三維智慧城市建設(shè)

1、傾斜攝影測量系統(tǒng)應(yīng)用案例三維智慧城市建設(shè)浙江中海達(dá)空間信息技術(shù)有限公司一、項(xiàng)目概況1. 項(xiàng)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(jìn)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(shù)以大范圍、高精度、高清晰的方式全面感知復(fù)雜場景，通過高效的數(shù)據(jù)采集設(shè)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(shí)效果和測繪級精度提供保證。通過傾斜攝影建模，實(shí)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(xiàng)目承建單位，根據(jù)業(yè)主要求與項(xiàng)目技術(shù)服務(wù)要求，成立了項(xiàng)目組，配備了軟硬件設(shè)備，承擔(dān)該市城區(qū)約10平方公里5cm分辨率航

2、空影像數(shù)據(jù)、傾斜影像圖和建筑三維模型。編寫了技術(shù)實(shí)施方案與項(xiàng)目實(shí)施計(jì)劃，承擔(dān)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(shè)備序號軟硬件名稱數(shù)量備注1計(jì)算機(jī)工作站3套2OS-M8無人機(jī)2架一架應(yīng)急備用3中海達(dá)V60 RTK2臺4工具車1輛5Smart 3D軟件4套6航天遠(yuǎn)景軟件2套7計(jì)算機(jī)、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(dá)OS-M8八旋翼無人機(jī)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)范(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)范(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)范(GB/T 7931-2008)；d)1:500 1:1000 1:2000外業(yè)數(shù)字測圖技術(shù)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(shù)規(guī)范(CJJT73-2010)；g)數(shù)字測繪產(chǎn)品檢查驗(yàn)收規(guī)定和質(zhì)量評定(GB/T 18316-2008)；h)城市測量規(guī)范(CJJ8-99)；i)全球定位系統(tǒng)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測量(RTK

4、)測量技術(shù)規(guī)范(CH/T 2009-2010)；j)全球定位系統(tǒng)（GPS）測量規(guī)范(GB/T 183142009)；k)低空數(shù)字航空攝影測量內(nèi)業(yè)規(guī)范(CH/Z 3003201090)；l)低空數(shù)字航空攝影測量外業(yè)規(guī)范(CH/Z 30042010)；m)低空數(shù)字航空攝影規(guī)范(CH/Z 30052010)；n)基礎(chǔ)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)范(GB/T 23236-2009);p)數(shù)字測繪成果質(zhì)量要求(GB/T 17941-2008)；q)測繪作業(yè)人員安全規(guī)范(CH1016-2008

5、)；r)測繪技術(shù)設(shè)計(jì)規(guī)定(CH/T1004-2005)；s)測繪技術(shù)總結(jié)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(chǔ)地理信息要素分類與代碼(GB/T13923-2006)；本次項(xiàng)目實(shí)施以本項(xiàng)目技術(shù)要求為準(zhǔn)，如本設(shè)計(jì)書未提及部分參照相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)。4. 成果技術(shù)指標(biāo)及規(guī)格4.1數(shù)學(xué)基礎(chǔ)成圖精度及要素取舍參照國家1：500比例尺標(biāo)準(zhǔn)。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(biāo)

6、系： CGCS2000； （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(gòu)建立體模型測定目標(biāo)物的形狀、大小、空間位置、性質(zhì)和相互關(guān)系的科學(xué)技術(shù)。目前生產(chǎn)采用的數(shù)字?jǐn)z影測量是利用數(shù)字立體影像，借助計(jì)算機(jī)技術(shù)提取所攝對象的幾何與物理特征，并用全數(shù)字化方式進(jìn)行的攝影測量。該項(xiàng)目主要利用近年來成熟的中低空無人機(jī)航空數(shù)字?jǐn)z影技術(shù)，對項(xiàng)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(jì)劃，選擇最有利的飛行時(shí)機(jī)，利用先進(jìn)的低空數(shù)碼航測技術(shù)對測區(qū)進(jìn)行航空攝影，獲取測區(qū)的最佳影像資料。本項(xiàng)目采用小型無人機(jī)搭載傾斜影像測量系

7、統(tǒng)進(jìn)行航攝獲取原始影像影像數(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(shí)施1、 設(shè)備選擇及技術(shù)要求1.1飛行器選擇中海達(dá)OS-M8八旋翼無人機(jī)。機(jī)身自重7.1KG，多旋翼飛機(jī)軸距1280mm，旋翼長度18寸，飛行時(shí)長3045min，最大載荷5kg，飛機(jī)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(fēng)能力6級，航線自主飛行，雙星雙控、斷槳保護(hù)、失控返航?？蓾M足本次航空攝影測量任務(wù)。1.2航攝相機(jī)選擇采用本公司自行研發(fā)的5鏡頭傾斜攝影測量相機(jī)，其中1個(gè)垂直向下，前、后、左、右四個(gè)方向各一個(gè)鏡頭，傾斜角度45度

8、，相機(jī)重量2.1kg，鏡頭焦距10.4mm，總像素大于1億，同步記錄曝光點(diǎn)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(shù)要求航空攝影測量是利用無人機(jī)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?qū)y區(qū)進(jìn)行航拍攝影，通過無人機(jī)的姿態(tài)信息對獲取的影像進(jìn)行解算和拼接，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行提取分析，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對測區(qū)地表特征進(jìn)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(yīng)根據(jù)不同測區(qū)的地形特點(diǎn)，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(jì)算：H=f×GSDa式中

9、：H攝影航高，單位為米(m)；f鏡頭焦距，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(zhì)量等飛行質(zhì)量和攝影質(zhì)量要求必須符合CH/Z 30052010低空數(shù)字航空攝影規(guī)范的要求。2、 航攝區(qū)域任務(wù)規(guī)劃及航線設(shè)計(jì)2.1航線布設(shè)及飛行工作量A）航線布設(shè)原則:航線按照測區(qū)走向直線方法布設(shè),平行于測區(qū)邊界線的首末航線的側(cè)視鏡頭能夠獲得測區(qū)的有效影像?？紤]到傾斜攝影相機(jī)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(dāng)任務(wù)目標(biāo)區(qū)域范圍過大或者目標(biāo)區(qū)域落差較大，需考慮分區(qū)域?qū)y區(qū)進(jìn)行航拍測量。

10、對于此次任務(wù)的目標(biāo)區(qū)域范圍較大且測區(qū)的形狀不規(guī)格，避免航線過長，可將此次航測區(qū)域范圍分為幾個(gè)測區(qū)，以下圖為范例，將航測區(qū)域范圍分成了7個(gè)測區(qū)圖2-1 航攝分區(qū)圖B）航測工作量計(jì)算及工作安排：測區(qū)航線根據(jù)高空風(fēng)向以及測區(qū)形狀決定航線的敷設(shè)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(jī)參數(shù)，由電腦計(jì)算出航線間距以及相機(jī)拍照間距，便可確定航線，并根據(jù)現(xiàn)場風(fēng)力的大小情況確定飛機(jī)的作業(yè)速度（風(fēng)越大飛機(jī)的作業(yè)速度設(shè)計(jì)的越小，這樣飛機(jī)有更多的時(shí)間調(diào)節(jié)姿態(tài)，以保證飛機(jī)影像的可靠性）。根據(jù)每架次飛行最大時(shí)間30分鐘，每架次作業(yè)安照0.8小時(shí)計(jì)算。每天飛行架次。可計(jì)算飛行所需總架次，即可計(jì)算多少航攝日即

11、可完成全部航拍任務(wù)。附飛行工作量預(yù)算表。表2.1 飛行工作量預(yù)算表分區(qū)航線長度(km)測區(qū)面積（km2）飛行架次(次)總時(shí)間（小時(shí)）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(jì)C）測區(qū)航線圖對該市測區(qū)分區(qū)后，規(guī)劃好每個(gè)區(qū)的航線，基本設(shè)計(jì)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(shí)間選擇攝影時(shí)間根據(jù)地形條件、氣象條件和本地特點(diǎn)選擇在上午9：00至下午5：00之間進(jìn)行，減少相片中陰影面積。并避免在大風(fēng)，下雨及能見度不好的天氣情況下飛行。B）

12、飛行要求1) 按設(shè)計(jì)航跡坐標(biāo)采用GPS導(dǎo)航；2) 需要分區(qū)時(shí)，航向航線重疊至少1張照片，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(gè)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(gè)別最大不超過30°，在同一條航線旋角超過20°相片數(shù)不應(yīng)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(yīng)同時(shí)達(dá)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(zhì)量控制與保障項(xiàng)目航飛

13、過程中，必須遵守以下要求：航飛攝影測量開始前，工程技術(shù)人員盡可能詳細(xì)了解測區(qū)的地形、氣象、交通等信息，認(rèn)真審核項(xiàng)目實(shí)施方案，作好進(jìn)場前的各項(xiàng)準(zhǔn)備。飛行員要了解測區(qū)空域情況，熟悉周邊機(jī)場位置和現(xiàn)場空中管制及通訊聯(lián)絡(luò)方式、要求。飛行中采用GPS導(dǎo)航系統(tǒng)，按照航線設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)飛行，數(shù)碼航空攝影時(shí)，飛行要盡可能平穩(wěn)，旋偏角、航偏角不能超過規(guī)范要求。D）航測作業(yè)過程中的注意事項(xiàng)：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(diǎn)，起飛點(diǎn)的選取包括整個(gè)測區(qū)的通視情況、飛機(jī)安全起飛降落平臺的寬闊及地面的平整性、起飛點(diǎn)位于測區(qū)相對高程較高處以保證視野等綜合因素。2

14、） 起飛前需檢查飛機(jī)各個(gè)部位的螺絲以及各部分設(shè)備之間是否出現(xiàn)松動(dòng)，如有松動(dòng)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，則切記不可使用，需換一組電池，避免出現(xiàn)意外。在安裝電池時(shí)電池不要靠GPS靠得太近避免因飛機(jī)震動(dòng)導(dǎo)致電池與GPS接收機(jī)有碰撞，也避免了電池自身的磁場對的干擾。4） 飛機(jī)先接飛控電，動(dòng)力電需等航線規(guī)劃、上傳驗(yàn)證無誤、以及相機(jī)等其他一切設(shè)備都準(zhǔn)備就緒了才能接電，且在接動(dòng)力電時(shí)一定要確認(rèn)相機(jī)是在關(guān)機(jī)狀態(tài)。準(zhǔn)備無誤，接通動(dòng)力電，相機(jī)開機(jī)，檢查相機(jī)是否正常工作，一切無誤后，主控手操作飛機(jī)起飛，并進(jìn)入航線。注意在野外作業(yè)時(shí)，如果場地灰塵較大應(yīng)提前準(zhǔn)備起飛降落的布，防

15、止因起飛的風(fēng)力造成的灰塵卡住相機(jī)，進(jìn)而損壞相機(jī)。5） 在進(jìn)入航線后，在航線自主導(dǎo)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(fù)責(zé)飛機(jī)的起飛降落，以及飛行過程中實(shí)時(shí)關(guān)注飛機(jī)狀態(tài)，時(shí)刻準(zhǔn)備應(yīng)對突發(fā)狀態(tài)；地面站人員需時(shí)刻關(guān)注地面站上飛機(jī)的回傳信息，包括飛機(jī)位置、高度、電池電量、飛機(jī)姿態(tài)、雙子星數(shù)據(jù)等，并時(shí)刻與主控手保持聯(lián)系，確保主控手能實(shí)時(shí)了解飛機(jī)狀態(tài)。6） 在航線結(jié)束后，由主控手操控飛機(jī)降落，飛機(jī)降落后，不著急斷電，但要注意現(xiàn)場安全。飛機(jī)降落后，在地面站上獲取飛機(jī)的pos數(shù)據(jù)、航線截圖、以及檢查相機(jī)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(jī)關(guān)機(jī)，然后斷動(dòng)力電，最后在斷飛控電。收

16、拾設(shè)備，注意不要遺漏。E）像控點(diǎn)的選取從野外回來，及時(shí)將相機(jī)里的照片拷貝出來，由于相機(jī)由五個(gè)鏡頭組成，每個(gè)鏡頭的照片都是獨(dú)立的，所以在拷貝照片時(shí)要分鏡頭存儲，備份。從正射相片中選取該測區(qū)的像控點(diǎn)。因?yàn)橄窨攸c(diǎn)精度嚴(yán)重影響測圖精度，所以在選取像控點(diǎn)時(shí)，一定要選紋理分明的點(diǎn)以保證像控點(diǎn)精度。像控點(diǎn)精度主要包含兩個(gè)方面，一是像控點(diǎn)的測量精度，二是像控點(diǎn)影像目標(biāo)精度，前者現(xiàn)在普遍采用GPS進(jìn)行測量，精度較高，一般小于5個(gè)cm的測量誤差，可以忽略不計(jì)，但像控點(diǎn)影像目標(biāo)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(shí)應(yīng)選擇紋理明顯的，對空通視，像控點(diǎn)位置平坦并均勻分布在測區(qū)，如果測區(qū)無明顯紋理地

17、物，則應(yīng)該先布設(shè)像控點(diǎn)目標(biāo)可提高精度。在室內(nèi)找好像控點(diǎn)后，到現(xiàn)場踩像控點(diǎn)是記得做好記錄、拍照?；氐绞覂?nèi)整理好點(diǎn)之記。F）整理與質(zhì)量檢查影像的地面分辨率優(yōu)于0.05米，保證影像清晰，反差適中，顏色飽和，色彩鮮明，色調(diào)一致，能夠辨別與地面分辨率相適應(yīng)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(yán)重缺陷要進(jìn)行補(bǔ)攝，漏洞補(bǔ)攝按照原設(shè)計(jì)航跡進(jìn)行。對于不影響內(nèi)業(yè)加密點(diǎn)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(bǔ)攝。補(bǔ)攝航線長充應(yīng)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(diǎn)坐標(biāo)(如果坐標(biāo)需轉(zhuǎn)換則需提交原始坐標(biāo)以及轉(zhuǎn)換后的坐標(biāo)

18、)、像控點(diǎn)點(diǎn)之記、差分?jǐn)?shù)據(jù)。如果飛機(jī)架次較多需按日期、架次分好文件夾。三、 數(shù)據(jù)處理本項(xiàng)目的三維數(shù)字城市模型運(yùn)用Smart3D capture強(qiáng)大的基于圖像密集匹配技術(shù)的快速三維場景運(yùn)算功能，進(jìn)行傾斜攝影空中三角測量解算、進(jìn)行地面景物的逼真實(shí)景真三維重構(gòu)，最終達(dá)到實(shí)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(xiàng)目的技術(shù)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(diǎn)CORSPOS解算較精確外方位元素基于GPU的快速三維場景運(yùn)算超高密度點(diǎn)云構(gòu)建的DSM全自動(dòng)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(xì)化處理全要素的三維模型及場景歸一化處理增強(qiáng)影像元數(shù)據(jù)文件數(shù)據(jù)輸出成果上

19、交精確外方位元素空中三角測量不合格檢查驗(yàn)收圖3-1 數(shù)據(jù)處理技術(shù)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?cái)?shù)量，提高空三加密的精度。(3) 內(nèi)業(yè)測圖，多調(diào)用相關(guān)像對，盡量不使用像對邊緣部分測圖。3.2數(shù)據(jù)預(yù)處理由于傾斜攝影相機(jī)裝備了 5 個(gè)不同朝向的相機(jī)，傾斜攝影角度為 45°。在拍攝曝光的瞬間，5 個(gè)相機(jī)所拍攝的角度不一致，就必然會出現(xiàn)光線反差、強(qiáng)度等的不一致;這樣就有可能導(dǎo)致出現(xiàn)同一地物影像在不同相機(jī)下的色彩、明暗程度出現(xiàn)差異，最終影響到三維真實(shí)場景的精度和效果。在影像質(zhì)量檢查階段和 Mosaic 階段對影像顏色進(jìn)行調(diào)整，解決測區(qū)局部因?yàn)樘鞖?/p>

20、影響導(dǎo)致的有霧、反差較差等顏色問題，以消除因?yàn)殪F氣、反差等因素的影像。3.3空中三角測量（1）數(shù)據(jù)準(zhǔn)備： 根據(jù)測區(qū)范圍選擇影像；整理 pos 數(shù)據(jù)；對相機(jī)文件進(jìn)行分析，獲得焦距、像素等相機(jī)參數(shù)； 確定飛行方向?qū)τ跋襁M(jìn)行旋轉(zhuǎn)； 建立金字塔，對原始掃描影像文件進(jìn)行壓縮處理，提高運(yùn)算速度。（2）在 Smart3DCapture 軟件中創(chuàng)建工程，導(dǎo)入預(yù)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(dòng)匹配，利用同名光線匹配影像左右片的同名點(diǎn)，對特殊地貌、陰影、遮擋等原因?qū)е碌倪B接點(diǎn)不夠，反復(fù)增加此處的相對定向點(diǎn)重新匹配。（4）相對空三解算，達(dá)到相對定向連接點(diǎn)上下視差中誤差為 1 /3 像素

21、，連接點(diǎn)上下視差最大殘差為 2 /3 像素。（5）量測控制點(diǎn)，在立體顯示環(huán)境下，結(jié)合外業(yè)控制點(diǎn)像片和點(diǎn)之記，精確量測控制點(diǎn)。相對空三解算通過后再量測，選取控制點(diǎn)，進(jìn)行絕對解算。（6）絕對空三解算，絕對定向與區(qū)域網(wǎng)平差計(jì)算后，基本定向點(diǎn)殘差、檢查點(diǎn)誤差。然后根據(jù)需要導(dǎo)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(shí)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(diǎn)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(gòu)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(xì)準(zhǔn)確的影像與地理信息，再加上先進(jìn)的定位技術(shù)所獲取的影像都具有精確的坐標(biāo)信息，通過紋理映射，可自動(dòng)迅速地將影像紋理貼在相對應(yīng)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(fù)與編輯