摘要：為滿足天府新區(qū)成都直觀區(qū)的規(guī)劃、建設(shè)、管理需要，我司實施了天府新區(qū)的實景三維數(shù)據(jù)生產(chǎn)項目。項目使用飛馬D200型無人機平臺，獲取了高精度的傾斜影像數(shù)據(jù)和激光點云數(shù)據(jù)，并完成了影像空三處理、模型重建、模型單體化、點云分類等處理流程。經(jīng)過檢查，成果精度和效果均符合預(yù)期，可以滿足實景三維地理信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)要求。并在項目實施過程中，使用了航高檢查、航線優(yōu)化、影像篩選等創(chuàng)新型方法，有效提高了數(shù)據(jù)的生產(chǎn)效率。

1 項目概述

1.1 項目背景

城市建設(shè)的高速發(fā)展對政府各項工作提出了更高的要求。為有效應(yīng)對這一局面，各級政府需要在城市的規(guī)劃、建設(shè)、管理等工作中充分了解各方面信息，做出科學(xué)合理的決策。因此對基礎(chǔ)地理信息產(chǎn)品的多樣性和現(xiàn)勢性有更高的要求。實景三維數(shù)據(jù)具有空間精度高、紋理真實、現(xiàn)勢性強等諸多優(yōu)勢，可以有效反映城市的空間布局，進而輔助國土空間規(guī)劃建設(shè)和城市精細化管理。

為滿足四川省天府新區(qū)成都直管區(qū)政府工作需要，為城市的規(guī)劃建設(shè)、國土管理等重要工作提供更加豐富、精準和及時的基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)，我院受天府新區(qū)成都直管區(qū)政府委托，生產(chǎn)天府新區(qū)天府中心及科學(xué)城起步區(qū)域的實景三維數(shù)據(jù)，用于后續(xù)的實景三維地理信息系統(tǒng)的建設(shè)。

1.2 測區(qū)特點

測區(qū)位于天府新區(qū)成都直管區(qū)中部，面積77平方公里。區(qū)域內(nèi)地形以丘陵為主，植被茂密，河流湖泊眾多，路網(wǎng)密集，交通便利，有大量的基礎(chǔ)設(shè)施和建筑的建設(shè)工地，并有大量的高層和超高層建筑（圖1）。測區(qū)內(nèi)天氣狀況以陰雨天氣為主，項目實施周期中降水頻繁，適合航飛作業(yè)的時間窗口十分稀缺。

圖1 天府新區(qū)現(xiàn)狀

1.3 成果類型

本項目要求的成果類型包括：

（1）基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)：數(shù)字真正射影像TDOM、數(shù)字高程模型DEM、數(shù)字表面模型DSM；

（2）實景三維模型：DEM與TDOM融合的三維模型、單體化的建筑實景三維模型。

1.4 設(shè)備選用

由于測區(qū)內(nèi)地形起伏較大、植被茂密、超高層建筑眾多、作業(yè)時間有限，因此對無人機平臺和數(shù)據(jù)采集設(shè)備提出了較高的性能需求，包括如下幾點：

（1）為適應(yīng)丘陵地區(qū)的地形起伏，飛行平臺應(yīng)具有較高的機動性，可以靈活完成變高飛行和小半徑轉(zhuǎn)向；

（2）飛行平臺應(yīng)配備高精度GNSS差分設(shè)備，可以保持航線的穩(wěn)定性并有效減少地面控制點數(shù)量；

（3）為適應(yīng)植被茂密區(qū)的數(shù)據(jù)采集，飛行平臺應(yīng)掛載激光掃描設(shè)備，獲取高密度的激光點云數(shù)據(jù)；

（4）為同時保證飛行安全和數(shù)據(jù)質(zhì)量，傾斜攝影相機應(yīng)可以在較高的安全高度獲取高分辨率的影像；

（5）飛行平臺應(yīng)具有較高的組裝和飛行效率。

鑒于本項目的需求，最終選取了飛馬的D200型無人機作為飛行平臺，使用OP300、OP400兩款傾斜攝影相機，以及D-LiDAR200激光掃描儀。飛馬D200無人機采用四旋翼布局，集成有高精度差分GNSS模塊，可以靈活掛載多種任務(wù)載荷，有效作業(yè)時間長、機動性好、飛行姿態(tài)平穩(wěn)。其配套的無人機管家軟件系統(tǒng)具有航線設(shè)計、飛行作業(yè)、數(shù)據(jù)解算等多種功能?？梢詽M足作業(yè)全過程的各項需要。我院項目組對該型無人機較為熟悉，完成過多個傾斜攝影測量項目，有著豐富的使用經(jīng)驗（圖2）。

圖2 我院使用D200無人機進行傾斜航空攝影作業(yè)

2 技術(shù)路線

在技術(shù)路線上，本項目采用傾斜航空攝影和機載激光掃描相結(jié)合的技術(shù)流程完成數(shù)據(jù)生產(chǎn)（圖3）。利用飛馬D200型無人機掛載D-LiDAR200掃描儀獲取點云數(shù)據(jù)。在點云的濾波分類完成后，輸出DSM及DEM成果。利用飛馬D200型無人機掛載OP300和OP400相機獲取傾斜影像。在完成影像的空三和建模處理后，輸出TDOM和OSGB的模型成果，并在此基礎(chǔ)上對模型進行單體化處理。最終將TDOM與DEM融合獲得地形模型，與單體化模型疊加合并最終得到完整的實景三維模型成果。

圖3 技術(shù)路線

3 項目實施

3.1 航線設(shè)計

（1）傾斜航空攝影

根據(jù)本次項目的精度要求，設(shè)定影像的分辨率為3厘米/像素，航向重疊度80%，旁向重疊度65%。在此基礎(chǔ)上選用OP300傾斜相機時，以190米的高度作為常規(guī)飛行高度?？紤]到測區(qū)內(nèi)有較多的超高層建筑，因此為保證飛行安全，需對超過150米的建筑單獨設(shè)置航攝分區(qū)，使用OP400傾斜相機以確保較高的高度下影像分辨率符合要求。

在踏勘階段，項目組使用消費級無人機對測區(qū)內(nèi)進行航高巡視（圖4），檢查區(qū)域內(nèi)是否有影響作業(yè)安全的超高層建筑、塔吊、高壓鐵塔等物體。發(fā)現(xiàn)有超過150米的物體時，需用無人機飛越其頂部估測高度，并標記該物體的平面位置。

圖4 踏勘中發(fā)現(xiàn)的超高層建筑

在航線設(shè)計時，根據(jù)踏勘結(jié)果將常規(guī)高度航線與超高物體保持一定的安全距離。如圖5所示，常規(guī)航線的旁向安全距離不小于100米，考慮到無人機轉(zhuǎn)向，航線首末端的安全距離不小于150米。單獨設(shè)計的超高航線應(yīng)距離超高物體頂部的高度不小于50米，且確保與常規(guī)航線之間沒有漏洞。

圖5 常規(guī)航線（上）與超高航線（下）

（2）機載激光掃描

根據(jù)本次項目的要求，設(shè)定激光掃描的點云密度為10點/平方米，航帶重疊度為30%。在此基礎(chǔ)上以180米高度作為常規(guī)飛行高度，為保證點密度飛行速度需降低至8.5米/秒。對超高物體同樣需要設(shè)計超高航線。

3.2 像控點測量

為確保成果精度和各工序的中間成果檢查需要，本項目設(shè)計像控點和檢查點的密度為12~18點/平方千米。像控點位置設(shè)計時首先應(yīng)保證點密度符合要求，并且分布均勻。其次應(yīng)盡量將像控點位置選取在可通車的道路附近，以減少外業(yè)步行時間，提高工作效率。在非硬化地表，采用人工布設(shè)像控點標記的方式，在硬化地表上采用油漆標記的方式（圖6）。

像控點使用GPS’RTK方式測量，并利用我院建設(shè)的成都市連續(xù)運行參考站（CDCORS）和大地水準面精化模型等成果直接獲得高精度的像控點坐標。

圖6 像控點布設(shè)與測量

3.3 航飛作業(yè)

在天氣合適且獲得空域使用權(quán)時，項目組即可開始當(dāng)天的航飛作業(yè)。在完成飛機組裝后，即根據(jù)飛馬無人機管家的提示進行各個部件的安全檢測，在確保無人機設(shè)備安全、周邊環(huán)境安全后方可起飛作業(yè)。在飛行過程中，項目組成員對飛行的狀態(tài)進行實時跟蹤，密切關(guān)注飛機當(dāng)前的位置、姿態(tài)、電池電量。在每一架次降落后，下載POS數(shù)據(jù)和影像，并對無人機進行檢查。確保各項數(shù)據(jù)和設(shè)備的完整性和可用性。

項目實施期間大部分是陰雨天氣，極少有陽光充足的條件。在陰天光照不足條件下作業(yè)時，需要降低快門時間以保證影像的正確曝光。結(jié)果表明，在1/800秒的最慢快門時，以正常速度飛行的D200無人機仍然可以獲得較好的成像質(zhì)量的影像成果。影像亮度適中，噪點較少，也極少出現(xiàn)動態(tài)模糊的情況。

圖7 無人機起飛作業(yè)

3.4 空三及模型重建

完成單個區(qū)塊的影像數(shù)據(jù)獲取完成后，使用中科北緯的Mirauge3D軟件和Bentley的ContextCapture軟件對影像數(shù)據(jù)進行空三和建模處理。依次完成影像的連接點提取、自由網(wǎng)平差、控制點量測、光束法空三平差等流程（圖8）。在控制點量測時，需要加入一定數(shù)量的空三檢查點，以驗證空三平差的精度?？杖瓿珊笤谳敵龅陌ㄖ袡z查連接點殘差、控制點殘差、檢查點誤差等指標是否符合國家規(guī)劃和技術(shù)設(shè)計的要求。

空三處理完成后，即可提交模型重建，自動生成OSGB格式的三維模型成果。為提高模型重建效率，項目組以每十臺高性能電腦組成一個建模集群，并行完成單個區(qū)塊的模型重建工作。

圖8 影像連接點

圖9 模型重建成果

3.5 點云濾波分類處理

單個區(qū)塊的激光點云獲取完成后，即可開始點云的濾波分類處理。處理過程中首先使用點云自動分類工具，根據(jù)測區(qū)地形特征選取合適的分類參數(shù)對點云進行地面點的自動分類處理。然后在自動分類的基礎(chǔ)上，由點云的構(gòu)建出三維模型，以便于作業(yè)人員觀察點云的分類效果，并對分類錯誤和遺漏的區(qū)域進行人工分類編輯。

圖10 點云分類前后模型的效果對比

3.6 模型單體化處理

為滿足實景三維成果的后期應(yīng)用，需對模型進行單體化處理。即將房屋、橋梁等人工建筑或設(shè)施進行單體化處理。一方面對模型外觀和紋理進行修補整飾，另一方面以棟為單元的單體化模型便于模型數(shù)據(jù)在實景三維GIS平臺中的管理和使用。

單體化工作以原始的OSGB模型成果為基礎(chǔ)，以多視角的傾斜影像為建模參考，人工繪制建筑物的三維模型，并完成紋理映射。

圖11 原始模型與單體化模型

3.7 數(shù)據(jù)精度

在影像的空三處理時，需要利用此前布設(shè)和測量的檢查點對數(shù)據(jù)成果的精度進行檢查。項目中部分區(qū)塊的影像空三的精度如表1所示，可以看出各項誤差指標均滿足GB/T 23236-2009《數(shù)字航空攝影測量 空中三角測量規(guī)范》中對空三精度的要求。

表1 空三誤差統(tǒng)計表

對DOM、重建的三維模型、單體化模型等成果數(shù)據(jù)，同樣需要利用檢查點其精度進行檢查（圖11）。部分區(qū)塊的模型精度檢查結(jié)果如表2所示，可以看出其各項誤差指標均滿足同等比例尺的地形圖、正射影像的規(guī)范要求。

圖12實測檢查點（左）與模型同名點（右）

表2 模型誤差統(tǒng)計表

4 處理技巧

4.1 航高檢查

由于測區(qū)內(nèi)地形起伏較大，需采用變高飛行來確保影像分辨率和激光點云密度不發(fā)生較大變化。在每天工作結(jié)束后，為為保證數(shù)據(jù)采樣率及覆蓋范圍符合設(shè)計要求，需要對每一架次的航高進行檢查。檢查方式為利用解算后的POS數(shù)據(jù)和已有的DEM數(shù)據(jù)，自動計算出每個的相對航高。

經(jīng)過檢查，每一架次內(nèi)部航線的相對航高變化較小，大部分點的航高與設(shè)計航高的差異小于30米，符合CH/Z 3005-2010 《低空數(shù)字航空攝影規(guī)范》中的相關(guān)規(guī)定，因此數(shù)據(jù)的采樣率均可以符合預(yù)期要求。

4.2 航線優(yōu)化

利用飛馬無人機管家繪制航線時，如果測區(qū)形狀不是矩形且面積較大時，軟件會要求將測區(qū)進行分區(qū)，然后根據(jù)各個區(qū)塊單獨生成航線。由圖12可以看出，不同區(qū)塊生成的航線在邊界處會存在較多的重疊部分。

圖13 相鄰區(qū)塊的重復(fù)飛行區(qū)域

如果可以在后期處理時可以使用相鄰區(qū)塊的影像成果，則可以減少重復(fù)飛行區(qū)域的航線。如圖13所示可以人為調(diào)整區(qū)塊邊界調(diào)整航線航線，從而減少對區(qū)塊邊界線上的重復(fù)飛行。經(jīng)過航線優(yōu)化，可以有效減少總的飛行時間，提高工作效率。但在后期處理需要注意影像的選取。為確保影像的完整性，可以通過下文的方法篩選相鄰區(qū)塊的有效影像。

圖14 調(diào)整航線減少重復(fù)飛行

4.3 影像篩選

4.3.1 多余影像與有效影像

傾斜航空攝影測量在數(shù)據(jù)采集過程中，為保證測區(qū)邊界上仍然有各個方向的影像覆蓋，會外擴多條航帶。如圖14所示，在滿足測區(qū)范圍數(shù)據(jù)覆蓋度同時，位于測區(qū)邊界兩側(cè)航線上有較大的影像屬于多余影像，即這些影像的實際覆蓋范圍位于測區(qū)之外。如果能將篩選出這些多余的影像，僅適用可以覆蓋測區(qū)的影像，就可以有效減少影像空三處理時的數(shù)據(jù)量。從而提高工作效率，并有效減少在自由網(wǎng)處理時出現(xiàn)點云分層的錯誤結(jié)果。

圖15多余影像示意圖

4.3.2 數(shù)字微分糾正正解法

攝影測量學(xué)中的共線方程給出了從地面點（XA,YA,ZA）到像素中心點（x,y）的對應(yīng)關(guān)系[1]：

其中（XS,YS,ZS）被稱為影像外方位元素的線元素，即為每張影像的曝光時攝影中心的位置。影像的姿態(tài)角構(gòu)成影像外方位元素角元素，其中

中的值可以根據(jù)每張影像的姿態(tài)角的經(jīng)過三角函數(shù)和矩陣計算得到。[1]

為得到從像素中心點（x,y）到地面點（XA,YA,ZA）的公式，對共線方程進行變形。得到下了數(shù)字微分糾正解法的公式[2]：

因此可以根據(jù)上式可以計算出影像上任意像素所對應(yīng)的地面位置。通過計算出位于影像邊緣上的像素所對應(yīng)的地面位置，即可繪制出每張影像的地面覆蓋范圍。

4.3.3 高程迭代計算

為獲取地面點坐標（XA,YA）需要先已知該點的地面高程ZA。對于較為平坦的地區(qū)，可以將ZA取值為測區(qū)的平均高程。但對于地形起伏較大的地區(qū)，影像覆蓋范圍受到地面起伏影響較大，需要以測區(qū)的平均高程為初始值，利用DEM進行迭代計算使用其他方法完成計算。

先假定ZA為測區(qū)的平均高程Z0，由Z0和其他已知參數(shù)根據(jù)（1）式計算出地面點坐標值（X1,Y1）。并根據(jù)（X1,Y1）在DEM中內(nèi)插獲得該點的高程值Z1。然后再將Z1代入到上式中計算新的地面坐標（X2,Y2）。如圖15所示，經(jīng)過若干次迭代計算，即可獲得最終的地面點坐標（XA,YA,ZA）。[2]

圖16迭代計算示意圖

4.3.4 外方位元素設(shè)定

對于裝有差分GNSS設(shè)備、飛行姿態(tài)平穩(wěn)的飛馬D200型無人機，影像的外方位元素可以直接利用現(xiàn)有成果。其中線元素使用解算后POS數(shù)據(jù)中的（X,Y,Z）值，角元素可以根據(jù)每個相機的安裝傾斜角和航線方位角得出。

選用(Heading, Pitch, Roll)轉(zhuǎn)角系統(tǒng)的姿態(tài)角時，俯視相機每張影像的Pitch和Roll角設(shè)置為0，Heading為航線方位角加180度。所有傾斜相機的Pitch和Roll角分布設(shè)置為45度和0度，其Heading角相應(yīng)的需要加上0度（前視）、90度（右視）、180度（后視）、270度（左視）。由這些設(shè)定值機可以計算出上文公式中旋轉(zhuǎn)矩陣的值：[3]

4.3.5 影像覆蓋范圍生成

根據(jù)上述公式，以及影像的外方位元素和DEM數(shù)據(jù)，可以編程計算生成每張影像的覆蓋范圍（圖16）。

圖17 傾斜影像和垂直影像的各自覆蓋范圍

實際飛行過程中，飛機的姿態(tài)角與理想情況必然存在顯差異，所生成的覆蓋范圍與真實情況會有一定差異，但仍然可以滿足影像篩選的需要。如圖17所示，以已有的正射影像為依據(jù)，可以看出生成的覆蓋范圍中的地物和原始影像基本一致。

圖18計算的覆蓋范圍（左）與實際影像（右）

將所有影像的覆蓋范圍結(jié)果與測區(qū)范圍面進行疊加分析，與測區(qū)范圍面有相交的影像即視為有效影像，反之則是多余影像。

使用影像篩選方法，一方面可以對上文優(yōu)化的航線，在后期處理時篩選出相鄰測區(qū)塊的有效影像用于本區(qū)塊的處理。另一方面對本區(qū)塊內(nèi)可以剔除多余影像，減少需要處理的影像數(shù)量。經(jīng)過本項目驗證，該方法可以減少10%左右的影像數(shù)量，從而提高影像處理的速度。

圖19外擴航線的多余影像被剔除

5 結(jié)論與展望

5.1 項目結(jié)論

通過本項目的順利實施，可以證明使用無人機技術(shù)是生產(chǎn)城市實景三維最有效的手段。實景三維數(shù)據(jù)成果的生產(chǎn)效率、精度、視覺效果等均可以滿足天府新區(qū)實景三維地理信息系統(tǒng)的要求。

今后隨著無人機技術(shù)的發(fā)展，無人機的數(shù)據(jù)采集效率和安全性會進一步得到提升，成果類型會更加豐富多樣。另一方面，相關(guān)政策法規(guī)正逐漸走向規(guī)范化。因此在不遠的將來，無人機將會成為各類基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)獲取的最佳手段。

5.2 飛馬無人機優(yōu)勢

（1）飛馬D200型無人機可以掛載多種數(shù)據(jù)獲取設(shè)備，具有極高的任務(wù)靈活性，可以滿足不同高度、不同類型的數(shù)據(jù)獲取需求。并且無人機管家可以根據(jù)不同載荷自動適配對應(yīng)的航線設(shè)計和飛行作業(yè)，極大的降低了操作難度。

（2）飛馬D200型無人機的變高飛行功能可以在地形起伏較大區(qū)域保持相對航高基本一致，從而保證了點云的密度和影像的分辨率基本一致。

（3）飛馬D200型無人機的差分GNSS模塊可以提供高精度的初始位置信息，從而保證航線的穩(wěn)定性，并有效減少影像控制點的數(shù)量，提高生產(chǎn)效率。

（4）飛馬D200型無人機拆裝快捷、使用便利。

根據(jù)本次項目的進展，可以證明飛馬D200型無人機滿足大比例尺城市實景三維模型數(shù)據(jù)生產(chǎn)需要。在不遠的將來，飛馬系列無人機必將為即將啟動的“實景三維中國建設(shè)”項目提供極大的助力。

5.3 實景三維應(yīng)用展望

實景三維預(yù)期可以在多個行業(yè)得到應(yīng)用。在城市規(guī)劃領(lǐng)域，可以為規(guī)劃編制、設(shè)計、審批和管理等業(yè)務(wù)提供真實、高精度的地理信息。在社區(qū)治理方面，利用實景三維成果，可以形成“街道-社區(qū)-網(wǎng)格-院落-樓棟號-樓層-戶”多級管理體系，推進社區(qū)精細化管理。此外實景三維還能應(yīng)用于包括城市管理的部件管理、廣告牌管理，安防領(lǐng)域的安保預(yù)案制定、監(jiān)控探頭的分析和規(guī)劃，以及不動產(chǎn)管理中樓棟、住戶登記、產(chǎn)權(quán)分層分戶管理等諸多領(lǐng)域。

目前我院建設(shè)完成的成都市中心城區(qū)實景三維數(shù)據(jù)在成都市多個重大基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中得到應(yīng)用。成都市實景三維數(shù)據(jù)能夠精準反映現(xiàn)狀道路、建筑、橋梁的外觀、坐標、尺寸，為工程設(shè)計提供精確基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。通過將重大工程的設(shè)計模型導(dǎo)入實景三維場景中，可以全方位展示工程完成前后對比情況。從而可以有效評估工程與周邊建筑、景觀的協(xié)調(diào)性，指導(dǎo)設(shè)計方案優(yōu)化調(diào)整，提升設(shè)計質(zhì)量。本項目所生產(chǎn)的實景三維數(shù)據(jù)成果，在今后可以為天府新區(qū)的建設(shè)提供極大的助力。

自然資源部在2019年全國國土測繪工作座談會中透露，今年將啟動“十四五”基礎(chǔ)測繪規(guī)劃編制工作，其中“實景三維中國建設(shè)”將會是一個重點關(guān)注方向。地形級和城市級層面的實景三維的建設(shè)，將是未來我們測繪行業(yè)的發(fā)展重點。

艾三維技術(shù)專注bim領(lǐng)域,建筑工程設(shè)計bim軟件、Bentley軟件白金級代理商，10年專注工程領(lǐng)域bim生命全周期應(yīng)用解決方案，bim咨詢、bim培訓(xùn)，軟件二次開發(fā)，業(yè)務(wù)范圍涉及土木、建筑、交通、市政管網(wǎng)、水廠、海綿城市、水利電力、石化、以及能源、環(huán)保等行業(yè)。