三维智慧城市建设.docx
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三维智慧城市建设
倾斜摄影测量系统应用案例
三维智慧城市建设
浙江中海达空间信息技术有限公司
一、项目概况
1.项目背景
为了建立智慧城市管理系统，通过对某城区城区建筑部件进行倾斜摄影，建立城市三维立体模型。
城区测量面积约10平方公里。
倾斜摄影测量技术以大范围、高精度、高清晰的方式全面感知复杂场景，通过高效的数据采集设备及专业的数据处理流程生成的数据成果直观反映地物的外观、位置、高度等属性，为真实效果和测绘级精度提供保证。
通过倾斜摄影建模，实现城市三维漫游、显示与管理，使城市管理更加直观方便。
我公司作为项目承建单位，根据业主要求与项目技术服务要求，成立了项目组，配备了软硬件设备，承担该市城区约10平方公里5cm分辨率航空影像数据、倾斜影像图和建筑三维模型。
编写了技术实施方案与项目实施计划，承担该城区约10平方公里5cm分辨率航空影像数据、倾斜影像图和建筑三维模型。
2.主要软硬件设备
序号
软硬件名称
数量
备注
1
计算机工作站
3套
2
OS-M8无人机
2架
一架应急备用
3
中海达V60RTK
2台
4
工具车
1辆
5
Smart3D软件
4套
6
航天远景软件
2套
7
计算机、办公软件等
若干
8
Photoscan数据处理软件
2套
9
OSketch
4套
图1-1
图1-2，中海达OS-M8八旋翼无人机
3.作业依据
a）《1:
500、1:
1000、1:
2000比例尺地形图航空摄影规范》（GB/T6962-2005）；
b）《1:
500、1:
1000、1:
2000地形图航空摄影测量数字化测图规范》（GB/T15967-2008）；
c）《1:
500、1:
1000、1:
2000比例尺地形图航空摄影测量外业规范》（GB/T7931-2008）；
d）《1:
5001:
10001:
2000外业数字测图技术规程》（GB/T14912-2005）；
e）《国家基本比例尺地图图式第一部分：
1：
500、1：
1000、1:
2000地形图图式》（GB／T20257.1-2007）；
f）《卫星定位城市测量技术规范》（CJJ／T73-2010）；
g）《数字测绘产品检查验收规定和质量评定》（GB/T18316-2008）；
h）《城市测量规范》（CJJ8-99）；
i）《全球定位系统实时动态测量（RTK）测量技术规范》（CH/T2009-2010）；
j）《全球定位系统（GPS）测量规范》（GB/T18314―2009）；
k）《低空数字航空摄影测量内业规范》（CH/Z3003－201090）；
l）《低空数字航空摄影测量外业规范》（CH/Z3004－2010）；
m）《低空数字航空摄影规范》（CH/Z3005－2010）；
n）《基础地理信息数字成果1:
5001:
10001:
2000数字倾斜影像图》（CH/T9008.3－2010）；
o）《数字航空摄影测量空中三角测量规范》（GB/T23236-2009）;
p）《数字测绘成果质量要求》（GB/T17941-2008）；
q）《测绘作业人员安全规范》（CH1016-2008）；
r）《测绘技术设计规定》（CH/T1004-2005）；
s）《测绘技术总结编写规定》（CH/T1001-2005）；
t）《航空摄影产品的注记与包装》（GB/T16176-1996）；
u）《地球空间数据交换格式》（GB/T17798-1999）；
v）《基础地理信息要素分类与代码》（GB/T13923-2006）；
本次项目实施以本项目技术要求为准，如本设计书未提及部分参照相关国家标准。
4.成果技术指标及规格
4.1数学基础
成图精度及要素取舍参照国家1：
500比例尺标准。
4.2产品规格
（1）测区面积：
10平方公里；
（2）影像分辨率：
5cm；
（3）椭球体：
WGS84；
（4）数据格式：
GeoTiff；
（5）坐标系：
CGCS2000；
（6）交货方式：
整体提交，电子光盘，物流快递；
5.作业流程
航空摄影测量是利用航空飞行器所获取的影像数据，构建立体模型测定目标物的形状、大小、空间位置、性质和相互关系的科学技术。
目前生产采用的数字摄影测量是利用数字立体影像，借助计算机技术提取所摄对象的几何与物理特征，并用全数字化方式进行的摄影测量。
该项目主要利用近年来成熟的中低空无人机航空数字摄影技术，对项目区域获取高分辨率的航空影像数据；首先根据测区的地形、地貌条件，制定合理的航摄计划，选择最有利的飞行时机，利用先进的低空数码航测技术对测区进行航空摄影，获取测区的最佳影像资料。
本项目采用小型无人机搭载倾斜影像测量系统进行航摄获取原始影像影像数据，具体作业流程如下图：
图1-2
图1-2，作业流程图
二、航空摄影测量实施
1、设备选择及技术要求
1.1飞行器选择
中海达OS-M8八旋翼无人机。
机身自重7.1KG，多旋翼飞机轴距1280mm，旋翼长度18寸，飞行时长30~45min，最大载荷5kg，飞机升限4500m，控制半径10km，巡航速度0~12m/s，升降速度2-10m/s，作业环境-10~+40℃，最大抗风能力6级，航线自主飞行，双星双控、断桨保护、失控返航。
可满足本次航空摄影测量任务。
1.2航摄相机选择
采用本公司自行研发的5镜头倾斜摄影测量相机，其中1个垂直向下，前、后、左、右四个方向各一个镜头，倾斜角度45度，相机重量2.1kg，镜头焦距10.4mm，总像素大于1亿，同步记录曝光点pos数据信息，gps数据信息，最大影像分辨率2cm。
作业环境-10~+40℃。
1.3航摄技术要求
航空摄影测量是利用无人机作为遥感传感器的飞行平台，使用所搭载的传感器，近地面区域对测区进行航拍摄影，通过无人机的姿态信息对获取的影像进行解算和拼接，并对数据进行提取分析，进而实现对测区地表特征进行监测。
获取可用于绘制1：
500地形图和数字倾斜影像图的立体影像。
航空摄影测量应根据不同测区的地形特点，在确保测图精度的前提下，本着有利于缩短成图周期、降低成本、提高综合效益的原则，航摄相对航高按下式计算：
式中：
H——摄影航高，单位为米（m）；f——镜头焦距，单位为毫米（mm）；a——像元尺寸，单位为毫米（mm）；GSD——地面分辨率，单位为米（m）。
像片重叠度、像片倾斜角、像片旋偏角、航线弯曲度、影像质量等飞行质量和摄影质量要求必须符合CH/Z3005－2010《低空数字航空摄影规范》的要求。
2、航摄区域任务规划及航线设计
2.1航线布设及飞行工作量
A）航线布设原则:
航线按照测区走向直线方法布设,平行于测区边界线的首末航线的侧视镜头能够获得测区的有效影像。
考虑到倾斜摄影相机拍摄角度，为保证边缘物体立体成像，航线覆盖超出测区边界线至少200米。
当任务目标区域范围过大或者目标区域落差较大，需考虑分区域对测区进行航拍测量。
对于此次任务的目标区域范围较大且测区的形状不规格，避免航线过长，可将此次航测区域范围分为几个测区，以下图为范例，将航测区域范围分成了7个测区
图2-1航摄分区图
B）航测工作量计算及工作安排：
测区航线根据高空风向以及测区形状决定航线的敷设方式。
根据对测区精度的需求，根据航测照片的重叠度以及相机参数，由电脑计算出航线间距以及相机拍照间距，便可确定航线，并根据现场风力的大小情况确定飞机的作业速度（风越大飞机的作业速度设计的越小，这样飞机有更多的时间调节姿态，以保证飞机影像的可靠性）。
根据每架次飞行最大时间30分钟，每架次作业安照0.8小时计算。
每天飞行架次。
可计算飞行所需总架次，即可计算多少航摄日即可完成全部航拍任务。
附飞行工作量预算表。
表2.1飞行工作量预算表
分区
航线长度
（km）
测区面积
（km2）
飞行架次
（次）
总时间
（小时）
分区1
分区2
分区3
分区4
分区5
分区6
分区7
合计
C）测区航线图
对该市测区分区后，规划好每个区的航线，基本设计方式如下：
图2-2分区1航线图
图2-3分区2航线图
图2-4分区3航线图
图2-5分区4航线图
图2-6分区5航线图
图2-7分区6航线图
图2-8分区7航线图
2.2航飞作业
A）摄影时间选择
摄影时间根据地形条件、气象条件和本地特点选择在上午9：
00至下午5：
00之间进行，减少相片中阴影面积。
并避免在大风，下雨及能见度不好的天气情况下飞行。
B）飞行要求
1）按设计航迹坐标采用GPS导航；
2）需要分区时，航向航线重叠至少1张照片，旁向航线重叠至少1条航线。
3）像片重叠度航向80％，旁向70％。
4）像片倾角一般不大于5°，个别最大不超过12°，出现超过8°的片数不多于总数的10%。
要求没有航摄漏洞出现。
5）像片旋角一般不大于15°，个别最大不超过30°，在同一条航线旋角超过20°相片数不应超过3片，超过15°旋角的像片数不得超过分区像片总数的10%。
像片倾角和像片旋角不应同时达到最大值。
6）像片能满足制作1：
500倾斜影像图的要求。
C）航摄质量控制与保障
项目航飞过程中，必须遵守以下要求：
航飞摄影测量开始前，工程技术人员尽可能详细了解测区的地形、气象、交通等信息，认真审核项目实施方案，作好进场前的各项准备。
飞行员要了解测区空域情况，熟悉周边机场位置和现场空中管制及通讯联络方式、要求。
飞行中采用GPS导航系统，按照航线设计数据飞行，数码航空摄影时，飞行要尽可能平稳，旋偏角、航偏角不能超过规范要求。
D）航测作业过程中的注意事项：
1）在充分了解测区情况后，需要根据测区的具体情况以及作业精度要求和作业安全的考虑，选取合适的起飞点，起飞点的选取包括整个测区的通视情况、飞机安全起飞降落平台的宽阔及地面的平整性、起飞点位于测区相对高程较高处以保证视野等综合因素。
2）起飞前需检查飞机各个部位的螺丝以及各部分设备之间是否出现松动，如有松动一定要拧紧。
3）电池在安装前必须拿测电器检查是否满电，如果电量不足，则切记不可使用，需换一组电池，避免出现意外。
在安装电池时电池不要靠GPS靠得太近避免因飞机震动导致电池与GPS接收机有碰撞，也避免了电池自身的磁场对ＧＰＳ的干扰。
4）飞机先接飞控电，动力电需等航线规划、上传验证无误、以及相机等其他一切设备都准备就绪了才能接电，且在接动力电时一定要确认相机是在关机状态。
准备无误，接通动力电，相机开机，检查相机是否正常工作，一切无误后，主控手操作飞机起飞，并进入航线。
注意在野外作业时，如果场地灰尘较大应提前准备起飞降落的布，防止因起飞的风力造成的灰尘卡住相机，进而损坏相机。
5）在进入航线后，在航线自主导航飞行过程中主控手与地面站人员需配合默契。
主控手主要负责飞机的起飞降落，以及飞行过程中实时关注飞机状态，时刻准备应对突发状态；地面站人员需时刻关注地面站上飞机的回传信息，包括飞机位置、高度、电池电量、飞机姿态、双子星数据等，并时刻与主控手保持联系，确保主控手能实时了解飞机状态。
6）在航线结束后，由主控手操控飞机降落，飞机降落后，不着急断电，但要注意现场安全。
飞机降落后，在地面站上获取飞机的pos数据、航线截图、以及检查相机照片数量是否与pos数据一致。
检查数据无误后，先将相机关机，然后断动力电，最后在断飞控电。
收拾设备，注意不要遗漏。
E）像控点的选取
从野外回来，及时将相机里的照片拷贝出来，由于相机由五个镜头组成，每个镜头的照片都是独立的，所以在拷贝照片时要分镜头存储，备份。
从正射相片中选取该测区的像控点。
因为像控点精度严重影响测图精度，所以在选取像控点时，一定要选纹理分明的点以保证像控点精度。
像控点精度主要包含两个方面，一是像控点的测量精度，二是像控点影像目标精度，前者现在普遍采用GPS进行测量，精度较高，一般小于5个cm的测量误差，可以忽略不计，但像控点影像目标精度就不一样了，它取决于地表影像纹理的丰富程度，所以在选取时应选择纹理明显的，对空通视，像控点位置平坦并均匀分布在测区，如果测区无明显纹理地物，则应该先布设像控点目标可提高精度。
在室内找好像控点后，到现场踩像控点是记得做好记录、拍照。
回到室内整理好点之记。
F）整理与质量检查
影像的地面分辨率优于0.05米，保证影像清晰，反差适中，颜色饱和，色彩鲜明，色调一致，能够辨别与地面分辨率相适应的地物影像。
航摄过程中出现的绝对漏洞、相对漏洞及其它严重缺陷要进行补摄，漏洞补摄按照原设计航迹进行。
对于不影响内业加密点和模型连接的相对漏洞及局部缺陷（如云、云影、斑痕等），可只在漏洞处补摄。
补摄航线长充应超出漏洞外一条基线。
G）数据整理与移交
需移交的数据包括：
航线截图、POS数据、原始照片、像控点坐标（如果坐标需转换则需提交原始坐标以及转换后的坐标）、像控点点之记、差分数据。
如果飞机架次较多需按日期、架次分好文件夹。
三、数据处理
本项目的三维数字城市模型运用Smart3Dcapture强大的基于图像密集匹配技术的快速三维场景运算功能，进行倾斜摄影空中三角测量解算、进行地面景物的逼真实景真三维重构，最终达到实现全要素的三维数字城市模型及场景生产的目的。
本项目的技术流程如图所示：
图3-1数据处理技术流程图
3.1航空摄影测量数据处理要求
（1）消除影像畸变差。
（2）增加外业像控数量，提高空三加密的精度。
（3）内业测图，多调用相关像对，尽量不使用像对边缘部分测图。
3.2数据预处理
由于倾斜摄影相机装备了5个不同朝向的相机，倾斜摄影角度为45°。
在拍摄曝光的瞬间，5个相机所拍摄的角度不一致，就必然会出现光线反差、强度等的不一致;这样就有可能导致出现同一地物影像在不同相机下的色彩、明暗程度出现差异，最终影响到三维真实场景的精度和效果。
在影像质量检查阶段和Mosaic阶段对影像颜色进行调整，解决测区局部因为天气影响导致的有雾、反差较差等颜色问题，以消除因为雾气、反差等因素的影像。
3.3空中三角测量
（1）数据准备：
根据测区范围选择影像；整理pos数据；对相机文件进行分析，获得焦距、像素等相机参数；确定飞行方向对影像进行旋转；建立金字塔，对原始扫描影像文件进行压缩处理，提高运算速度。
（2）在Smart3DCapture软件中创建工程，导入预处理后的倾斜影像、POS成果、像控成果等数据。
（3）影像自动匹配，利用同名光线匹配影像左右片的同名点，对特殊地貌、阴影、遮挡等原因导致的连接点不够，反复增加此处的相对定向点重新匹配。
（4）相对空三解算，达到相对定向连接点上下视差中误差为1/3像素，连接点上下视差最大残差为2/3像素。
（5）量测控制点，在立体显示环境下，结合外业控制点像片和点之记，精确量测控制点。
相对空三解算通过后再量测，选取控制点，进行绝对解算。
（6）绝对空三解算，绝对定向与区域网平差计算后，基本定向点残差、检查点误差。
然后根据需要导出不同格式的模型数据。
图3-2Smart3DCapture软件中空三加密过程
3.4实景真三维模型生成
A）三维重建
空三加密后获得了高密度的点云数据，对于该城区的海量数据，采用切块分割的方式将该市航测按数据密集程度分割成数块。
构建不规则三角网TIN数据，并生成白膜的三维模型。
对生成白膜的三维模型赋予纹理，由于倾斜摄影能够获取详细准确的影像与地理信息，再加上先进的定位技术所获取的影像都具有精确的坐标信息，通过纹理映射，可自动迅速地将影像纹理贴在相对应的三维模型面上，以此生成基于影像纹理的高分辨率倾斜摄影三维模型（如图3-3所示）。
图3-3TIN数据
图3-5白模模型
图3-6基于影像纹理的高分辨率倾斜摄影三维模型
B）模型的修复与编辑
在全自动实景真三维建模的过程中，由于水面、玻璃面反光，建筑物、广告牌等一些特殊地物在空三加密时无法匹配到正确的连接点或者匹配生成的模型有较大变形时，会导致生成的三维模型出现漏洞或模型扭曲。
所以，在首批三维数据成果场景生成后，筛选出需编辑的模块，借助第三方软件GeomagicStudio进行修补。
采用反复处理（修补—质量控制—再生产模式），直到生产出的三维成果数据满足要求。
C）实景真三维成果
将修复完善的模型在Smart3DCapture软件中，对树木、水体、房屋等独立真实空间位置、独立真实形态、贴图纹理及颜色进行逼真还原，可达到整体景观效果的现势性和真实性，即可完成该市重点区域数字城市实景三维模型的生产。
图3-7真三维效果图
D）质量控制
1）影像质量
（1）地面分辨率符合要求；
（2）影像清晰、纹理清楚、反差适中、色调均匀；
（3）影像镶嵌（接边）处无重影、模糊或纹理断裂。
影像应连续完整，过渡自然。
灰度无明显不同；对于彩色影像，色彩应平衡一致；
（4）地物地貌真实，无扭曲变形等缺陷；
（5）整体外观整洁、美观；
2）数据源的质量控制
（1）航摄开始前，进行设计方案审核。
（2）飞行计划数据输入自动驾驶仪前，应采取两人独立计算、两次计算结果对比检查，第三人全面检查的作业方法，保证飞行基础数据的准确性。
（3）航摄资料按标准格式认真编制清单，电子文档附加详细格式和使用说明。
3）数据源的质量控制
相机文件，控制点数据、加密成果必须准确无误。
四、提交成果
（1）测区原始航片；倾斜影像数据。
（2）相机校验文件；
（3）POS数据文件；
（4）测区基于倾斜摄影测量数据处理所得全区三维模型。
（5）项目最终验收时，我方配合甲方进行验收。
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