羅振威,李 驍,劉承承,張 勇

(1. 成都市勘察測繪研究院,四川 成都 610023 ; 2. 武漢大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,湖北 武漢 430079)

實景三維數(shù)據(jù)是新型基礎(chǔ)測繪轉(zhuǎn)型升級的具體成果形式,也是數(shù)字中國、數(shù)字政府、數(shù)字經(jīng)濟最堅實的數(shù)據(jù)底座[1-2]。近10年來,實景三維建設(shè)作為一種新的城市空間信息管理輔助手段,越來越受到城市規(guī)劃、城市建設(shè)等政府行政管理部門的青睞,產(chǎn)生了良好的社會效益和經(jīng)濟效益[3]。

隨著“實景三維中國”[2]建設(shè)計劃的快速推進和“智慧城市”[4]建設(shè)需求的不斷提升,城市級實景三維模型成為構(gòu)建三維基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)的重要數(shù)據(jù)載體。目前實景三維建設(shè)技術(shù)主要包括以測繪數(shù)字地形數(shù)據(jù)構(gòu)建實景三維的方法、以數(shù)字高程數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的實景三維構(gòu)建、基于傾斜影像數(shù)據(jù)的軟件半自動實景三維構(gòu)建和基于三維激光掃描技術(shù)的實景三維構(gòu)建技術(shù)[5]。前兩種方法屬于傳統(tǒng)的實景三維構(gòu)建技術(shù),存在著地形數(shù)據(jù)獲取手段復(fù)雜、模型構(gòu)建周期長、人工成本高等問題[6-7]。后兩種方法是目前較為先進的技術(shù)手段,在實際三維實景模型構(gòu)建中應(yīng)用較為廣泛,但基于傾斜影像的半自動三維構(gòu)建的模型精度較低,通過三維激光掃描技術(shù)獲取點云構(gòu)建模型可以解決精度低的問題,但僅通過處理激光點云數(shù)據(jù)進行城市級大規(guī)模的三維實景建模成本太高。目前傳統(tǒng)或非傳統(tǒng)的三維實景構(gòu)建方法都只能滿足特定的工作需求,因此,如何能夠進行高效快速的整體模型構(gòu)建、準(zhǔn)確的模型輪廓構(gòu)建及精美的紋理特征呈現(xiàn)是三維城市實景構(gòu)建技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵步驟[8]。

針對上述問題,本文利用傾斜航空攝影和機載激光掃描技術(shù),從頂層設(shè)計出發(fā),構(gòu)建一套城市級實景三維建設(shè)的全生命周期技術(shù)路線框架,從而更加高效地獲取和生產(chǎn)多項高精度實景三維數(shù)據(jù)和模型成果,并以成都市天府新區(qū)的實景三維建設(shè)為例,驗證該架構(gòu)的可行性,以期為城市規(guī)劃、城市建設(shè)及智慧管理等提供支撐和保障。

1 城市級實景三維建設(shè)技術(shù)路線架構(gòu)

相較于傳統(tǒng)的二維測量手段,傾斜攝影技術(shù)不僅能夠從更大的空間范圍進行信息采集,而且在面對城市復(fù)雜的元素和地形時能夠很好地獲取空間信息,傾斜影像數(shù)據(jù)的分辨率更高,因此由傾斜攝影技術(shù)得到的影像數(shù)據(jù)可操作性更強,也是城市建筑群紋理特征信息來源的基礎(chǔ)[9]。而激光掃描技術(shù)相較于傳統(tǒng)測量技術(shù),具有測量速度快的優(yōu)勢,能夠快速得到目標(biāo)測量地物的空間位置和物體表面的三維信息,可提供完整的點云數(shù)據(jù),是地形場景構(gòu)建及城市建筑群提取輪廓線的依靠[10]。

面向城市級實景三維建設(shè),不僅需要構(gòu)建大規(guī)模地形場景模型,也需要精細(xì)化、單體化的三維建筑模型[11],而單一的技術(shù)難以構(gòu)建如此復(fù)雜且精細(xì)化的實景三維模型。融合了傾斜攝影技術(shù)和三維激光掃描技術(shù)的方法則可以突破傳統(tǒng)方法構(gòu)建城市級實景三維模型的技術(shù)瓶頸,因此,本文基于這兩種前沿技術(shù),構(gòu)建了一套包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理與建模、模型精度評價在內(nèi)的技術(shù)路線框架,如圖1所示。

圖1 城市級實景三維建設(shè)技術(shù)路線架構(gòu)

技術(shù)架構(gòu)在內(nèi)業(yè)和外業(yè)兩個大技術(shù)流程下進行構(gòu)建,外業(yè)數(shù)據(jù)采集的成果直接決定了后期數(shù)據(jù)處理與建模的精度與效率,外業(yè)數(shù)據(jù)成果主要由傾斜攝影測量數(shù)據(jù)與激光點云數(shù)據(jù)兩部分構(gòu)成。其中,通過傾斜攝影獲取的影像數(shù)據(jù)可以構(gòu)建單體化模型成果及數(shù)字正射影像圖(DOM)成果,單體化模型構(gòu)成城市實景三維場景中的精細(xì)化建筑三維模型;而激光掃描獲取的點云數(shù)據(jù)可以構(gòu)建數(shù)字高程模型(DEM)及數(shù)字表面模型(DSM),與DOM共同構(gòu)成城市實景三維場景中的大規(guī)模地形場景模型。兩類數(shù)據(jù)分別處理且相互交匯形成多種實景三維模型成果,通過精度評價后,最終構(gòu)成城市級實景三維場景模型。

構(gòu)建的技術(shù)架構(gòu)較好地結(jié)合了傾斜攝影和激光掃描兩種技術(shù)的優(yōu)勢,提供了一種可實施的技術(shù)參考,在保障模型精度的同時減少了人工交互成本,是一套完備可行的城市級實景三維建設(shè)技術(shù)流程框架。

2 研究區(qū)概況

選取成都市天府新區(qū)作為研究區(qū)域,其位于天府新區(qū)成都直管區(qū)西南區(qū)域,面積為154.4 km2,研究區(qū)范圍如圖2所示。研究區(qū)域大部分坡度在2°～6°范圍內(nèi),高差較大,坡度較緩,東南部分為山地。整個研究區(qū)內(nèi)最高點為820 m,最低點為450 m。研究區(qū)域內(nèi)約20%屬于城鎮(zhèn)區(qū)域,建筑物較密集,其余區(qū)域植被覆蓋茂密,農(nóng)作物、低矮灌木、喬木等植被面積占約70%。成都市天府新區(qū)屬于城市中較為復(fù)雜的地理場景,單一技術(shù)難以完整且精細(xì)地進行三維表達。

圖2 研究區(qū)范圍

3 實景三維模型構(gòu)建方法

3.1 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

外業(yè)數(shù)據(jù)采集分為傾斜航空攝影測量與機載激光掃描測量。為確保實景三維模型成果精度及部分中間成果的檢查[12]精度,完成了各類控制點、檢查點1323個,平均點密度為8.6點/km2。并以像控點設(shè)計位置為依據(jù),在實地實施像控點標(biāo)記布設(shè)和點位測量工作。匯總所有像控點坐標(biāo)測量成果,實現(xiàn)了平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換與水準(zhǔn)面精化處理。

(1)傾斜航空攝影測量數(shù)據(jù)采集。通過傾斜航空攝影技術(shù)獲取影像數(shù)據(jù),根據(jù)無人機平臺的續(xù)航時間、操控半徑及測區(qū)地形起伏情況,將測區(qū)分為多個航攝分區(qū)。在測量過程中,確保每個分區(qū)的航線長度均不大于無人機平臺遙控半徑的60%,以確保飛行時的安全性。根據(jù)每個分區(qū)的地形起伏情況、高層建筑分布、交通道路等情況分別設(shè)計完成了航線和像控點,將研究區(qū)域航攝分區(qū)為37個,具體分區(qū)如圖3所示。

圖3 航攝分區(qū)范圍

同時,為滿足實景三維模型的空間位置精度和結(jié)構(gòu)精細(xì)度的需求,考慮測區(qū)地形起伏和高層建筑,本文設(shè)置的航攝飛行高度為240 m,航攝影像的分辨率為3.8 cm/像素,影像航向重疊度為80%、旁向重疊度為65%,滿足《低空數(shù)字航空攝影測量規(guī)范》(CH/Z 3005-2010)的要求。

(2)機載激光掃描數(shù)據(jù)采集。通過機載激光掃描技術(shù)獲取點云數(shù)據(jù)[13],為滿足DEM高程精度和實景三維模型高程精度的需求,將點云密度設(shè)為30點/m2。根據(jù)激光掃描儀的有效測程,并考慮研究區(qū)域內(nèi)地形起伏和高層建筑等因素,將飛行高度設(shè)為150 m。為保證點云預(yù)處理精度與數(shù)據(jù)覆蓋范圍,航向重疊度設(shè)為30%,滿足《機載激光雷達數(shù)據(jù)獲取技術(shù)規(guī)范》(CH/T 8024-2011)要求。

(3)外業(yè)數(shù)據(jù)成果檢驗。共布設(shè)和測量有效點位1323個,經(jīng)過檢查,像控點符合使用要求。傾斜攝影數(shù)據(jù)獲取共計飛行109架次,激光掃描共計飛行23架次,包括正常飛行和補充飛行,獲取數(shù)據(jù)質(zhì)量全部滿足后續(xù)應(yīng)用要求。

3.2 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理與建模

(1)影像數(shù)據(jù)空中三角測量與自動建模。本文的空三工程在瞰景Smart3D軟件[14]中完成,完成后即開始進行連接點匹配,軟件自動匹配出相鄰影像的大量同名點,并完成影像自由網(wǎng)空三平差。完成連接點提取且檢查通過后,開始對該分區(qū)的像控點進行量測處理。由軟件對連接點、控制點、POS值等進行光束法約束平差處理,最終獲得具有高精度的連接點和影像的內(nèi)、外方位元素成果。在空三平差后,自動計算出每個檢查點的誤差值。

模型的生成是利用傾斜攝影軟件,完成空三處理,并檢查通過后進行自動建模,最終得到精度、精細(xì)程度、紋理色彩均符合真實場景的OSGB格式的三維模型,模型成果如圖4所示。

圖4 OSGB格式的模型成果

(2)激光點云處理。激光點云數(shù)據(jù)的處理包括剔除噪聲和異常值。通過對點云數(shù)據(jù)的濾波,從較低的激光點中提取初始地表面,基于初始地表面進行迭代運算,獲取地面點云數(shù)據(jù)和非地面點云數(shù)據(jù),如圖5所示。目前自動分類的算法可以達到約80～90%的正確率,但是在陡坎、梯田田坎等地形突變的區(qū)域就會出現(xiàn)地面點缺失的現(xiàn)象。因此,為確保地形的完整性,濾波完成后還需要由人工交互進行分類糾正。最后將點云數(shù)據(jù)進行必要的平面坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換和高程轉(zhuǎn)換,得到成都市平面坐標(biāo)系和1985國家高程基準(zhǔn)下的點云成果。

圖5 點云自動濾波處理

(3)模型成果。點云數(shù)據(jù)處理完成后,設(shè)置相關(guān)參數(shù),包括格網(wǎng)尺寸、外擴緩沖區(qū)、最大三角網(wǎng)尺寸等,再利用地面點自動輸出DEM,利用格網(wǎng)內(nèi)最高點自動輸出DSM。同時,對傾斜攝影測量中導(dǎo)出的空三成果進行相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析和轉(zhuǎn)換,形成可靠準(zhǔn)確的相機參數(shù)和影像的外方位元素;并利用旋轉(zhuǎn)角系統(tǒng)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)[15],將矩陣形式的影像姿態(tài)信息轉(zhuǎn)換為Omega-Phi-Kappa形式的轉(zhuǎn)角系統(tǒng)。最后,在數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)中導(dǎo)入上述成果及DEM數(shù)據(jù)成果。利用DEM構(gòu)建的地形模型對影像進行正射糾正,輸出每張影像的正射糾正成果。在數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)中對正射糾正的影像進行自動拼接和鑲嵌處理,使不同影像之間色彩均勻、過渡合理,最終輸出為指定圖幅的分幅DOM成果,如圖6所示。

圖6 影像鑲嵌處理形成的DOM

(4)實景三維模型。利用三維GIS平臺的地形模型制作工具,導(dǎo)入DEM與DOM成果,自動構(gòu)建地形場景模型,如圖7所示。地形模型是下一步構(gòu)建實景三維模型的基礎(chǔ)。

圖7 地形模型制作

另外,將由影像數(shù)據(jù)處理得到的OSGB模型導(dǎo)入軟件中,設(shè)置相關(guān)參數(shù)后,根據(jù)OSGB中需要單體化的建筑物對象所呈現(xiàn)出的位置、形狀、結(jié)構(gòu)等信息,重新構(gòu)建出模型。對原始傾斜影像自動貼紋理實現(xiàn)模型精修,紋理通過照片坐標(biāo)和模型坐標(biāo)匹配,人工進行干預(yù)選擇最佳紋理吻合的區(qū)域,自動完成紋理映射(如圖8所示)。

圖8 單體化建筑模型制作

3.3 精度評價

為保證最終構(gòu)建的實景三維模型精度,本文根據(jù)相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)對技術(shù)架構(gòu)過程中的各項成果進行了精度評價,采用中誤差與誤差最大值兩個指標(biāo)評價模型的精度,結(jié)果見表1。

表1 模型精度評價結(jié)果 m

經(jīng)查驗,成果各項指標(biāo)滿足《實景三維中國建設(shè)技術(shù)大綱》中城市級實景三維建設(shè)數(shù)據(jù)精度和地理實體的采集要求,模型精度符合設(shè)計要求,表達質(zhì)量符合要求,邏輯一致。

3.4 城市級實景三維模型成果

經(jīng)過精度評價檢驗后,由地形場景模型與建筑單體化模型融合并共同構(gòu)成城市級實景三維模型,如圖9所示。該實景模型包括DEM、DOM、DSM及單體化模型在內(nèi)的各種模型成果,形成了數(shù)字城市建設(shè)的二三維一體化基礎(chǔ)底座。

圖9 城市級實景三維模型局部示例

4 結(jié) 語

城市實景三維模型是對城市進行信息管理的重要手段,隨著無人機技術(shù)與三維激光掃描技術(shù)的不斷發(fā)展,地理信息數(shù)據(jù)的現(xiàn)勢性和準(zhǔn)確性得到了進一步提高。本文基于傾斜影像數(shù)據(jù)和激光點云數(shù)據(jù)系統(tǒng)性設(shè)計了城市級實景三維建設(shè)技術(shù)架構(gòu),包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理與建模、模型精度評價在內(nèi)的全生命周期流程。試驗證明,本文方法在全面保障三維模型精度的同時,大幅節(jié)約了生產(chǎn)成本,也為后期實景三維成都建設(shè)和其他城市級實景三維建設(shè)研究提供了參考依據(jù)。

在實際生產(chǎn)過程中,面向城市級實景三維建設(shè)的整體技術(shù)框架設(shè)計仍然存在依賴于人工的關(guān)鍵技術(shù),但其有待攻克。總體而言,當(dāng)前實景三維信息源數(shù)據(jù)的快速獲取與自動化處理技術(shù)已逐步成熟,但三維實體數(shù)據(jù)提取與構(gòu)建的自動化率還較低,仍涉及大量人工處理,多源多尺度三維實體的自動化匹配技術(shù)也有待研發(fā),這是未來實景三維建設(shè)的重要挑戰(zhàn)。