點面結(jié)合的無人機傾斜攝影解決方案在應(yīng)急測繪保障中的應(yīng)用

黃敏兒，南勝，周興華，韓紅，仲偉凡

(1.浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020； 2.浙江省河海測繪院，浙江 杭州 310008)

點面結(jié)合的無人機傾斜攝影解決方案在應(yīng)急測繪保障中的應(yīng)用

黃敏兒1，2*，南勝1，2，周興華1，2，韓紅1，2，仲偉凡1，2

(1.浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020； 2.浙江省河海測繪院，浙江 杭州 310008)

針對傳統(tǒng)無人機正射航測系統(tǒng)的二維局限性和不可量測的問題以及傾斜攝影數(shù)據(jù)處理耗時長無法滿足快速應(yīng)急的難題，提出了點面結(jié)合的無人機傾斜攝影解決方案，在空間和時間上滿足應(yīng)急測繪的要求。以三門縣花橋鎮(zhèn)應(yīng)急演練數(shù)據(jù)為例，融合大范圍固定翼無人機垂直影像和小范圍典型區(qū)域旋翼無人機傾斜影像數(shù)據(jù)，進行點面結(jié)合的點云級融合空三計算和三維建模，在實景模型上進行二三維GIS基礎(chǔ)分析和應(yīng)用分析，區(qū)別對待災(zāi)區(qū)的不同區(qū)域和應(yīng)急救災(zāi)的不同時間段，能夠快速、準(zhǔn)確、全方位、可量測、直觀逼真地描繪災(zāi)區(qū)，滿足了應(yīng)急測繪保障的地理空間信息服務(wù)。關(guān)鍵詞：應(yīng)急測繪保障；無人機；傾斜攝影測量；三維模型；點云級融合

1 引 言

應(yīng)急測繪保障服務(wù)是指“各級測繪行政主管部門為國家應(yīng)對突發(fā)事件提供的測繪保障活動”。應(yīng)急測繪任務(wù)包括“天-空-地”多源數(shù)據(jù)獲取、傳輸、處理、災(zāi)情信息提取、災(zāi)區(qū)專題圖制作、應(yīng)急測繪信息產(chǎn)品分發(fā)與服務(wù)等基本內(nèi)容[1]。應(yīng)急測繪技術(shù)方案有很多種，其中利用無人機進行應(yīng)急測繪是最方便和快捷的手段，其已被廣泛地應(yīng)用于應(yīng)急測繪保障工作中[2～6]。

目前無人機系統(tǒng)在應(yīng)急測繪中應(yīng)用主要獲取災(zāi)區(qū)的高清影像資料和視頻資料，高清影像資料主要通過正射影像圖呈現(xiàn)災(zāi)區(qū)情況，正射影像圖是二維的平面圖(正視)，無法全方位表達空間地物，且信息量有限。視頻資料雖能呈現(xiàn)直觀的災(zāi)區(qū)情況，同樣無法全方位表達空間地物，并且無法量測地物尺寸大小。相比傳統(tǒng)無人機正射航測系統(tǒng)的二維局限性，傾斜攝影技術(shù)突破了主要從垂直視角拍攝的局限，通過在同一飛行平臺上搭載多個角度的相機，可以同時從垂直、傾斜等多個不同的角度獲取同一目標(biāo)的影像，是國際測繪遙感領(lǐng)域近年發(fā)展起來的一項高新技術(shù)[7～9]。傾斜攝影測量將基于立體像對和點特征的傳統(tǒng)攝影測量技術(shù)推向了基于多視影像和對象特征的實時攝影測量技術(shù)[10]，其數(shù)據(jù)成果豐富多樣，主要包括垂直影像、傾斜影像、點云、實景三維模型、單體化三維模型、DOM、DSM，同時在此基礎(chǔ)上衍生出DEM、DLG等成果。無人機傾斜攝影測量技術(shù)正逐步應(yīng)用到應(yīng)急測繪中。然而，傾斜影像處理技術(shù)復(fù)雜，算法不成熟，三維建模處理速度慢，耗時長，即便采用中高端計算機硬件設(shè)備，對災(zāi)區(qū)進行精細(xì)三維建模需要 80 h/km2～100 h/km2，也遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了大面積區(qū)域快速應(yīng)急需求，處理效率問題成為應(yīng)急測繪保障服務(wù)的主要瓶頸。

如何準(zhǔn)確、全方位、可量測、直觀逼真地描繪災(zāi)區(qū)，同時又快速高效地滿足應(yīng)急測繪保障的地理空間信息服務(wù)，成為必須面對的問題。由于從空間上，災(zāi)區(qū)存在重點區(qū)域和非重點區(qū)域，構(gòu)建實景三維模型時，不能一概而論；同時，從時間上，應(yīng)急救災(zāi)分為前期黃金24小時階段和后期評估階段，生產(chǎn)數(shù)據(jù)成果時應(yīng)先后有序。因此本文提出點面結(jié)合的無人機傾斜攝影解決方案，前期提供測繪基礎(chǔ)產(chǎn)品，后期進行點面結(jié)合的點云級融合空三計算和三維建模，并開展二三維GIS應(yīng)用分析，既為力求為浙江省各級政府救災(zāi)工作的開展及決策提供科學(xué)依據(jù)，服務(wù)于災(zāi)中應(yīng)急、災(zāi)后評估、災(zāi)后重建工作。

2 解決方案

2.1 處理流程

為了達到快速響應(yīng)的應(yīng)急需求，應(yīng)急測繪保障的無人機傾斜攝影處理流程，應(yīng)根據(jù)前期黃金24小時階段和后期評估階段作調(diào)整，即選擇重點區(qū)域構(gòu)建精細(xì)三維模型，而非重要區(qū)域構(gòu)建精細(xì)程度較低的三維模型。具體如下：

(1)數(shù)據(jù)獲?。嚎焖佾@取災(zāi)區(qū)的正射影像和傾斜影像，同時將旋翼無人機傾斜攝影系統(tǒng)和固定翼無人機正射攝影系統(tǒng)相結(jié)合，按點面同時作業(yè)，形成多層次互補，完成空地一體化數(shù)據(jù)快速采集，滿足“大范圍災(zāi)區(qū)描繪、小范圍典型區(qū)域重現(xiàn)”的應(yīng)急需求，力求“快速高效”。

(2)數(shù)據(jù)處理：在前期黃金24小時階段，利用正射影像進行災(zāi)區(qū)影像快拼(DOM)，同時利用傾斜影像構(gòu)建重點災(zāi)區(qū)精細(xì)三維模型，爭取第一時間提供災(zāi)區(qū)第一手資料；在后期評估階段，構(gòu)建重點災(zāi)區(qū)精細(xì)三維模型和大范圍災(zāi)區(qū)低精度三維模型的點云級融合三維模型數(shù)據(jù)成果。同時根據(jù)需求疊加點云、DSM、DLG、視頻和已有地理數(shù)據(jù)等成果，對采集數(shù)據(jù)中的關(guān)鍵地物進行數(shù)據(jù)提取，通過快速注記、符號化、地圖整飾、三維模型優(yōu)化等得到應(yīng)急專題圖和實景三維場景。

(3)數(shù)據(jù)服務(wù)：在后期評估階段，主要提供基礎(chǔ)分析和應(yīng)用分析服務(wù)，將實景三維模型和傳統(tǒng)三維模型進行融合，對重點災(zāi)區(qū)的三維模型進行單體化，并進行災(zāi)區(qū)屬性信息入庫與分發(fā)，經(jīng)過處理后通過平臺快速發(fā)布三維場景網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，并結(jié)合平臺中的各種地理信息數(shù)據(jù)，進行應(yīng)急測繪保障應(yīng)用分析。

2.2 技術(shù)路線

點面結(jié)合的無人機傾斜攝影解決方案的具體技術(shù)路線如圖1所示，創(chuàng)新點主要體現(xiàn)在點面結(jié)合的數(shù)據(jù)獲取階段和點云級融合的數(shù)據(jù)處理階段。

圖1 技術(shù)路線

在數(shù)據(jù)獲取階段，“點”是指利用旋翼無人機獲取重點災(zāi)區(qū)的傾斜影像，而“面”是指利用固定翼無人機獲取大范圍災(zāi)區(qū)垂直影像。

在數(shù)據(jù)處理階段，點云級融合指先利用傾斜影像進行空三計算和構(gòu)建精細(xì)三維模型；然后在模型上量取特征點，以傾斜三維模型的特征點來反控制垂直影像，即將特征點作為垂直影像區(qū)域的控制點，然后進行垂直影像的空三計算；再將兩次空三結(jié)果進行合并，根據(jù)情況再一次進行空三計算；最后進行三維建模，同時構(gòu)建重點災(zāi)區(qū)精細(xì)三維模型和大范圍災(zāi)區(qū)粗三維模型。其中三維建模關(guān)鍵技術(shù)，主要分為以下步驟：①建立影像金字塔；②創(chuàng)建相對文件；③生成點云文件；④構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)；⑤整飾三角網(wǎng)，將內(nèi)部三角的尺寸調(diào)整至與原始影像分辨率相互匹配的比例；⑥簡化三角網(wǎng)，降低相對平坦地區(qū)的三角網(wǎng)密度；⑦構(gòu)建三角網(wǎng)中的每個三角形與紋理之間的對應(yīng)關(guān)系；⑧為帶紋理的模型建立多細(xì)節(jié)層次(Levels of Detail，簡稱LOD)，便于優(yōu)化相應(yīng)的文件組織結(jié)構(gòu)；⑨將細(xì)節(jié)層次結(jié)構(gòu)模型轉(zhuǎn)換為輸出格式[11]。

由于垂直影像拍攝視角只有下視方向，低精度三維模型的房屋立面比較模糊。效果如圖3(a)。

3 應(yīng)急測繪保障數(shù)據(jù)服務(wù)

2016年5月12日，2016年浙江省突發(fā)事件測繪應(yīng)急保障演練在臺州市臨海、三門沿海區(qū)域舉行，以突發(fā)洪澇災(zāi)害為演練場景，并成功獲取了核心“災(zāi)區(qū)”三門縣花橋鎮(zhèn)影像分辨率無人機影像(GSD=10 cm)、花橋中心小學(xué)和中學(xué)校區(qū)的影像分辨率的傾斜影像(GSD=5 cm)以及3個區(qū)域的視頻數(shù)據(jù)。最后，利用中高端筆記本(Inter Core i7-4940MX CPU @3.1GHZ，NVIDIA Quadro K5100M，32GB RAM)進行數(shù)據(jù)處理，制作災(zāi)區(qū)快拼DOM，并進行空三計算和三維建模，構(gòu)建 0.6 km2的重點災(zāi)區(qū)三維模型，基本在災(zāi)害24小時黃金救援時期提供第一手資料。

在后期評估階段，構(gòu)建重點災(zāi)區(qū)精細(xì)三維模型和大范圍災(zāi)區(qū)低精度三維模型的點云級融合三維模型數(shù)據(jù)成果，并開展二三維GIS基礎(chǔ)分析和應(yīng)用分析。

成果數(shù)據(jù) 表1

下面以此數(shù)據(jù)為例，展開應(yīng)急測繪保障的基礎(chǔ)分析和應(yīng)用分析數(shù)據(jù)服務(wù)。

圖2 災(zāi)區(qū)快拼DOM

基礎(chǔ)分析使數(shù)據(jù)服務(wù)更加全面、易于管理和共享，但是在應(yīng)急測繪保障關(guān)鍵時期往往由于緊迫性而無法展開，但在后期可以補上。針對演練數(shù)據(jù)進行如下基礎(chǔ)分析：

(1)單體化

“單體化”是指實現(xiàn)三維模型對象的單獨管理，使對象成為是一個個單獨的、可以被選中的實體(Entity)；表現(xiàn)形式可以為用鼠標(biāo)點擊對象時可以不同顏色高亮顯示，可以附加屬性、被查詢統(tǒng)計等。在此基礎(chǔ)上，進行二三維一體化應(yīng)用，進行查詢受災(zāi)房屋、制作專題圖等GIS應(yīng)用。效果如圖3(b)。

(2)網(wǎng)絡(luò)發(fā)布服務(wù)

三維客戶端可直接訪問由服務(wù)器端發(fā)布的三維服務(wù)和數(shù)據(jù)服務(wù)，目前通過兼容WebGL的瀏覽器或者安裝插件，可成功把傾斜三維模型加載到桌面電腦、平板電腦和智能手機，然后進行單體化、屬性查詢、專題圖制作等二三維一體化應(yīng)用分析，同時能夠滿足三維空間分析的各類應(yīng)用需求，能夠滿足協(xié)同救災(zāi)的管理需求。

針對應(yīng)急測繪的時效性、可用性需求，第一時間獲取災(zāi)情，在防災(zāi)減災(zāi)指揮部通常先進行迫切的應(yīng)用分析，典型代表如下：

圖3 應(yīng)急測繪保障GIS數(shù)據(jù)服務(wù)舉例

(1)災(zāi)后房屋損毀評估

傾斜攝影技術(shù)具有多視角、全方位的特點，因此可以使用多角度影像提取房屋的頂部和側(cè)面紋理特征，綜合利用多維度特征檢測房屋損毀區(qū)域，并利用損毀評估模型評估房屋的損毀程度。同時在大場景實景三維模型中，可以通過目視解譯粗略判斷受災(zāi)范圍和倒損房屋。

(2)洪澇災(zāi)害分析

基于傾斜三維模型，能夠完成洪澇災(zāi)害的淹沒模擬分析與洪澇損失預(yù)評估。①淹沒模擬分析：針對洪澇災(zāi)害，總結(jié)當(dāng)前已有的物理模型，選定較為成熟的洪澇水文及水動力模型，并進行模型參數(shù)化表達，在此基礎(chǔ)上定義物理模型的輸入與輸出接口以及數(shù)值解析算法，實現(xiàn)對洪水水位、洪水演進過程的模擬計算；②洪澇損失預(yù)評估：根據(jù)計算所得到的洪澇指數(shù)和風(fēng)險等級，結(jié)合基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)、人口分布、設(shè)施分布、統(tǒng)計數(shù)據(jù)、氣象水文預(yù)警等數(shù)據(jù)信息，在特征庫、模型庫和知識庫的支持下，采用災(zāi)害模擬仿真、二三維可視化等技術(shù)，綜合預(yù)評估洪澇造成的損失情況，生成洪澇損失預(yù)評估產(chǎn)品。效果如圖3(c)。

(3)滑坡泥石流分析

由于傾斜三維模型具有全方位、可量測、分辨率高的特點，可以獲取地物的坐標(biāo)點、長度、寬度、高度、周長、面積、土方量。同時，利用傾斜影像衍生品DSM和DOM，在災(zāi)前DSM和DOM的基礎(chǔ)上，進行滑坡泥石流分析。如圖3(d)所示，根據(jù)滑坡泥石流災(zāi)害損毀災(zāi)情指標(biāo)，構(gòu)建滑坡泥石流綜合災(zāi)情指數(shù)，確定各項滑坡泥石流災(zāi)情指標(biāo)權(quán)重，通過量測滑坡泥石流的長寬高，可以計算出泥石流的災(zāi)害范圍、滾石可能下滑的方向和力量、山體崩塌的方向、沖擊力大小和距離的遠(yuǎn)近，確定災(zāi)情等級，對次生災(zāi)害的預(yù)警工作有了更加翔實準(zhǔn)確的依據(jù)，對于災(zāi)民安置點的選擇、災(zāi)后重建的方案設(shè)計也起到了至關(guān)重要的作用。

(4)道路通達性分析

無人機傾斜攝影具有高效、快速、直觀逼真的特點，傾斜三維模型基本還原真實災(zāi)區(qū)情況。在傾斜三維模型的基礎(chǔ)上，利用基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、行業(yè)統(tǒng)計數(shù)據(jù)等，基于二三維可視化技術(shù)、GIS空間分析技術(shù)，分析區(qū)域道路通達性，同時可以交叉驗證其他數(shù)據(jù)的道路損毀評估情況。效果如圖3(e)。

4 結(jié) 語

無人機傾斜攝影技術(shù)為應(yīng)急測繪保障工作提供了實景三維模型和可靠的測繪產(chǎn)品，點面結(jié)合的無人機傾斜攝影解決方案通過構(gòu)建點面結(jié)合的點云級融合三維模型，在此基礎(chǔ)上進行二三維GIS基礎(chǔ)分析和應(yīng)用分析。從空間上，滿足了“大范圍災(zāi)區(qū)描繪、小范圍典型區(qū)域重現(xiàn)”的應(yīng)急需求；從時間上，滿足了應(yīng)急救災(zāi)的前期黃金24小時階段和后期評估階段的不同要求；既保證了災(zāi)區(qū)全局的掌控，又省時省力，第一時間獲取準(zhǔn)確、全方位、可量測、直觀逼真的災(zāi)區(qū)情況。今后將進行多數(shù)據(jù)源融合的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理工作，為應(yīng)急管理提供更加準(zhǔn)確可靠的數(shù)據(jù)服務(wù)，提升應(yīng)急測繪保障水平。

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The Application on Emergency Surveying and Mapping Service Based on the Vertical and Oblique Image Fusion in Comprehensive and Individual Way

Huang Miner1，2，Nan Sheng1，2，Zhou Xinghua1，2，Han Hong1，2，Zhong Weifan1，2

(1.Zhejiang Institute of Hydraulics & Estuary，Hangzhou 310020，China； 2.Zhejiang Surveying Institute of Estuary and Coast，Hangzhou 310008 ，China)

Traditional UAVs have two-dimensional limitations and non-measurable problems，and the processing time of oblique photographic data is too long to meet the needs of rapid emergency response. Aiming at this problem，the vertical and oblique image fusion in comprehensive and individual way for different time and space is presented，combining the large range of vertical image data of the fixed wing UAV and the small range of oblique image data of the rotor UAV. Taking the data of Huaqiao Town in Sanmen County as an example，automatic aerotriangulation and 3D modeling based on point cloud fusion is carried out，and then following the 2D/3D GIS foundation analysis and application analysis on 3D Model. Finally，with considering the important area and the different stage of emergency surveying and mapping，this method can show the disaster situation quickly，accurately，omnidirectionally，measurably and vividly，and satisfy the geospatial information service of emergency surveying and mapping service.

emergency surveying and mapping service；UAV；oblique photography；3D Model；the point cloud fusions

1672-8262(2017)02-89-04

P231

A

2017—01—14

黃敏兒(1989—)，女，碩士，助理工程師，主要研究方向：傾斜攝影測量技術(shù)、應(yīng)急測繪。 基金項目：浙江省省屬科研院所專項(計劃編號2016F30010)