中分辨率航空航天倾斜摄影在河北省实景三维试点建设的应用
时间：2023-02-14 09:40:06 来源：千叶帆 本文已影响人
相晓立 刘建勇 李 伟 祝晓坤
(1. 河北省第三测绘院, 河北 石家庄 050031;2. 河北省制图院,河北 石家庄 050031;3. 北京市测绘设计研究院,北京 100045)
随着各类航空航天传感器、各类学科和计算机软硬件的高速发展,摄影测量与遥感产品的种类和科技含量大幅度增加,其中最具代表性的是航空倾斜摄影实景三维产品,也尝试利用遥感卫星数据开展航天倾斜三维建模[1]。2020年前利用倾斜摄影获取多角度、高重叠的航空影像,通过空三加密、点云提取、构建三角网、提取纹理制作出的三维模型被统称为实景三维;在“实景三维中国”的概念正式提出后更名为倾斜摄影三维。原概念在丰富和提升后,“实景三维”被定义为“对人类生产、生活和生态空间进行真实、立体、时序化反映和表达的数字虚拟空间。”实现了从“抽象”到“真实”、从“平面”到“立体”、从“静态”到“时序”、从“按要素、分尺度”到“按实体、分精度”、从“人理解”到“人机兼容理解”、从“陆地表层”到“全空间”的全面提升[2]。
十年的发展,我国数字城市、智慧城市等地理信息系统综合应用实现了由二维向三维的转换,其中倾斜摄影三维起到了至关重要的作用[3]。河北省基本完成了县级以上城市的城市级(3～10 cm)倾斜摄影三维的生产,正在向部件级的更高分辨率(1 ～3 cm)倾斜摄影三维方向发展。随着国家建设的发展,在建成区生产了多种分辨率、多种形式和多批次的倾斜摄影三维模型,极大地丰富了各领域应用的三维数据[4];而放眼于占国土陆地面积超过99%的非建成区区域则尚无真正意义的三维模型数据。根据《实景三维中国建设技术大纲(2021版)》要求,各省自然资源厅将要开展基于基础测绘项目的数字高程模型(digital elevation model,DEM)、数字正射影像图(digital orthophoto map,DOM)构建地形级地理场景,以期填补非建成区无三维的空白。以河北省为例,基础测绘DEM分辨率为5 m,DOM分辨率为0.5 m,以此为基础的地形级地理场景无论是从精度指标还是从三维场景的辨识度的角度看,仅适合于自然资源要素管理的初级应用。
在摄影测量与遥感领域中,地面分辨率优于0.1 m的各类影像属于高分辨率影像,多用于地籍测绘、城市管理和城市级地理场景重建等方面;地面分辨率处于0.2～2 m区间的属于中分辨率影像,它在关注地物表面细节的同时更侧重于表现地物在大场景、大环境条件下所体现的整体特征。
国内在“实景三维中国”建设的大背景下,各省参照经济实力、建设需求等方面制定各省地形级地理场景的建设方案。这些方案在基于基础测绘DEM、DOM数据构建的基础上,延伸到利用机载激光点云数据制作的数字地表模型(digital surface model,DSM)或DEM叠加DOM重建方案、利用中分辨率航空倾斜摄影三维重建方案[5]。利用中分辨航空航天倾斜摄影三维技术重建的地形级地理场景,包括航空中分辨率影像和卫星遥感中分辨率立体影像,能够为自然资源管理提供更高精度的地理空间位置和更加丰富的地理信息数据,为深层次的应用提供数据保障[6]。这一方案在国际上由于成本、需求等原因尚无大范围推广。
本文以河北省2020年进行的“河北省实景三维试点建设项目”应用实践为例,介绍利用中分辨率航空航天倾斜摄影三维进行地形级地理场景重建的关键技术,并从生产数据源、生产技术、产品质量等多角度对利用中分辨率航空倾斜摄影三维进行地形级地理场景重建的可行性分析[7]。
“河北省实景三维试点建设项目”以唐山市区及其南部区域划定2 500 km2为范围进行试点的实施工作。其中400 km2进行中分辨率航天倾斜摄影三维数据生产,2 100 km2进行中分辨率航空倾斜摄影三维生产。
2.1 生产流程图
项目使用大棕熊K100型飞机,挂载PAN U5型倾斜航摄仪,累计获取11 520张地面分辨率为0.42 m的倾斜摄影影像,有效覆盖面积2 100 km2;使用Way Point进行POS数据解算;采用Capture One软件进行数据格式转换和影像预处理,通过Worldview Pro进行影像辐射校正处理;使用Context Capture进行空三加密解算和三维制作;最后基于DP modeler进行三维模型后处理,可以看到高分辨率倾斜摄影三维的重建技术完全适用于中分辨率航空倾斜摄影三维的重建。
2.2 技术难点
地形级地理场景的最大特点是覆盖面积广,每一期的航空摄影工作量大,需要同时使用多架飞行器和航摄仪进行航摄,所带来的技术难点体现在合理处理海量影像的空三加密和多款倾斜航摄仪的影像色彩特征不统一上。前者通过增加生产节点和提高计算机运算配置解决,后者的处理需要对各款倾斜航摄仪进行传感器色彩校正。
从中分辨率航空倾斜摄影三维重建流程图(图1)中可以看到，其生产流程与城市级高分辨率倾斜摄影三维生产流程基本一致,最大区别在于三维覆盖面积大小,进而对成像色彩特点造成影响。为此,倾斜航摄仪的传感器校正采用飞行期间获取检校数据和数据获取后进行的模拟检校。本文此次探讨的为飞行期间获取检校数据的技术方案,该方案更为客观合理：在航摄区域布设单色块大小超过1 m2的24色校色调色板(后简称24色板)和等大的灰色板各一块,放于非阴影区域,待飞行结束后,以24色板和灰色板居中的5镜头影像作为参考影像数据进行检校工作。
图1 中分辨率航空倾斜摄影三维重建作流程图
传感器色彩校正核心是计算传感器改正数,方法是通过航摄仪各个摄像头拍摄标准24色板(24色校色调色卡),获取各个传感器24色板实际值P,根据24色板标准值S,推算传感器改正数T。考虑每个样本值均含有RGB3个数值,利用式(1)进行传感器改正数的计算。
(1)
式中，S24×3为24色板标准值;T3×3为传感器改正数;P24×3为传感器中24色板真实值。
此外,还要根据传感器成像特征对影像进行专门校正,例如：PAN-U5相机,其整体色彩与真实值相近,但存在少量中心亮、四周暗的问题,需要对单片影像进行整体校正处理。
2.3 成果与分析
中分辨率航空倾斜航摄影像的纹理信息无法达到高分辨率影像水平,无法清晰表达各类地物的细节信息,但是在建成区可表达地物形状、层数等关键信息,在非建城区能够表达各类地物的主体形状、纹理信息见图2。因此，中分辨率航空倾斜摄影三维能够满足自然资源要素管理的基本需求[8]。
本次项目中分辨率航空倾斜摄影三维的空间精度由2009个野外检查点统计获得，见表1。
图2 中分辨率航空倾斜摄影三维的纹理质量
表1 倾斜摄影三维数据产品空间精度统计
空间精度统计表中,分辨率倾斜摄影三维的平面精度中误差约为1.5个像素,高程精度中误差约为1个,两者最大残差符合设计要求。
需要强调的是,作业人员需要正确认识空三加密精度和产品质量中空间精度的不同含义,以ContextCapture软件为例,其空三加密解算的收敛预期为原始像素的1/20左右,以此为标准通过空三解算将误差进行分配。但空三解算报告的精度统计不能作为实际精度的结果,而只能作为粗差点剔出的参考。此外,以像素为单位用于倾斜摄影三维产品的空间精度评估较为合理、直观,能够适用于各种地面分辨率的倾斜摄影三维的空三加密解算。
本次项目中,倾斜摄影三维产品精度明显优于同等分辨率的DEM、DOM的精度。这得益于海量的、多角度倾斜摄影影像能够搭建刚性更强的空三加密网,能够在减少像控点的前提下解算出精度更高的影像姿态参数;尤其值得注意的是,倾斜影像有效提升了影像在高程方向的分辨率,使三维产品的高程精度显著提升,这一点在测绘领域极为重要[9]。
由于卫星三维重建技术国内尚无成熟的商业软件和卫星数据,本次测试采用空客公司的卫星三维重建方案：①使用像素工厂软件,该软件是国内外唯一一款实现卫星三维制作商业化的软件;②采购空客公司的Pléiades卫星影像,该卫星拥有通过倾角和侧摆角调整技术获取目标区域的各个角度影像的技术方案。
3.1 生产流程图
项目采购唐山市区400 km2的Pléiades卫星影像11景,其中9景属3个三像对,2景为正射角度拍摄;通过像素工厂软件进行空三加密,并进行点云(DSM)修饰和三维重建;最后使用Worldview Pro软件对三维重建成果进行色彩调整，见图3。
图3 卫星三维重建流程
3.2 技术难点
卫星三维重建方案与《实景三维中国建设技术大纲(2021版)》中地形级地理场景重建方案类似：通过多角度卫星影像构建多立体像对,获取该区域高精度DSM数据,再利用各卫星影像姿态提取地物各角度纹理进行地理场景重建[10]。
由于无法获取高重叠度、大倾角的卫星影像,三维重建的空间精度和纹理精度依赖于卫星影像的姿态参数、影像获取角度和点云的合理性,下面就这几个方面进行探讨。
3.2.1多角度拍摄
空客公司利用Pleiades卫星的倾角和侧摆角编程调整的能力,在3条星轨上对目标区域分别获取了3组三像对,获取了9个方向无死角的斜射影像，见图4。
图4 卫星影像角度模拟示意图
3.2.2卫星参数
本次项目使用的卫星——Pléiades数据采用空客公司提供物理传感器模型,精确模拟成像物理过程,能够在提供数据之前进行精确的检校,数据无畸变,卫星影像刚性强;此外,提供的卫星姿态参数精度较高,使后续空三解算结果达到高精度[11]。具体表现为：
(1)直接采用融合后的彩色影像产品,而不是全色波段和多光坡波段分离的影像数据;
(2)其后空三加密环节仅使用9个地面控制点,就达到了1/4像素的空三解算精度;
(3)在点云获取环节,离散点聚合性较好,粗差点少,生成的DSM数据稳定,处理难度降低。
3.3 成果与分析
本次空间精度从全部外业检查点和地面检查点两组数据进行统计。这是因为全部检查点的空间精度统计与期望值偏差较大,分析后发现,房屋拐角的空间精度普遍较差,系产品点云无法精准表现房屋拐角所致,故仅以地面检查点进行了二次统计,与期望值相近,见表2。
表2 卫星三维重建产品空间精度统计表
从外观效果看,卫星三维重建的产品能够初步表现城市主体轮廓和建筑物侧面纹理信息,但与同等地面分辨率的倾斜摄影三维产品的表现力仍有差距,其原因为Pléiades卫星影像原始地面分辨率约为0.7 m,后经过计算处理增强至0.5 m。通过对卫星三维重建的生产流程、卫星影像要求、生产软件等因素的分析,可以发现产品的质量依赖于卫星数据,包含因素有倾斜角度、地面分辨率、卫星影像姿态参数和卫星影像数量;点云密度、精度不够,需要进行进一步的点云编辑，见图5。
图5 卫星三维重建建筑群示意图
此外,卫星三维重建的原始影像数据存在较大的不足,成本、倾角、质量均与倾斜航空摄影三维重建有较大距离,不适于建成区的三维重建。但是作为地形级地理场景重建手段,卫星三维重建仍可以发挥较大的作用。首先,从地形级地理场景角度看,绝大部分要素中长期无变化,这就这就意味着能够利用多重复周期的国产公益卫星影像(如高分7号卫星影像)的存档影像进行三维重建工作,弥补卫星影像数量不足和采购成本高的缺点[12]。同时,可以利用多数据源、多分辨率影像进行低密度点云的生产,利用高分辨率卫星影像提取纹理信息,得到质量较高的产品。
其次,地形级三维场景中的垂直坡面极少,可以减少DSM人工编辑工作,而基于高分7号卫星和资源3号卫星立体测绘影像处理技术的成熟,能够提高整体生产流程的自动化程度。[13]最后,由于地形级三维场景多以锐角坡面为主,不要进行侧面纹理的计算提取,利用点云和影像提取侧面纹理的运算可以不做,这样三维产品制作环节可以转换为DSM或DEM叠加DOM进行三维场景重建。因此,当卫星三维重建用于地形级地理场景重建时,生产软件功能仅包含卫星影像处理即可,即降低了软件开发商的研发难度[14-15]。
中分辨率航空航天倾斜摄影三维重建的意义在于为我国陆地面积超过99%的非建成区提供三维场景、填补空白。不同于DEM叠加DOM制作的三维场景,中分辨率航空倾斜摄影三维地面分辨率、精度、地物特征表现力更为优秀,是一种进阶型的三维地理场景。各大应用平台仅需进行简单的编译,就可以将适用于建城区的各个功能延伸至自然资源全要素管理中：自然资源要素单体切割后属性查询,通过精准坡度改正后的面积量算,精度优于DEM的水淹分析,多要素综合可视化应急事件处理等。
此外,随着产品的快速普及和需求量的增加,倾斜摄影三维的数据优势得以体现。不同于DOM、DEM数据,倾斜摄影三维的数据格式没有对分辨率进行规定,只要坐标系统一致,就可以将多批次、多分辨率的倾斜摄影三维进行无限制的组合。这一点为倾斜摄影的数据更新、特殊地物的高清表达创造了条件,实现地形级地理场景与城市级地理场景的无缝连接。
本文通过“河北省实景三维试点建设项目”的分析,从生产技术、生产成本、生产周期和产品质量等多角度验证了中分辨率航空倾斜摄影三维重建的可行性、适用性,在一定程度上,可替代DEM叠加DOM制作的地理场景,成为进阶型地形级地理场景,用于“实景三维中国建设”。在河北省“十四五”已经开展的新型基础测绘中,开展的是以地面分辨率0.2 m的倾斜摄影三维作为核心的地形级地理场景重建,以实现同京、津、雄安等高发达地区数据同步的目标。
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