利用傾斜攝影與激光掃描技術構建城市級實景三維模型

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. 武漢大學資源與環境科學學院,湖北 武漢 430079)

實景三維數據是新型基礎測繪轉型升級的具體成果形式,也是數字中國、數字政府、數字經濟最堅實的數據底座[1-2]。近10年來,實景三維建設作為一種新的城市空間信息管理輔助手段,越來越受到城市規劃、城市建設等政府行政管理部門的青睞,產生了良好的社會效益和經濟效益[3]。

隨著“實景三維中國”[2]建設計劃的快速推進和“智慧城市”[4]建設需求的不斷提升,城市級實景三維模型成為構建三維基礎地理信息系統的重要數據載體。目前實景三維建設技術主要包括以測繪數字地形數據構建實景三維的方法、以數字高程數據為基礎的實景三維構建、基于傾斜影像數據的軟件半自動實景三維構建和基于三維激光掃描技術的實景三維構建技術[5]。前兩種方法屬于傳統的實景三維構建技術,存在著地形數據獲取手段復雜、模型構建周期長、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手段,在實際三維實景模型構建中應用較為廣泛,但基于傾斜影像的半自動三維構建的模型精度較低,通過三維激光掃描技術獲取點云構建模型可以解決精度低的問題,但僅通過處理激光點云數據進行城市級大規模的三維實景建模成本太高。目前傳統或非傳統的三維實景構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建、準確的模型輪廓構建及精美的紋理特征呈現是三維城市實景構建技術發展的關鍵步驟[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,從頂層設計出發,構建一套城市級實景三維建設的全生命周期技術路線框架,從而更加高效地獲取和生產多項高精度實景三維數據和模型成果,并以成都市天府新區的實景三維建設為例,驗證該架構的可行性,以期為城市規劃、城市建設及智慧管理等提供支撐和保障。

1 城市級實景三維建設技術路線架構

相較于傳統的二維測量手段,傾斜攝影技術不僅能夠從更大的空間范圍進行信息采集,而且在面對城市復雜的元素和地形時能夠很好地獲取空間信息,傾斜影像數據的分辨率更高,因此由傾斜攝影技術得到的影像數據可操作性更強,也是城市建筑群紋理特征信息來源的基礎[9]。而激光掃描技術相較于傳統測量技術,具有測量速度快的優勢,能夠快速得到目標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據,是地形場景構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,不僅需要構建大規模地形場景模型,也需要精細化、單體化的三維建筑模型[11],而單一的技術難以構建如此復雜且精細化的實景三維模型。融合了傾斜攝影技術和三維激光掃描技術的方法則可以突破傳統方法構建城市級實景三維模型的技術瓶頸,因此,本文基于這兩種前沿技術,構建了一套包括數據采集、數據處理與建模、模型精度評價在內的技術路線框架,如圖1所示。

圖1 城市級實景三維建設技術路線架構

技術架構在內業和外業兩個大技術流程下進行構建,外業數據采集的成果直接決定了后期數據處理與建模的精度與效率,外業數據成果主要由傾斜攝影測量數據與激光點云數據兩部分構成。其中,通過傾斜攝影獲取的影像數據可以構建單體化模型成果及數字正射影像圖(DOM)成果,單體化模型構成城市實景三維場景中的精細化建筑三維模型;而激光掃描獲取的點云數據可以構建數字高程模型(DEM)及數字表面模型(DSM),與DOM共同構成城市實景三維場景中的大規模地形場景模型。兩類數據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,最終構成城市級實景三維場景模型。

構建的技術架構較好地結合了傾斜攝影和激光掃描兩種技術的優勢,提供了一種可實施的技術參考,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技術流程框架。

2 研究區概況

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

圖2 研究區范圍

3 實景三維模型構建方法

3.1 外業數據采集

外業數據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。并以像控點設計位置為依據,在實地實施像控點標記布設和點位測量工作。匯總所有像控點坐標測量成果,實現了平面坐標轉換與水準面精化處理。

(1)傾斜航空攝影測量數據采集。通過傾斜航空攝影技術獲取影像數據,根據無人機平臺的續航時間、操控半徑及測區地形起伏情況,將測區分為多個航攝分區。在測量過程中,確保每個分區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。根據每個分區的地形起伏情況、高層建筑分布、交通道路等情況分別設計完成了航線和像控點,將研究區域航攝分區為37個,具體分區如圖3所示。

圖3 航攝分區范圍

同時,為滿足實景三維模型的空間位置精度和結構精細度的需求,考慮測區地形起伏和高層建筑,本文設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《低空數字航空攝影測量規范》(CH/Z 3005-2010)的要求。

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

(3)外業數據成果檢驗。共布設和測量有效點位1323個,經過檢查,像控點符合使用要求。傾斜攝影數據獲取共計飛行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,獲取數據質量全部滿足后續應用要求。

3.2 內業數據處理與建模

(1)影像數據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,并完成影像自由網空三平差。完成連接點提取且檢查通過后,開始對該分區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、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。激光點云數據的處理包括剔除噪聲和異常值。通過對點云數據的濾波,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,獲取地面點云數據和非地面點云數據,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域就會出現地面點缺失的現象。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。最后將點云數據進行必要的平面坐標系轉換和高程轉換,得到成都市平面坐標系和1985國家高程基準下的點云成果。

圖5 點云自動濾波處理

(3)模型成果。點云數據處理完成后,設置相關參數,包括格網尺寸、外擴緩沖區、最大三角網尺寸等,再利用地面點自動輸出DEM,利用格網內最高點自動輸出DSM。同時,對傾斜攝影測量中導出的空三成果進行相應的數據分析和轉換,形成可靠準確的相機參數和影像的外方位元素;并利用旋轉角系統轉換系統[15],將矩陣形式的影像姿態信息轉換為Omega-Phi-Kappa形式的轉角系統。最后,在數字攝影測量系統中導入上述成果及DEM數據成果。利用DEM構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。在數字攝影測量系統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,導入DEM與DOM成果,自動構建地形場景模型,如圖7所示。地形模型是下一步構建實景三維模型的基礎。

圖7 地形模型制作

另外,將由影像數據處理得到的OSGB模型導入軟件中,設置相關參數后,根據OSGB中需要單體化的建筑物對象所呈現出的位置、形狀、結構等信息,重新構建出模型。對原始傾斜影像自動貼紋理實現模型精修,紋理通過照片坐標和模型坐標匹配,人工進行干預選擇最佳紋理吻合的區域,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

為保證最終構建的實景三維模型精度,本文根據相關規范標準對技術架構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評價模型的精度,結果見表1。

表1 模型精度評價結果 m

經查驗,成果各項指標滿足《實景三維中國建設技術大綱》中城市級實景三維建設數據精度和地理實體的采集要求,模型精度符合設計要求,表達質量符合要求,邏輯一致。

3.4 城市級實景三維模型成果

經過精度評價檢驗后,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及單體化模型在內的各種模型成果,形成了數字城市建設的二三維一體化基礎底座。

圖9 城市級實景三維模型局部示例

4 結 語

城市實景三維模型是對城市進行信息管理的重要手段,隨著無人機技術與三維激光掃描技術的不斷發展,地理信息數據的現勢性和準確性得到了進一步提高。本文基于傾斜影像數據和激光點云數據系統性設計了城市級實景三維建設技術架構,包括數據采集、數據處理與建模、模型精度評價在內的全生命周期流程。試驗證明,本文方法在全面保障三維模型精度的同時,大幅節約了生產成本,也為后期實景三維成都建設和其他城市級實景三維建設研究提供了參考依據。

在實際生產過程中,面向城市級實景三維建設的整體技術框架設計仍然存在依賴于人工的關鍵技術,但其有待攻克?？傮w而言,當前實景三維信息源數據的快速獲取與自動化處理技術已逐步成熟,但三維實體數據提取與構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也有待研發,這是未來實景三維建設的重要挑戰。