三維智慧城市建設

1、 傾斜攝影測量系統(tǒng)應用案例三維智慧城市建設中海達空間信息技術25 / 25一、項目概況1. 項目背景為了建立智慧城市管理系統(tǒng)，通過對某城區(qū)城區(qū)建筑部件進行傾斜攝影，建立城市三維立體模型。城區(qū)測量面積約10平方公里。傾斜攝影測量技術以大圍、高精度、高清晰的方式全面感知復雜場景，通過高效的數(shù)據(jù)采集設備及專業(yè)的數(shù)據(jù)處理流程生成的數(shù)據(jù)成果直觀反映地物的外觀、位置、高度等屬性，為真實效果和測繪級精度提供保證。通過傾斜攝影建模，實現(xiàn)城市三維漫游、顯示與管理，使城市管理更加直觀方便。我公司作為項目承建單位，根據(jù)業(yè)主要求與項目技術服務要求，成立了項目組，配備了軟硬件設備，承擔該市城區(qū)約10平方公里5cm分辨率

2、航空影像數(shù)據(jù)、傾斜影像圖和建筑三維模型。編寫了技術實施方案與項目實施計劃，承擔該城區(qū)約10平方公里5cm分辨率航空影像數(shù)據(jù)、傾斜影像圖和建筑三維模型。2. 主要軟硬件設備序號軟硬件名稱數(shù)量備注1計算機工作站3套2OS-M8無人機2架一架應急備用3中海達V60 RTK2臺4工具車1輛5Smart 3D軟件4套6航天遠景軟件2套7計算機、辦公軟件等若干8Photoscan數(shù)據(jù)處理軟件2套9OSketch4套圖1-1圖1-2，中海達OS-M8八旋翼無人機3. 作業(yè)依據(jù)a)1:500、1:1000、1:2000比例尺地形圖航空攝影規(guī)(GB/T6962-2005)；b)1:500、1:1000、1:20

3、00地形圖航空攝影測量數(shù)字化測圖規(guī)(GB/T 15967-2008)；c)1:500、1:1000、1:2000比例尺地形圖航空攝影測量外業(yè)規(guī)(GB/T 7931-2008)；d)1:500 1:1000 1:2000外業(yè)數(shù)字測圖技術規(guī)程(GB/T14912-2005)；e)國家基本比例尺地圖圖式第一部分：1：500、1：1000、1:2000地形圖圖式(GBT 20257.1-2007)；f)衛(wèi)星定位城市測量技術規(guī)(CJJT73-2010)；g)數(shù)字測繪產(chǎn)品檢查驗收規(guī)定和質量評定(GB/T 18316-2008)；h)城市測量規(guī)(CJJ8-99)；i)全球定位系統(tǒng)實時動態(tài)測量(RTK)測量技

4、術規(guī)(CH/T 2009-2010)；j)全球定位系統(tǒng)（GPS）測量規(guī)(GB/T 183142009)；k)低空數(shù)字航空攝影測量業(yè)規(guī)(CH/Z 3003201090)；l)低空數(shù)字航空攝影測量外業(yè)規(guī)(CH/Z 30042010)；m)低空數(shù)字航空攝影規(guī)(CH/Z 30052010)；n)基礎地理信息數(shù)字成果 1:500 1:1000 1:2000 數(shù)字傾斜影像圖(CH/T 9008.32010)；o)數(shù)字航空攝影測量空中三角測量規(guī)(GB/T 23236-2009);p)數(shù)字測繪成果質量要求(GB/T 17941-2008)；q)測繪作業(yè)人員安全規(guī)(CH1016-2008)；r)測繪技術設計規(guī)定

5、(CH/T1004-2005)；s)測繪技術總結編寫規(guī)定(CH/T 1001-2005)；t)航空攝影產(chǎn)品的注記與包裝(GB/T16176-1996)；u)地球空間數(shù)據(jù)交換格式(GB/T17798-1999)；v)基礎地理信息要素分類與代碼(GB/T13923-2006)；本次項目實施以本項目技術要求為準，如本設計書未提及部分參照相關國家標準。4. 成果技術指標及規(guī)格4.1數(shù)學基礎成圖精度及要素取舍參照國家1：500比例尺標準。4.2產(chǎn)品規(guī)格（1）測區(qū)面積： 10平方公里；（2）影像分辨率：5cm；（3）橢球體： WGS84；（4）數(shù)據(jù)格式： GeoTiff；（5）坐標系： CGCS2000；

6、 （6）交貨方式：整體提交，電子光盤，物流快遞；5. 作業(yè)流程航空攝影測量是利用航空飛行器所獲取的影像數(shù)據(jù)，構建立體模型測定目標物的形狀、大小、空間位置、性質和相互關系的科學技術。目前生產(chǎn)采用的數(shù)字攝影測量是利用數(shù)字立體影像，借助計算機技術提取所攝對象的幾何與物理特征，并用全數(shù)字化方式進行的攝影測量。該項目主要利用近年來成熟的中低空無人機航空數(shù)字攝影技術，對項目區(qū)域獲取高分辨率的航空影像數(shù)據(jù)；首先根據(jù)測區(qū)的地形、地貌條件，制定合理的航攝計劃，選擇最有利的飛行時機，利用先進的低空數(shù)碼航測技術對測區(qū)進行航空攝影，獲取測區(qū)的最佳影像資料。本項目采用小型無人機搭載傾斜影像測量系統(tǒng)進行航攝獲取原始影像影

7、像數(shù)據(jù)，具體作業(yè)流程如下圖：圖1-2圖1-2，作業(yè)流程圖二、 航空攝影測量實施1、 設備選擇及技術要求1.1飛行器選擇中海達OS-M8八旋翼無人機。機身自重7.1KG，多旋翼飛機軸距1280mm，旋翼長度18寸，飛行時長3045min，最大載荷5kg，飛機升限4500m，控制半徑10km，巡航速度012m/s，升降速度2-10m/s，作業(yè)環(huán)境-10+40，最大抗風能力6級，航線自主飛行，雙星雙控、斷槳保護、失控返航?？蓾M足本次航空攝影測量任務。1.2航攝相機選擇采用本公司自行研發(fā)的5鏡頭傾斜攝影測量相機，其中1個垂直向下，前、后、左、右四個方向各一個鏡頭，傾斜角度45度，相機重量2.1kg，鏡

8、頭焦距10.4mm，總像素大于1億，同步記錄曝光點pos數(shù)據(jù)信息，gps數(shù)據(jù)信息，最大影像分辨率2cm。作業(yè)環(huán)境 -10+40。1.3航攝技術要求航空攝影測量是利用無人機作為遙感傳感器的飛行平臺，使用所搭載的傳感器，近地面區(qū)域對測區(qū)進行航拍攝影，通過無人機的姿態(tài)信息對獲取的影像進行解算和拼接，并對數(shù)據(jù)進行提取分析，進而實現(xiàn)對測區(qū)地表特征進行監(jiān)測。獲取可用于繪制1：500地形圖和數(shù)字傾斜影像圖的立體影像。航空攝影測量應根據(jù)不同測區(qū)的地形特點，在確保測圖精度的前提下，本著有利于縮短成圖周期、降低成本、提高綜合效益的原則，航攝相對航高按下式計算：H=fGSDa式中：H攝影航高，單位為米(m)；f鏡頭

9、焦距，單位為毫米(mm)；a像元尺寸，單位為毫米(mm)；GSD地面分辨率，單位為米(m)。像片重疊度、像片傾斜角、像片旋偏角、航線彎曲度、影像質量等飛行質量和攝影質量要求必須符合CH/Z 30052010低空數(shù)字航空攝影規(guī)的要求。2、 航攝區(qū)域任務規(guī)劃及航線設計2.1航線布設及飛行工作量A）航線布設原則:航線按照測區(qū)走向直線方法布設,平行于測區(qū)邊界線的首末航線的側視鏡頭能夠獲得測區(qū)的有效影像。考慮到傾斜攝影相機拍攝角度，為保證邊緣物體立體成像，航線覆蓋超出測區(qū)邊界線至少200米。當任務目標區(qū)域圍過大或者目標區(qū)域落差較大，需考慮分區(qū)域對測區(qū)進行航拍測量。對于此次任務的目標區(qū)域圍較大且測區(qū)的形狀

10、不規(guī)格，避免航線過長，可將此次航測區(qū)域圍分為幾個測區(qū)，以下圖為例，將航測區(qū)域圍分成了7個測區(qū)圖2-1 航攝分區(qū)圖B）航測工作量計算及工作安排：測區(qū)航線根據(jù)高空風向以及測區(qū)形狀決定航線的敷設方式。根據(jù)對測區(qū)精度的需求，根據(jù)航測照片的重疊度以及相機參數(shù)，由電腦計算出航線間距以及相機拍照間距，便可確定航線，并根據(jù)現(xiàn)場風力的大小情況確定飛機的作業(yè)速度（風越大飛機的作業(yè)速度設計的越小，這樣飛機有更多的時間調節(jié)姿態(tài)，以保證飛機影像的可靠性）。根據(jù)每架次飛行最大時間30分鐘，每架次作業(yè)安照0.8小時計算。每天飛行架次?？捎嬎泔w行所需總架次，即可計算多少航攝日即可完成全部航拍任務。附飛行工作量預算表。表2.1

11、飛行工作量預算表分區(qū)航線長度(km)測區(qū)面積（km2）飛行架次(次)總時間（小時）分區(qū)1分區(qū)2分區(qū)3分區(qū)4分區(qū)5分區(qū)6分區(qū)7合計C）測區(qū)航線圖對該市測區(qū)分區(qū)后，規(guī)劃好每個區(qū)的航線，基本設計方式如下：圖2-2 分區(qū)1航線圖圖2-3 分區(qū)2航線圖圖2-4 分區(qū)3航線圖圖2-5 分區(qū)4航線圖圖2-6 分區(qū)5航線圖圖2-7 分區(qū)6航線圖圖2-8分區(qū)7航線圖2.2航飛作業(yè)A）攝影時間選擇攝影時間根據(jù)地形條件、氣象條件和本地特點選擇在上午9：00至下午5：00之間進行，減少相片中陰影面積。并避免在大風，下雨及能見度不好的天氣情況下飛行。B）飛行要求1) 按設計航跡坐標采用GPS導航；2) 需要分區(qū)時，航向

12、航線重疊至少1照片，旁向航線重疊至少1條航線。3) 像片重疊度航向80，旁向70。4) 像片傾角一般不大于5，個別最大不超過12，出現(xiàn)超過8的片數(shù)不多于總數(shù)的10%。要求沒有航攝漏洞出現(xiàn)。5) 像片旋角一般不大于15，個別最大不超過30，在同一條航線旋角超過20相片數(shù)不應超過3片，超過15旋角的像片數(shù)不得超過分區(qū)像片總數(shù)的10%。像片傾角和像片旋角不應同時達到最大值。6) 像片能滿足制作1：500傾斜影像圖的要求。C）航攝質量控制與保障項目航飛過程中，必須遵守以下要求：航飛攝影測量開始前，工程技術人員盡可能詳細了解測區(qū)的地形、氣象、交通等信息，認真審核項目實施方案，作好進場前的各項準備。飛行員

13、要了解測區(qū)空域情況，熟悉周邊機場位置和現(xiàn)場空中管制及通訊聯(lián)絡方式、要求。飛行中采用GPS導航系統(tǒng)，按照航線設計數(shù)據(jù)飛行，數(shù)碼航空攝影時，飛行要盡可能平穩(wěn)，旋偏角、航偏角不能超過規(guī)要求。D）航測作業(yè)過程中的注意事項：1） 在充分了解測區(qū)情況后，需要根據(jù)測區(qū)的具體情況以及作業(yè)精度要求和作業(yè)安全的考慮，選取合適的起飛點，起飛點的選取包括整個測區(qū)的通視情況、飛機安全起飛降落平臺的寬闊及地面的平整性、起飛點位于測區(qū)相對高程較高處以保證視野等綜合因素。2） 起飛前需檢查飛機各個部位的螺絲以及各部分設備之間是否出現(xiàn)松動，如有松動一定要擰緊。3） 電池在安裝前必須拿測電器檢查是否滿電，如果電量不足，則切記不可

14、使用，需換一組電池，避免出現(xiàn)意外。在安裝電池時電池不要靠GPS靠得太近避免因飛機震動導致電池與GPS接收機有碰撞，也避免了電池自身的磁場對的干擾。4） 飛機先接飛控電，動力電需等航線規(guī)劃、上傳驗證無誤、以及相機等其他一切設備都準備就緒了才能接電，且在接動力電時一定要確認相機是在關機狀態(tài)。準備無誤，接通動力電，相機開機，檢查相機是否正常工作，一切無誤后，主控手操作飛機起飛，并進入航線。注意在野外作業(yè)時，如果場地灰塵較大應提前準備起飛降落的布，防止因起飛的風力造成的灰塵卡住相機，進而損壞相機。5） 在進入航線后，在航線自主導航飛行過程中主控手與地面站人員需配合默契。主控手主要負責飛機的起飛降落，以

15、及飛行過程中實時關注飛機狀態(tài)，時刻準備應對突發(fā)狀態(tài)；地面站人員需時刻關注地面站上飛機的回傳信息，包括飛機位置、高度、電池電量、飛機姿態(tài)、雙子星數(shù)據(jù)等，并時刻與主控手保持聯(lián)系，確保主控手能實時了解飛機狀態(tài)。6） 在航線結束后，由主控手操控飛機降落，飛機降落后，不著急斷電，但要注意現(xiàn)場安全。飛機降落后，在地面站上獲取飛機的pos數(shù)據(jù)、航線截圖、以及檢查相機照片數(shù)量是否與pos數(shù)據(jù)一致。檢查數(shù)據(jù)無誤后，先將相機關機，然后斷動力電，最后在斷飛控電。收拾設備，注意不要遺漏。E）像控點的選取從野外回來，及時將相機里的照片拷貝出來，由于相機由五個鏡頭組成，每個鏡頭的照片都是獨立的，所以在拷貝照片時要分鏡頭存

16、儲，備份。從正射相片中選取該測區(qū)的像控點。因為像控點精度嚴重影響測圖精度，所以在選取像控點時，一定要選紋理分明的點以保證像控點精度。像控點精度主要包含兩個方面，一是像控點的測量精度，二是像控點影像目標精度，前者現(xiàn)在普遍采用GPS進行測量，精度較高，一般小于5個cm的測量誤差，可以忽略不計，但像控點影像目標精度就不一樣了，它取決于地表影像紋理的豐富程度，所以在選取時應選擇紋理明顯的，對空通視，像控點位置平坦并均勻分布在測區(qū)，如果測區(qū)無明顯紋理地物，則應該先布設像控點目標可提高精度。在室找好像控點后，到現(xiàn)場踩像控點是記得做好記錄、拍照?；氐绞艺砗命c之記。F）整理與質量檢查影像的地面分辨率優(yōu)于0.

17、05米，保證影像清晰，反差適中，顏色飽和，色彩鮮明，色調一致，能夠辨別與地面分辨率相適應的地物影像。航攝過程中出現(xiàn)的絕對漏洞、相對漏洞及其它嚴重缺陷要進行補攝，漏洞補攝按照原設計航跡進行。對于不影響業(yè)加密點和模型連接的相對漏洞及局部缺陷（如云、云影、斑痕等），可只在漏洞處補攝。補攝航線長充應超出漏洞外一條基線。G）數(shù)據(jù)整理與移交需移交的數(shù)據(jù)包括：航線截圖、POS數(shù)據(jù)、原始照片、像控點坐標(如果坐標需轉換則需提交原始坐標以及轉換后的坐標)、像控點點之記、差分數(shù)據(jù)。如果飛機架次較多需按日期、架次分好文件夾。三、 數(shù)據(jù)處理本項目的三維數(shù)字城市模型運用Smart3D capture強大的基于圖像密集匹

18、配技術的快速三維場景運算功能，進行傾斜攝影空中三角測量解算、進行地面景物的逼真實景真三維重構，最終達到實現(xiàn)全要素的三維數(shù)字城市模型及場景生產(chǎn)的目的。本項目的技術流程如圖所示：原始影像傾斜影像垂直影像傾斜攝影POS數(shù)據(jù)地面控制點CORSPOS解算較精確外方位元素基于GPU的快速三維場景運算超高密度點云構建的DSM全自動紋理匹配初級全要素的三維數(shù)字城市模型及場景模型精細化處理全要素的三維模型及場景歸一化處理增強影像元數(shù)據(jù)文件數(shù)據(jù)輸出成果上交精確外方位元素空中三角測量不合格檢查驗收圖3-1 數(shù)據(jù)處理技術流程圖3.1航空攝影測量數(shù)據(jù)處理要求(1) 消除影像畸變差。(2) 增加外業(yè)像控數(shù)量，提高空三加密

19、的精度。(3) 業(yè)測圖，多調用相關像對，盡量不使用像對邊緣部分測圖。3.2數(shù)據(jù)預處理由于傾斜攝影相機裝備了5 個不同朝向的相機，傾斜攝影角度為 45。在拍攝曝光的瞬間，5 個相機所拍攝的角度不一致，就必然會出現(xiàn)光線反差、強度等的不一致;這樣就有可能導致出現(xiàn)同一地物影像在不同相機下的色彩、明暗程度出現(xiàn)差異，最終影響到三維真實場景的精度和效果。在影像質量檢查階段和Mosaic 階段對影像顏色進行調整，解決測區(qū)局部因為天氣影響導致的有霧、反差較差等顏色問題，以消除因為霧氣、反差等因素的影像。3.3空中三角測量（1）數(shù)據(jù)準備：根據(jù)測區(qū)圍選擇影像；整理pos 數(shù)據(jù)；對相機文件進行分析，獲得焦距、像素等相

20、機參數(shù)；確定飛行方向對影像進行旋轉；建立金字塔，對原始掃描影像文件進行壓縮處理，提高運算速度。（2）在Smart3DCapture 軟件中創(chuàng)建工程，導入預處理后的傾斜影像、POS 成果、像控成果等數(shù)據(jù)。（3）影像自動匹配，利用同名光線匹配影像左右片的同名點，對特殊地貌、陰影、遮擋等原因導致的連接點不夠，反復增加此處的相對定向點重新匹配。（4）相對空三解算，達到相對定向連接點上下視差中誤差為1 /3 像素，連接點上下視差最大殘差為2 /3 像素。（5）量測控制點，在立體顯示環(huán)境下，結合外業(yè)控制點像片和點之記，精確量測控制點。相對空三解算通過后再量測，選取控制點，進行絕對解算。（6）絕對空三解算，

21、絕對定向與區(qū)域網(wǎng)平差計算后，基本定向點殘差、檢查點誤差。然后根據(jù)需要導出不同格式的模型數(shù)據(jù)。圖3-2 Smart3DCapture 軟件中空三加密過程3.4實景真三維模型生成A)三維重建空三加密后獲得了高密度的點云數(shù)據(jù)，對于該城區(qū)的海量數(shù)據(jù)，采用切塊分割的方式將該市航測按數(shù)據(jù)密集程度分割成數(shù)塊。構建不規(guī)則三角網(wǎng)TIN 數(shù)據(jù)，并生成白膜的三維模型。對生成白膜的三維模型賦予紋理，由于傾斜攝影能夠獲取詳細準確的影像與地理信息，再加上先進的定位技術所獲取的影像都具有精確的坐標信息，通過紋理映射，可自動迅速地將影像紋理貼在相對應的三維模型面上，以此生成基于影像紋理的高分辨率傾斜攝影三維模型( 如圖3-3所示) 。圖3-3 TIN數(shù)據(jù)圖3-5 白模模型圖3-6 基于影像紋理的高分辨率傾斜攝影三維模型B）模型的修復與編輯在全自動實景真