三维智慧城市建设

-.z.倾斜摄影测量系统应用案例三维智慧城市建立中海达空间信息技术-.z.一、工程概况1.工程背景为了建立智慧城市管理系统，通过对*城区城区建筑部件进展倾斜摄影，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。我公司作为工程承建单位，根据业主要求与工程技术效劳要求，成立了工程组，配备了软硬件设备，承当该市城区约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工程实施方案，承当该城区约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。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2OS-M8无人机2架一架应急备用3中海达V60RTK2台4工具车1辆5Smart3D软件4套6航天远景软件2套7计算机、办公软件等假设干8Photoscan数据处理软件2套9OSketch4套图1-1图1-2，中海达OS-M8八旋翼无人机作业依据a)"1:500、1:1000、1:2000比例尺地形图航空摄影规"(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"(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"(GB/T7931-2008)；d)"1:5001:10001:2000外业数字测图技术规程"(GB/T14912-2005)；e)"国家根本比例尺地图图式第一局部：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"(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"(CJJ8-99)；i)"全球定位系统实时动态测量(RTK)测量技术规"(CH/T2009-2010)；j)"全球定位系统〔GPS〕测量规"(GB/T18314―2009)；k)"低空数字航空摄影测量业规"(CH/Z3003－201090)；l)"低空数字航空摄影测量外业规"(CH/Z3004－2010)；m)"低空数字航空摄影规"(CH/Z3005－2010)；n)"根底地理信息数字成果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"(GB/T23236-2009);p)"数字测绘成果质量要求"(GB/T17941-2008)；q)"测绘作业人员平安规"(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)"根底地理信息要素分类与代码"(GB/T13923-2006)；本次工程实施以本工程技术要求为准，如本设计书未提及局部参照相关国家标准。成果技术指标及规格4.1数学根底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；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展的摄影测量。该工程主要利用近年来成熟的中低空无人机航空数字摄影技术，对工程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，制定合理的航摄方案，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展航空摄影，获取测区的最正确影像资料。本工程采用小型无人机搭载倾斜影像测量系统进展航摄获取原始影像影像数据，具体作业流程如下列图：图1-2图1-2，作业流程图航空摄影测量实施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展航拍摄影，通过无人机的姿态信息对获取的影像进展解算和拼接，并对数据进展提取分析，进而实现对测区地表特征进展监测。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、降低本钱、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"的要求。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,平行于测区边界限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限至少200米。当任务目标区域围过大或者目标区域落差较大，需考虑分区域对测区进展航拍测量。对于此次任务的目标区域围较大且测区的形状不规格，防止航线过长，可将此次航测区域围分为几个测区，以下列图为例，将航测区域围分成了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，根本设计方式如下：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之间进展，减少相片中阴影面积。并防止在大风，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到达最大值。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工程航飞过程中，必须遵守以下要求：航飞摄影测量开场前，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，认真审核工程实施方案，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、航偏角不能超过规要求。D〕航测作业过程中的考前须知：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平安的考虑，选取适宜的起飞点，起飞点的选取包括整个测区的通视情况、飞机平安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。起飞前需检查飞机各个部位的螺丝以及各局部设备之间是否出现松动，如有松动一定要拧紧。电池在安装前必须拿测电器检查是否满电，如果电量缺乏，则切记不可使用，需换一组电池，防止出现意外。在安装电池时电池不要靠GPS靠得太近防止因飞机震动导致电池与GPS接收机有碰撞，也防止了电池自身的磁场对ＧＰＳ的干扰。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。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。在航线完毕后，由主控手操控飞机降落，飞机降落后，不着急断电，但要注意现场平安。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，一定要选纹理清楚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进展测量，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。在室找好似控点后，到现场踩像控点是记得做好记录、拍照。回到室整理好点之记。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，能够区分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展补摄，漏洞补摄按照原设计航迹进展。对于不影响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。数据处理本工程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，进展倾斜摄影空中三角测量解算、进展地面景物的逼真实景真三维重构，最终到达实现全要素的三维数字城市模型及场景生产的目的。本工程的技术流程如下图：原始影像原始影像倾斜影像垂直影像倾斜摄影POS数据地面控制点CORSPOS解算较准确外方位元素基于GPU的快速三维场景运算超高密度点云构建的DSM全自动纹理匹配初级全要素的三维数字城市模型及场景模型精细化处理全要素的三维模型及场景归一化处理增强影像元数据文件数据输出成果上交准确外方位元素空中三角测量不合格检查验收图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)业测图，多调用相关像对，尽量不使用像对边缘局部测图。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阶段对影像颜色进展调整，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：根据测区围选择影像；整理pos数据；对相机文件进展分析，获得焦距、像素等相机参数；确定飞行方向对影像进展旋转；建立金字塔，对原始扫描影像文件进展压缩处理，提高运算速度。〔2〕在Smart3DCapture软件中创立工程，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，到达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，准确量测控制点。相对空三解算通过后再量测，选取控制点，进展绝对解算。〔6〕绝对空三解算，绝对定向与区域网平差计算后，根本定向点残差、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准确的坐标信息，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