SWDC-5Ap在大比例尺城市三維模型建設(shè)中的應(yīng)用

孫 愷

(山東省國(guó)土測(cè)繪院, 山東 濟(jì)南 250013)

0 引言

數(shù)字城市為城市規(guī)劃、智能化交通、網(wǎng)格化管理和服務(wù),是信息時(shí)代城市和諧發(fā)展的重要手段[1]。數(shù)字城市展現(xiàn)方式之一就是三維數(shù)字城市模型,將三維模型經(jīng)過(guò)軟件加工形成三維地理信息系統(tǒng),得到一種真實(shí)、直觀的三維虛擬效果。利用傾斜攝影平臺(tái)快速獲取多角度影像,已成為當(dāng)前空間數(shù)據(jù)獲取的有效方式之一,尤其是在城市三維建設(shè)等領(lǐng)域有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)[2]。楊榮幫利用傾斜攝影研究三維城市建模[3],曾妮紅等、令狐進(jìn)等利用傾斜攝影測(cè)量技術(shù)進(jìn)行城市建筑區(qū)的快速獲取[4-5],陳家惠在傾斜影像的三維城市建模影像篩選的研究成果[6],夏正清等基于傾斜模型的國(guó)土空間信息管理系統(tǒng)研究[7],曹海春利用消費(fèi)型傾斜無(wú)人機(jī)進(jìn)行城鎮(zhèn)三維重建[8],程俊等用SWDC-5系列獲取傾斜影像數(shù)據(jù)[9],劉力榮等研究SWDC-5定位定姿方法以及傾斜紋理自動(dòng)配賦[10-11]。需求的不斷提升與技術(shù)的持續(xù)發(fā)展,促使設(shè)備也在不斷升級(jí)。

SWDC-5Ap數(shù)碼航攝儀是四維遠(yuǎn)見公司生產(chǎn)的新型航攝儀,能夠快速獲取傾斜影像,適用于通航固定翼飛機(jī)、直升機(jī)等多種搭載平臺(tái),能夠滿足各類傾斜攝影需求。

1 SWDC-5Ap系統(tǒng)特點(diǎn)及技術(shù)優(yōu)勢(shì)

SWDC-5系列航攝儀,是最早推出的國(guó)產(chǎn)傾斜攝影儀,通過(guò)1個(gè)垂直攝影和四個(gè)傾斜攝影相機(jī)拍攝獲得多角度影像。

1.1 系統(tǒng)主要參數(shù)

系統(tǒng)主要參數(shù)如表1所示。

表1 SWDC-5Ap技術(shù)參數(shù)

1.2 主要的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

(1)適應(yīng)性強(qiáng),可更換不同焦距鏡頭;

(2)單機(jī)像素可達(dá)到1.5億,大大提高了航攝效率;

(3)快門速度高達(dá)1/4 000 s,曝光間隔快至0.9 s,既提高工作效率又保證航攝質(zhì)量;

(4)高集成度,高自動(dòng)化,可集成國(guó)內(nèi)外不同品牌的POS及座駕,為用戶組合升級(jí)提供便利;

(5)配有自動(dòng)升降臺(tái)裝置,使得飛行平臺(tái)靈活選擇,常規(guī)飛機(jī)+輕小型飛機(jī);

(6)自主研發(fā)了航線設(shè)計(jì)、飛行控制、數(shù)據(jù)預(yù)處理等一系列軟件,為數(shù)據(jù)采集提供全方位服務(wù)。

2 傾斜影像獲取方案

根據(jù)任務(wù)要求,在遵守國(guó)家航空航天遙感影像獲取相關(guān)規(guī)范的基礎(chǔ)上,結(jié)合SWDC-5Ap傾斜攝影系統(tǒng)性能,指定最佳攝影方案。

2.1 傾斜攝影技術(shù)流程

依照生產(chǎn)順序首先確定攝區(qū)范圍及攝影分辨率,之后安裝設(shè)備執(zhí)行航攝計(jì)劃,最后解算POS提交影像,傾斜攝影技術(shù)如圖1所示。

圖1 傾斜攝影技術(shù)

2.2 傾斜攝影關(guān)鍵步驟

2.2.1航線設(shè)計(jì)

四維遠(yuǎn)見公司獨(dú)立開發(fā)航線設(shè)計(jì)軟件,首先根據(jù)任務(wù)要求進(jìn)行區(qū)域外擴(kuò),滿足傾斜攝影要求,外擴(kuò)距離如公式1所示。

w=h×tan(40°)

(1)

式中，w為外擴(kuò)距離；h為航高；40°為傾斜相機(jī)的傾斜角度,該外擴(kuò)距離能夠保證旁向最外側(cè)航線的傾斜鏡頭能夠拍攝到攝區(qū)內(nèi)的地物。

其次計(jì)算重疊度時(shí)考慮地形要素,使每張相片滿足設(shè)計(jì)要求,最后根據(jù)參數(shù)進(jìn)行航線設(shè)計(jì)及參數(shù)輸出。

2.2.2航飛執(zhí)行

使用四維遠(yuǎn)見開發(fā)的操作屏進(jìn)行航飛執(zhí)行,首先導(dǎo)入設(shè)計(jì)文件,其次上傳飛行參數(shù),包括水平偏航、高度偏航、旋偏角度等,最后根據(jù)任務(wù)進(jìn)行飛行作業(yè)。全程一體化操作,可以根據(jù)空域及飛行要求進(jìn)行及時(shí)修正。

2.2.3數(shù)據(jù)預(yù)處理

根據(jù)下載后的影像數(shù)據(jù)及日志文件,處理每個(gè)相機(jī)文件,進(jìn)行重新編號(hào),利用地面基站進(jìn)行定位定向系統(tǒng)(Position Orientation System,POS)差分解算,整理資料并匯交。

3 傾斜影像數(shù)據(jù)處理方案

完成傾斜影像獲取后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,三維模型構(gòu)建主要包括相對(duì)定向、絕對(duì)定向、模型創(chuàng)建等步驟,三維模型構(gòu)建技術(shù)流程如圖2所示。

圖2 三維模型構(gòu)建技術(shù)流程

(2)特征點(diǎn)提取與匹配,提取影像中的特征點(diǎn)并與相鄰像片進(jìn)行匹配。

(3)相對(duì)定向,匹配后建立的自由網(wǎng)進(jìn)行平差計(jì)算,提出錯(cuò)誤點(diǎn),保留高精度點(diǎn)位。

(4)像控測(cè)量,在圖像中標(biāo)記出地面點(diǎn)位,要求刺點(diǎn)照片點(diǎn)位顯示清晰,刺點(diǎn)準(zhǔn)確。

(5)絕對(duì)定向,利用部分像控作為定向點(diǎn)、部分像控作為檢查點(diǎn),進(jìn)行平差計(jì)算。

(6)模型構(gòu)建,完成空三加密絕對(duì)定向后,模型具有真實(shí)大地坐標(biāo),利用軟件進(jìn)行模型構(gòu)建。

4 棲霞傾斜影像獲取實(shí)例

為支持智慧城市時(shí)空大數(shù)據(jù)平臺(tái)省級(jí)試點(diǎn)建設(shè),要求獲取棲霞城區(qū)約80 km2、分辨率0.03 m傾斜影像。

同一視圖兩節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)系比較直觀易懂，下面針對(duì)跨視圖兩節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)系進(jìn)行詳細(xì)描述，將圖1中裝配流程的每個(gè)節(jié)點(diǎn)視為一個(gè)任務(wù)(不考慮圖1中虛框表示的拆卸節(jié)點(diǎn))，用符號(hào)“?”表示跨視圖兩節(jié)點(diǎn)間存在關(guān)聯(lián)關(guān)系：

4.1 航線設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)任務(wù)要求及攝區(qū)情況,將攝區(qū)劃分為1個(gè)分區(qū),航線方向設(shè)定為東西方向敷設(shè),共計(jì)96條,航向重疊及旁向重疊均為75%,航線設(shè)計(jì)參數(shù)如表2所示。

表2 航線設(shè)計(jì)參數(shù)表

4.2 直升機(jī)搭載平臺(tái)

本次飛行使用AS350B3直升機(jī)作為搭載平臺(tái),主要技術(shù)參數(shù)如表3所示。

表3 AS350B3直升機(jī)性能參數(shù)

由于設(shè)備無(wú)法安裝與機(jī)艙內(nèi),所以設(shè)計(jì)制作了平臺(tái)支架將航攝儀安裝在機(jī)艙外,并在另一側(cè)添加配重,保證飛行負(fù)載均衡,航攝儀安裝如圖3所示。

圖3 SWDC-5Ap安裝圖

4.3 數(shù)據(jù)預(yù)處理

4.3.1數(shù)據(jù)下載

原始影像數(shù)據(jù)采用最新固態(tài)硬盤,關(guān)機(jī)后直接插拔帶回即可,POS數(shù)據(jù)日志文件均可一鍵完成下載。

4.3.2POS差分解算

將地面基站數(shù)據(jù)與機(jī)載POS數(shù)據(jù)進(jìn)行差分解算,獲得每張像片的外方位元素。

4.3.3飛行質(zhì)量檢查

根據(jù)飛行日志及差分解算后POS文件數(shù)據(jù),對(duì)航線重疊度及影像旋偏角進(jìn)行檢查。

4.3.4影像質(zhì)量檢查

查看影像有無(wú)丟片、漏片,色彩、飽和度等情況,查看有大面積無(wú)云、煙情況。

經(jīng)上述檢查,攝區(qū)覆蓋完整,重疊度符合要求,飛行質(zhì)量良好;影像清晰,層次豐富,色差適中,色彩飽滿,影像質(zhì)量?jī)?yōu)良。

4.4 三維模型建設(shè)

4.4.1區(qū)塊劃分

由于棲霞攝區(qū)較大,難以一次完成全區(qū)空三加密,首先進(jìn)行區(qū)塊劃分。

4.4.2相對(duì)定向

通過(guò)POS輔助進(jìn)行特征點(diǎn)提取與匹配,之后進(jìn)行平差計(jì)算,剔除錯(cuò)誤加密點(diǎn)。

4.4.3像控測(cè)量

使用RTK測(cè)量外業(yè)控制點(diǎn),導(dǎo)入數(shù)據(jù),人工選取圖像對(duì)應(yīng)位置進(jìn)行標(biāo)記。如圖4所示。

圖4 像控測(cè)量

4.4.4精度檢測(cè)

傾斜影像最終數(shù)據(jù)成果用于城市三維模型建設(shè),為保證后期成果精度,該攝區(qū)共布設(shè)像控點(diǎn)311個(gè),檢核點(diǎn)102個(gè),根據(jù)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行空三加密并檢測(cè)精度。

表4為某個(gè)區(qū)塊空三精度統(tǒng)計(jì)表,從表4中可以看出,平面位置及高程精度約為1個(gè)像素,說(shuō)明SWDC-5Ap航攝儀用于3 cm傾斜影像獲取可以滿足后續(xù)建模要求。

表4 棲霞市傾斜影像空三加密檢查

4.4.5模型創(chuàng)建與修飾

根據(jù)空三加密成果,設(shè)置空間框架及瓦片大小。

4.5 成果展示

某學(xué)校三維模型成果如圖5所示。

圖5 傾斜攝影成果截圖

5 結(jié)束語(yǔ)

本文以棲霞市智慧城市建設(shè)為例,分析了SWDC-5Ap數(shù)字航攝儀技術(shù)優(yōu)勢(shì),研究其用于大比例尺傾斜影像獲取的技術(shù)流程,并對(duì)成果數(shù)據(jù)進(jìn)行了檢驗(yàn)分析。成果表明,基于直升機(jī)搭載SWDC-5Ap數(shù)字航攝儀,獲取影像質(zhì)量?jī)?yōu)良,精度符合設(shè)計(jì),其成果能夠滿足城市三維建模需求。