜摄影测量能够更 真实直观地反映地物的实际情况,能够让使用者从全 方位、多角度查看地物,弥补了正射影像应用的局限 性。可实现单张影像测量,通过专业软件可生成三维 模型,实现裸眼量测地物高度、长度、宽度等,也可采集 建筑物侧面纹理,大大减少了野外工作量。数据量小 易于网络发布,保证了海量倾斜三维场景的高效数据 转换,实现了快速网络化发布浏览及数据共享。

  3 智慧城市建设基础地理信息内容及获取方式

  基础地理信息数据体系建设以形成数字信息服务 产业模式为目标,通过各种技术手段获取基础地理信 息,进行采集、编辑处理、贮存等[2]。时空信息云平台 是对智慧城市地理信息公共平台的智能提升,主要依托云计算环境,把基础设施、时空信息、功能软件和开 发接口作为服务资源。倾斜摄影测量是智慧城市时空 信息云平台建设项目的核心内容之一,是三维实景模 型生产、DLG 生产、DEM 生产、DOM 生产的基础性和 必备性工作,即 3D 产品的生产。倾斜摄影测量技术 具有超高的分辨率和真实性,能够真实还原地表实际 状况,详尽地表现出地物的种类和位置。通过实景三 维模型成果可实现分类查询、规划设计、控高分析、规 划压平、方案对比、日照分析、立面图设计、摄像头安装 与监控、科普知识宣传、直观展示自然风光,为智慧城 市的进一步应用提供强有力的保障。

  4 倾斜摄影测量技术在智慧城市中的应用

  4. 1 数字高程模型( DEM) 的制作

  数字高程模型是智慧城市建设中的重要的基础地 理数据,为城市实景三维模型的建设和各种工程设计 提供了基础成果。目前我国只有少量城市使用了格 网,尺寸为 2 ~ 25 m,建立了一定范围内的数字高程模 型成果,格网高程精度为 0. 25 ~ 2. 0 m[4]。倾斜摄影 测量系统能够提取大范围的数字高程模型,DEM 获取 有两种方式: 一是利用平差后符合精度要求的空三加 密成果,自动匹配生成 DTM,在第三方软件中进行编 辑点云。二是通过人工采集或已有的 DLG 数据中的 等高线、高程点及特征点导入立体模型,生成 DEM。

  4. 2 数字线画图( DLG) 的制作

  数字线画图是城市建设主要的形式之一,可用于 城市基础地理信息数据库产品化加工,能够满足地理 信息系统所需的各种空间分析要求,被视为智能数 据[2]。它的表现形式多种多样,与 DOM 可以叠加形 成正射影像地形图,与 DOM、DEM 叠加形成立体地形 图或数字地面模型。DLG 生产以倾斜摄影测量的实 景三维模型为底图,一般情况下,城市使用的大比例尺 地形图数据成果,倾斜摄影测量技术均可以满足[5]。

  主要获取方式有两种,一是利用数字正射影像和数字 高程模型进行叠加,得到高精度的带有纹理信息的数 字表面模型,二是直接利用生产的实景三维模型。两 种方式都是直接将三维模型成果导入到第三方裸眼测 图软件,如易绘、EPS、SV365 等软件中,在裸眼环境下 进行数字线画图的采集。对于大比例尺地形图来说, 可直接在模型上进行屋檐改正,利用前方交会对无法 采集的房角等进行采集,提高模型精度,充分减少了外 业工作量,缩短了项目任务周期。

  4. 3 数字真正射影像图( TDOM) 的制作

  数字真正射影像图是根据数字高程模型对中心投 影的航摄影像进行纠正处理,消除投影差的垂直投影 的影像地图[6],主要获取方式是利用集群化全自动数 据处理系统和数字高程模型成果,对数字航空影像进 行微分纠正,通常采用双线性内插法或双三次卷积内 插法重采样。数字微分纠正后的单片正射影像,以空 三加密区为单元,在软件中自动选取镶嵌线,达到快 速、批量成图,成果为一幅总图。

  4. 4 实景三维模型的制作

  实景三维模型是通过高精度的三维地理坐标和真 实的地表影像数据,构建真实地表三维模型,是“一张 皮”模型,主要表现形式是通过计算机或其他视频设 备进行显示,主要获取方式是利用 Bentley 的 ContextCapture Center 软件,利用平差后符合精度要求的空三 加密成果,通过自动提取密集点云,重建三角网,自动 映射纹理,指定模型输出格式,得到实景三维模型。自 动化生成的三维模型由于原始数据等问题,存在模型 漏洞、地面起伏不平、空中悬浮物等问题,为了模型美 观,展示效果好,要通过漏洞填补、悬浮物删除、压平等 手段对其进行处理。

  三维模型对水域约束建模的方法。由于水是弱纹 理要素,不易提取加密点,因此一般生产的三维模型都 是大面积漏洞,呈现支离破碎的状态,需要对这种漏洞 进行填充。常规填充方法不能填充大面积孔洞,因此 需要通过约束建模来完成水域填充。约束建模思路是 通过谷歌浏览生成的三维模型,沿水域画面范围保持 高程和水面高程一致,导出并保存范围面,引入建模软 件,利用水面约束,令水域自动建模,以获取平整的 水面。

  5 结语

  智慧城市建设是实现我国城市智能化管理的基 础。探讨了智慧城市建设的基本内容,对倾斜摄影技 术进行了分析,将其应用于智慧城市建设中,促进智慧 城市的发展。

  参考文献:

  [1] 魏军,曹琴 . 基于倾斜摄影采集立面图方法的研究[J]. 数字技术 与应用,2020,38( 01) : 46,48.

  [2] 马友苗 . 浅析倾斜摄影测量在智慧城市中的应用[J]. 地矿测绘, 2019,10( 05) : 29 - 30.

  [3] 张富华 . 摄影测量在数字城市建设中的应用[J]. 北京测绘,2005, 4( 04) : 1007.

  [4] 叶达忠,文静,叶柑兰 . 低空倾斜摄影测量作业流程及技术要求 [J]. 企业科技与发展,2018,( 05) : 74 - 75.

  [5] 王蒙 . 倾斜摄影测量用于 1: 500 测图技术研究[J]. 测绘与空间地 理信息,2018,41( 11) : 191 - 194.

  [6] 孙亮,夏永华 . 基于无人机倾斜摄影测量技术测绘大比例尺地形 图的可行性研究[J]. 价值工程,2017,( 08) : 1006 - 1008.

  作者:高建彩

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