广州市增城区城乡规划与测绘地理信息研究院 广东省广州市 511300
摘要：城市地区为了丰富和提高地理国情监测的监测效率及成果，达到从了从影像到模型、从静止到动态、从天到地的监测城市环境的系统。环境监测管理采用地面移动测量系统和航空倾斜多视成像仪，对地面和航空可量测实景兴趣点、影像、视频进行采集。生成的三维模型和数字高程模型从倾斜影像中可以获得，为巡航、监控和分析提供了各种业务需求的方便。
关键词：地理国情监测；多源数据集成；倾斜航空摄影测量；ＰＯＳ；移动测图系统；数字可量测影像；城市变化
一、倾斜摄影测量原理
国际测绘遥感领域发明的倾斜摄影技术，是新时代发展的高新技术，近景测量技术与传统航空摄影有效的融合，对只能从垂直角度拍摄的传统正射影像进行了颠覆，搭载多台传感器在同一飞行平台上，可以利用5个不同角度的从左视、右视、垂直、后视、前视进行影像的采集。经过航空摄影测量技术处理垂直摄影影像可制作4D（DLG、DOM、DEM、与DRG）产品；另外4个前视、后视、左视、右视倾斜摄影影像，在15°～45°的倾斜角度。用来丰富地物侧面的纹理信息的获取。
三维建模技术利用其高效自动化，准确且快捷的构建真三维空间场景的地理地物地域信息，全面的获取所属范围内建筑物具体详情特征和目标地貌地形，提供给地质灾害应急方案和水利工程、电和建设等逼真、详尽、精确的公共服务和地理位置信息支持。
二、集成框架构成和设计
集成框架包括地面移动车载平台和航空机载平台两个载荷平台，其都装置有多套光学成像，如环境传感器或激光扫描仪。环境不同的监测项目应用不同的传感器。对城市地表来说，异常的局部地形或过高的建筑物会造成航空摄影测量效果的影响，但克服此问题的方式可以利用地面移动的测量技术。地面及空中多源数据大多在城市区域聚集。
2.1航空多镜头倾斜成像仪
由机载控制、传感器、和计算系统紧密集成在航空多镜头倾斜成像仪的吊舱中，传感器有：高清倾斜镜头、航空正射相机、机载定位定向系统、（ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇａｎｄｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ，ＰＯＳ）。正中位置是正射相机，精确位置的确定来自于ＰＯＳ，通过它能明确镜头采集的速度、高程、时间、航向、位置信息。微调吊舱位置由机载控制单元负责。相对传统倾斜影像系统，其系统有着超轻的重量，可灵活方便的进行不同飞行平台的部署。
（图1）地面移动测量系统及航空成像平台的数据产品
2.2移动测量系统（MMS）
立得 LD－2013型移动测量是本集成框架的地面移动测量系统，有摄像部件、POS组件、和计算存储等。移动分别位于左、中、右不同角度在平台前端的三台 CCD相机是信息采集成像系统包括的，形成立体视觉，构造重叠视场，进行立体图像的获取。改装平台的尾部有三台雷达扫描仪，可以360°进行三维信息扫描。采集视频信息的视频摄像机是MMS包括的。另外还有全景拍摄周边环境的一台相机。
三、贵阳实例（图2）
多源数据集成框架中实现的量测功能（建筑高度，地块面积，城区淹没体积）
本文选择的实例研究区位于贵州省贵阳市该市大部分地区属于半丘陵地形，拥有多种不同的地貌。选择的金阳测区范围为３０７ｋｍ２，其中近一半的城区面积开发有现代化的高层住宅和商业建筑，同时还有起伏的山区地形，这些都容易对正摄航空摄影造成较大的影像畸变，而由于缺乏精细的ＤＥＭ，所以不能实现基于ＤＥＭ的正射影像微分纠正。实验采用本框架的倾斜多镜头航摄仪进行航飞数据采集，同时配合地面移动平台采集街景，建立该地区一站式的城市天地一体环境监控平台。
与传统的数字正射影像ＤＯＭ相比，本研究采集的多视角倾斜航空影像在提出的综合城市监测框架中发挥了重要的作用，多镜头成像仪采集的倾斜图像可以使用户从空中不同角度进行地表立体观察，这更符合人类对现实世界的认知习惯，可以大大弥补正摄投影成像的缺点。而且通过相关软件，倾斜图像还可以用来实现不同的空间测量，包括高度、长度、面积、角度、坡度等，这些对于城市环境监测中的地籍管理、城市环境管理、应急响应等都有着十分直接的应用价值（图2）。此外，紧急出口可以从建筑物侧面的倾斜图像中观察到，这意味着这类倾斜影像可以用作安全保卫系统的数据源。
传统的三维地理信息系统技术主要依靠复杂的三维几何数据，这些数据数据量大，非常占用存储空间，不适于当前的移动互联网应用，而基于倾斜图像的纹理用来进行三维建模的数据量则要小得多，该类图像数据十分适合网络发布和信息共享。本文提出的集成架构所使用的大多数三维模型都是通过从航空多视影像经过ＰＯＳ辅助的立体视觉系统获得。
四、校准和实验
4.1空基系统检校
倾斜航空摄影测量重要部分包括倾斜航摄仪，它由4台倾斜和1台垂直的数码相机组成。因为现阶段 数码相机都不是为摄影测量专门设计，属于非量测相机，因此很难直接测定方位元素，光学畸变较大。加上并结合POS辅助和结合不同相机组合方式对目标影像的获取，使得系统与POS和各子镜头对应关系较难确定，造成不能直接展开后期数据。所以，倾斜航空摄影测量最根本和关键的工作需要严格检校倾斜航摄仪。
想要进行快速的一体化的检校倾斜航摄仪工作，要结合畸变校正参数、各子相机方位元素、相对于ＰＯＳ倾斜航摄仪系统位置、子相机位置等的基础上，加强研究多种相机检校模型，倾斜航摄仪检校技术常通过室内一体化方式实现高精度的检校倾斜航摄仪。原理是：
式（１）中，ａ１，ａ２，…，相片外方构成姿态元素矩阵为ｃ３；控制点的物方坐标由（ＸＴ，ＹＴ，ＺＴ）表示。相片位线元素由（Ｘｓ，Ｙｓ，Ｚｓ）表示。
式（2）中，控制点的像点坐标由（x，y）表示；像主点位置坐标由（ｘｏ，ｙｏ）表示。主距由ｆ表示，像点的畸变差由Δｘ、Δｙ表示，当r2=（x-x0）2 +（y-y0）2，则计算畸变差为：
以上列数学模型（１）、（２）为例，三维空间坐标控制点在已知情况下，应用ＰＯＳ数据和控制点影像数据的采集，并子相机相对位置、畸变校正参数、相机中方位元素、姿态参数、ＰＯＳ系统与相机系统关系作为未知量进行方程式的列出，平差解算时按最小二乘原理进行，完成检校倾斜航摄仪。
4.2航飞实验
4.2.1进行对ＰＯＳ 数据集成处理时，遵循惯性导航软件ＩｎｅｒｔｉａｌＥｘｐｌｏｒｅｒ和航空处理软件ＤＰＧｒｉｄ ，对ＰＯＳ数据精度验证，再以子午线收敛角补偿ＰＯＳ 姿态角数据；
4.2.2进行空三解算时按照检校场控制点坐标为依据，检校场影像进行外方位元素的获取；
4.2.3按照ＰＯＳ数据和外方位元素的检校场影像，获得相机中心相对坐标姿态与偏移量，还有ＰＯＳ系统的检校；
4.2.4影像直接地理参考根据检校参数和ＰＯＳ数据进行，获取校准场外方位元素影像；
4.2.5将实际空三结果和获取的ＰＯＳ直接地理影像的外方位元素参考进行比较，获得实验结果。
4.3 航空成像仪和ＭＭＳ之间的校准
为达到无缝的进行天地一体的集成观测，将地面移动测量到的街景影像和航空成像仪测量到的影像融合到同坐标系统中很有必要。地面图像和航拍影像理论上融合相同名点的方式，实现调整空三测量的误差。由于覆盖区域、拍摄平台及仪器、摄影基线都存在差异性的前提下，形成空三处理不稳定的现象。所以ＰＯＳ两个传感器中获取的外方位元素，对传感器间联合定向问题进行了解决，进行集成多平台传感器。（下图）
移动测量系统采集和航空倾斜图像的集成结果
五、结语
利用对多源数据集成框架，在城市环境监测工作中广泛的运用。相对于以往单一的正射影像技术，航空多视倾斜成像仪。采用了子午线收敛角补偿方法在测试实验中获取航空影像外方位元素的采集，结合软件测试数据对该设备高精度进行验证。在如今违章建筑监测、城市安全巡查等应用中验证了其有效的应用价值。提供了城市区域监测和管理有效可行的解决策略。
参考文献：
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[3]朱建伟，袁国辉.基于倾斜摄影测量技术的无人机城市建筑监测系统在违建查找中的应用[J].工程勘察，2017，（7）.
论文作者:刘威
论文发表刊物:《基层建设》2019年第5期
论文发表时间:2019/4/26
标签：测量论文; 影像论文; 航空论文; 系统论文; 数据论文; 相机论文; 城市论文; 《基层建设》2019年第5期论文;