研究︱航测新手段助力智慧廉江建设

国地科技组织开展的“2020年春季技术交流会”正在云端开展，多位行业专家和业务骨干在本次交流会中分享最新技术动态与优秀项目案例经验。为加强行业技术交流，推动技术融合与创新，本公众号将陆续推出优秀报告以飨读者，敬请关注。

要说过去这几年最热门的名词非智慧城市莫属，智慧城市、新型城市代表一个城市的发展新方向，廉江市目前也在做新型智慧城市建设布局的工作，期盼智慧城市项目的建设能有效提升廉江市的城市综合承载力、竞争力和居民幸福感，促进新型城镇化高质量发展。廉江新型智慧城市三维实景建模项目要求建设面积超过160平方公里的城市倾斜三维数据及相关的DEMDOM数据，同时需要提供单体模型和BIM模型。单单从数字上看都已经知道这是一个任务相当重的项目，那我们是怎么做这个项目的呢，本文从以下几个方面谈谈航测新手段是如何助力智慧廉江的建设。

智慧廉江的建设是政策上和技术上的需要结合产生的结果。

1、廉江市为适应自身城市发展的需要。为贯彻十九大报告关于“加强和创新社会治理，打造共建共治共享的社会治理格局”的社会治理新要求，为了落实国家、省市各项规划、建设文件精神，廉江市委、市政府决定开展新型智慧城市项目的建设，打造高效、便捷、低碳的“智慧廉江”，推动新一代信息技术与廉江市城市规划、建设、管理、服务和产业发展的全面深度融合，有效提升城市综合承载力、竞争力和居民幸福感，促进新型城镇化高质量发展，为“努力走在粤东西北市域振兴发展的前列，奋力建设宜居宜业的北部湾现代化生态园林城市”的目标、全面建成小康社会提供有力支撑。

2、新一代信息技术-倾斜摄影三维建模技术发展的结果。随着社会进步，互联网、计算机、3S、虚拟现实等新一代技术的飞速发展，给地理信息技术手段带来创新性、颠覆性的变革：利用倾斜摄影技术，通过对影像的平面、高程、结构、色彩、纹理等进行数字化处理，按照统一坐标无缝拼接，就能迅速建立城市实景三维数据产品，人们可以直观的从三维模型上判读各种山川、河流、楼宇、道路及其他地物。

由倾斜摄影技术生成的城市实景三维数据展示系统突破平面地图对空间描述二维化、三维空间尺度感差、没有要素结构与纹理信息等诸多限制，通过对真实地形、地物、建筑的数字化三维模拟和三维表达，提供给使用者一个与真实生活环境一样的三维城市环境。

3、城市三维建模与GIS结合的需要。基于廉江市自身的城市发展的需求及倾斜摄影三维建模技术的发展进步，将三维实景建模技术应用在廉江市新型智慧城市项目上，让两者相结合，创造出适合于展示廉江市城市崭新面貌的新方法、新路子，为廉江市城市规划提供决策依据，进一步彰显智慧城市的价值，实现打造廉江市为标杆城市的目标。

1、建设廉江智慧城市能促进新型智慧城市的发展。三维实景建模及规划信息平台项目作为廉江智慧新型城市一期工程的子项，其建设内容包括城市三维实景建模，现状数据、规划数据和规划管理数据收集、整理、入库，地理信息共享服务平台，智慧规划信息平台以及配套的标准规范，运行管理机制，这些建设内容融合了二三维基础空间数据、自然资源局的业务管理数据，奠定了数据共享基础；依托相关的平台，促进跨部门数据成果纵横互联互通、重大项目落地实施，促进廉江新型智慧城市发展。

2、建设廉江智慧城市能促进城市管理的三维可视化发展。三维实景建模及规划信息平台的建设也是走向新型城市化发展道路的重要抓手，是实施城市高效管理的重要路径，通过三维实景建模及规划信息平台的建设工作，理顺国民经济和社会发展规划、主体功能区规划、城乡规划、土地利用总体规划等关系，促进规划的有机衔接，最终助力以统筹城乡一体化发展为重点的新型城市化建设取得重大突破。

城市三维可视化管理的例子

这个项目在实施过程中，虽说做好了充分准备，遇到的问题还是不少，但都被我们一一化解。

1、外业飞行。

1）空域申请。外业飞行实施过程中，第一个难点就是空域申请，大家都知道，中国的空域管制是全世界最严格的，根据现行国家法律、法规规定，空域管理权限属飞行管制部门，但目前对无人机飞行空域申请尚缺少相关规定，所以导致不管是向民航还是空军部门申请空域使用，不仅门槛高，需各种证件资料齐全，而且申请不一定能成功，所以前段时间国内频频发生黑飞事件干扰民航正常活动导致空军部门出动战斗机进行驱逐，当事人也被判刑等，其实也是空域申请的不规范、不透明所造成的无奈之举。

非常不巧的是，本项目恰好位于南部战区空军某部的管制范围之内，而且距离某军用机场很近，安铺镇恰好位于机场的进近航线下，距离最近只有13KM，贸然起飞会干扰军机的正常训练等，所以必须要申请到航线。

2）航线设计。针对不同区域和生产要求的无人机低空摄影测量，需综合考虑地形起伏、重叠度、分辨率等多方面因素，才可为满足要求的影像获取及后期的影像处理提供保障。本项目中的测区面积大，当中地形高低起伏，有高大的山体，也有30多层的高楼建筑，还有“西电东送”的高压输电线，对航线设计影响很大，而航线设计的好坏关系到后期处理的质量。如何针对廉江市的地形设计合理的航线，是本次工作的重中之重。

3）像控点测量。布设像控点的好坏直接影响着内业后处理中数据成果的精度，直接决定着无人机航测成果的展现，像控点的精度和数量直接影响到航测数据后处理的精度，所以像控点的布设和选择应当尽量规范、严格、精确。布设像控点之前要做好准备工作，首先要检查航测区域的地质地貌条件，准备好石灰粉、油性喷漆、标靶板(木板或者做的硬纸板、打印的广告布)，喷撒对比明显的”L”型或者”+”型标志，像控点应选在印象明晰的地物点上。

2、三维模型效果的修补。

毕竟是软件自动生成的模型，因为算法和智能的原因，多多少少会出现各类缺失、空洞、悬浮、扭曲等现象，这样就需要我们通过人工干预建模过程，使得模型表面展示效果更佳。

3、模型单体化的提取。

无人机+倾斜摄影自动化建模由于其数据处理生成技术机制，成果模型为我们俗称的“一张皮”，整个项目区域是一整块体现，没有单独显示某一区域或者某一建筑物，对于例如建筑物的选中、属性查询、空间査询以及专题图操作等GIS操作都无法实施。三维模型只有具备了“单体化”的能力，数据才可以被管理，被赋值，而不仅仅是被我们用来查看、展示、浏览等比较表面的操作。

进行一次无人机航飞活动，前期需要了解所在区域是否属于敏感区域，例如是否位于军事禁区内，民航机场附近或者是政府单位，比较重要的地标、建筑物等，然后准备相关的各类证明文件，首先向民航局航管处申请，根据是否有敏感区域考虑向军队部门申请报备，最后一定要在当地公安局报备，才能进行无人机航飞活动。

针对空域申请，根据申请指引明确需要提供的材料，我们准备了大量的资料和证件，包含以下几个方面。

1、飞行计划（执飞单位、联系方式、无人机型号、起降点、任务性质、飞行区域、飞行高度、飞行日期、预计开始和结束时刻）

2、飞行资质证明（涉及到对地观测地需要航测资质，公司是否具有航摄资质）

3、飞手资格证书（是否具有AOPA颁发的无人机驾驶证）

4、任务委托合同

5、任务单位其他相关材料

6、空域申请书（申请原因、申请事项、委托方、航空器信息、飞行时间、飞行地点、任务性质）

7、公司相关资质证明

也很幸运，这个项目因为材料较为齐全，我们有资质，有飞手证等，最终申请到了空域使用。

航线规划中，因无人机的续航时间有限，一次不可能完成所有任务，所以根据廉江市的特殊情况，采用划分网格状的办法，把整块区域划分成多个小区域，每个单元之间的小区域，保证有一定的重叠度，并标志一定的编号，按照编号进行航飞，事后要复盘当天的飞行路径，以确保航飞过程中不会遗漏，也不重复或者无效飞行。

像控点布测是航空摄影测量工作中的关键步骤，它的好坏不仅影响航测成果的精度,更影响着整个项目工期的进度。像控点布设方案的合理与否,对整个测绘地形图或者是三维建模的数学精度产生直接影响，因此需重视像控点的科学选择与布控，从而保障成果的质量。

在像控点采集的工作中，当我们确定航飞的空域后，按照《1:500 1:1000 1:2000地形图航空摄影测量内业规范》的精度要求，采用区域网布点的方案，可利用利用各种影像图、电子地图来确定像控点的大概位置和数量。然后在确定的附近进行布点和测量。

在廉江进行的像控点布设，因测区面积大，范围广，而且精度要求高，所以几乎每相隔500米的距离就布设了一个点，我们采用了在路面喷撒“L”字型红油漆的办法，整个项目布设了共计1100多个点。

我们在这个智慧廉江项目上采用哪些新手段来助力其建设呢？

1、无人机+全景相机

采用垂直起降无人机作为飞行平台，搭载全景相机从一个垂直、四个倾斜共5个角度对测区进行全方位360°的航摄数据采集。

垂直起降固定翼无人机具有对起降场地要求低、机动性好、巡航速度高、航时长等优势,非常适合在廉江地区这种较为复杂的地方进行航飞。什么是垂直起降固定翼无人机？顾名思义，它不需要跑道或者弹射器，在原地就可以垂直起飞和垂直降落，又具有固定翼无人机的特点，将多旋翼和固定翼的优点相结合，既能高速巡航，又能垂直起降、精准悬停，成为了近几年行业级无人机的主要新宠。

五镜头倾斜摄影相机集成了5个角度的相机，可同时拍摄5个朝向的影像，颠覆了以往正射影像只能从垂直角度拍摄的局限，通过在同一飞行平台上搭载多台传感器，同时从一个垂直、四个倾斜等五个不同的角度采集影像，获取地面物体更为完整的信息。

这种倾斜摄影技术主要有以下4个特点：

1）反映地物周边真实情况：可以获取多个视点和视角的影像，从而得到更为详尽的侧面信息，具有较高的分辨率和较大的视场角，地物遮挡现象较为突出。

2）倾斜摄影可实现单张影像测量：通过配套软件的应用，可基于成果影像进行包括高度、长度、面积、角度、坡度等测量，扩展了倾斜摄影技术在行业中的应用。

3）提升城市三维建模效率：针对各种三维数字城市的应用，利用航空摄影大规模成图的特点，加上从倾斜摄影影像提取及贴纹理的方式，能够有效的降低三维建模成本。

4）数据量小易于网络发布：相较于三维GIS技术应用庞大的三维数据，应用倾斜摄影技术获取的影像的数据量要小得多，其影像的数据格式可采用成熟的技术快速进行网络发布，实现共享应用。

2、航线设计

航线设计中，按照南北向布设航线，考虑满足航向旁向重叠度的需求，同时考虑到10月份是廉江的天气、风向、光照强度等，同时为节约航时，减少无谓的飞行，我们优化了航线，使之保持一来一回的双数航带，把起降点设在航线同侧中点。

针对廉江项目，设计了一整套的外业航飞流程，严格按照流程进行作业。

在航线规划界面，选择好两个重叠度，确定当次的航飞范围，即会有相关的数据显示，包括面积、航程、航时、航带数、拍照间距、预计拍照数、分辨率等参数。

深入测区现场进行起降

3、像控点布设

受所搭载相机的限制，无人机航拍获取的影像具有像幅小、基线短、重叠大等特点，在内业处理时寻找像控点较难，所以必须提前规划好像控点的布设与采集，需达到几个基本要求，一是要遵从布设原则，二是保证布设密度，三是选择合适的点位。

但在廉江市实际布设像控点时，点位若要选取在影像上清晰可见、易于分辨的特征地物点上，就不能完全按照预先设定好的距离进行布点，所以必须有所取舍，只能根据现场实际情况选取合适的点位。

4、立体建模

在前期完成空三加密处理的基础上，采用全自动空三数据导入方式，将空三后的成果数据直接提交生成三维TIN格网构建、白体三维模型创建、自助纹理映射和三维场景构建等，在数字摄影测量工作站上采用批处理的方法完成各个立体模型的建立。

在进行廉江项目数据处理时，受到航摄盲区造成的死角导致三维模型会存在无三角网的空洞区域，尤其是水面区域；空三阶段因像片及POS参数的质量问题，会出现匹配错误以及点位不足等情况，导致三维模型的空洞；还有三维场景中有悬浮的石头和树木、灯柱……这些问题都需要我们自己去手动修补优化，才能满足精细化三维建模的需求。那么我们是如何处理的呢，请看下面的介绍。

5、水面修复

生成机制缺陷，对于大型的水面，水库，航摄时水面会飘来荡去，导致软件进行处理的时候，由于特征点较少，软件在计算式很难匹配正确，它也就无法识别点云，导致水面会出现空洞、不平或缺失等支离破碎的情况，影响成图效果之余且不美观。可使用KML水面约束的办法进行修补，我们导出第一次空三生成的KML格式文件并将其导入谷歌地球，此时谷歌地球会根据照片的GPS信息锁定测区；我们通过谷歌地球上的区域绘制水面多边形，并参考第一次的模型水面设置其高度；保存该多边形且准备将其导入CC软件。在CC软件重建约束里导入水面KML文件，而后可以看到重建的块更新，继续提交生产即可。对于一些表面有大量的玻璃幕墙的建筑物，也可以使用这个方法进行处理。

6、悬浮物处理

对于一些树木，灯柱、路牌等底面小，顶面大的物体，软件也同样无法处理其细小的柱体，使得这些物体像是幽灵般悬在空中一样。所以必须把这些悬浮物删除掉，成果才会好看。图上是对悬浮物的处理前后对比，可以看出处理后图面更加整齐、美观。

7、置平处理

这里我们需要用到3ds max这个软件，3dmax对模型的缺失修复以及冗余删除的效果是不错的，它修复模型的大致流程如下：

首先需要在CC里导出obj格式的数据格式，找到我们需要修复的三维瓦片；其次，导入到3dmax中，通过3dmax软件的线面编辑工具，对模型的缺失进行修补，凹凸不平进行拉平，冗余进行删除。

8、模型单体化

什么是单体化？“单体化”是指每一个我们想要单独管理的对象，是一个个单独的、可以被选中的实体（Entity）；即用鼠标点击时可以显示为不同颜色（称为“高亮”）显示，可以附加属性，可以被查询统计等等。只有具备了“单体化”的能力，数据才可以被管理，而不仅仅是被用来查看。

对于倾斜摄影自动化建模而言，在空三之后，首先对所拍摄影像的像对生成稠密的点云，然后对点云进行抽稀，再构建三角网，最后贴上贴图。在这个过程中，是没有人工干预的，当前的建模算法并不会把建筑、地面、树木等地物区分出来，因此构建出来的是一个连续的TIN网。对于这样的数据，本身是无法选中单个建筑的，需要进行一定的处理才能实现“单体化”。

而对于大多数后期GIS应用而言，是需要能对建筑物等地物进行单独的选中、赋予属性、查询属性能最基本的GIS的能力。因此，单体化称为倾斜摄影模型在GIS中应用所绕不过的一个坎，是必须要解决的问题。

目前，对于倾斜数据进行单体化提取有三种方式：

（1）最直观的思路，就是用建筑物、道路、树木等对应的矢量面，对倾斜摄影模型进行切割，即把连续的三角面网从物理上分割开，从而实现单体化。称之为“切割单体化”。

（2）利用三角面片中每个顶点额外的存储空间，把对应的矢量面的ID值存储起来；即一个建筑物对应的三角面片的所有顶点，都存储了同一个ID值，从而实现在鼠标选中这个建筑物时，该建筑物可以呈现出高亮的效果。这个称之为“ID单体化”。

（3）在三维渲染的时候，动态的把对应的矢量面叠加到倾斜摄影模型上，类似于一个保鲜膜从上到下的把对应的建筑物等物体的模型包裹起来，从而实现可被单独选中的效果。这种忧郁时渲染时动态呈现的，可以称之为“动态单体化”

三种单体化的方式各有千秋，总结如下：

9、BIM建筑信息模型

在廉江新型智慧城市项目上，还需要用到BIM模型。“BIM”这个名词也是近几年来的新宠，频频出现在电视、网络和报刊上，仿佛跟BIM沾上边，都觉得很高大上，但其实什么是BIM模型，许多人说不出个所以然来。

建筑信息模型（Building Information Modeling）是建筑学、工程学及土木工程的新工具。它是形容那些以三维图形为主、物件导向、建筑学有关的电脑辅助设计。它可以帮助实现建筑信息的集成，从建筑的设计、施工、运行直至建筑全寿命周期的终结，各种信息始终整合于一个三维模型信息数据库中，设计团队、施工单位、设施运营部门和业主等各方人员可以基于BIM进行协同工作，有效提高工作效率、节省资源、降低成本、以实现可持续发展。

BIM的核心是通过建立虚拟的建筑工程三维模型，利用数字化技术，为这个模型提供完整的、与实际情况一致的建筑工程信息库。该信息库不仅包含描述建筑物构件的几何信息、专业属性及状态信息，还包含了非构件对象（如空间、运动行为）的状态信息。借助这个包含建筑工程信息的三维模型，大大提高了建筑工程的信息集成化程度，从而为建筑工程项目的相关利益方提供了一个工程信息交换和共享的平台。

BIM有如下特征：它不仅可以在设计中应用，还可应用于建设工程项目的全寿命周期中；用BIM进行设计属于数字化设计；BIM的数据库是动态变化的，在应用过程中不断在更新、丰富和充实；为项目参与各方提供了协同工作的平台。

在项目实施过程中，因为是第一次实施这么大型的项目，难免会磕磕碰碰，我们也是在一路摸索中走来，当中用到的新路子，新方法还是很多，下面主要提取两点来说明。

1、无人机+全景相机

区别于以往传统的人工方式，这次开创性的使用了垂直起降无人机搭载倾斜相机进行航测作业的方式。以往传统的人工建模，或者是正射影像只能从垂直角度拍摄的局限，倾斜摄影测量技术通过从一个垂直、四个倾斜、五个不同的视角同步采集影像，获取到丰富的建筑物顶面及侧视的高分辨率纹理。它不仅能够真实地反映地物情况，高精度地获取物方纹理信息，还可通过先进的定位、融合、建模等技术，生成真实的三维城市模型。

2、空三处理+点云

在廉江项目实施过程中，我们采用了基于空三+点云方式生产DEM数据，相比基于等高线、高程点、特征地物信息数据的方法进行DEM数据生产,这种方法效果更好，速度更快。

首先我们解释一下什么是空三，空三是空中三角测量的简称，空中三角测量是立体摄影测量中，根据少量的野外控制点，在室内进行控制点加密，求得加密点的高程和平面位置的测量方法。其主要目的是为缺少野外控制点的地区测图提供绝对定向的控制点。而通过空三处理得到的地物外观表面的点数据集合也称之为点云。这个处理过程如下：

1）点云预处理，主要是对点云数据进行分类，初步分出地面店、建筑物、植被、噪点，为的是初步区分地面店和非地面点，导入范围线裁剪点云，选出噪点之后删除相应的噪点，最后对剩余点构建TIN，进行精细分类，即精细区分出地面点和非地面点，然后构建地面点的TIN模型，之后保存点云创建DEM即可。

以上图为例，两种方法的优劣对比一目了然，使用了航测的方法，所带来人力方面的巨大解放是实实在在的。

内业处理方面，全部采用集群化、自动化处理，仅仅是需要少量人员对某些关键步骤进行干预，其他时间都是计算机自动进行处理，节省了大量的内业人员。

1、成果的展示效果

因为廉江城区高达3cm的精度要求，所得模型非常精细，整个城市的细节清晰可见。

2、项目的可应用方向

倾斜摄影技术的发展，以及它所能展示的细节，不仅扩展了遥感和摄影测量技术的应用领域，该技术的引进也使得三维城市建模的成本大大降低。目前，倾斜摄影技术被广泛应用于城市管理、国土资源管理、智慧城市、应急指挥、国土安全、地质防治等领域，而且它的潜力还远远没有发掘完，相信在未来，倾斜摄影三维建模的应用范围将大大扩展。

用于古建筑、文物保护

地质灾害、山体滑坡防治

公司简介：

广州蓝图地理信息技术有限公司成立于2004年，经过15年的历练，积累了大量的国土、测绘行业经验，不动产测绘、不动产登记、地理信息系统工程、无人机航测、摄影测量与遥感等全项目类型经验丰富，影像、矢量等地理信息数据积累丰富、覆盖广、数据齐全、现势性好。公司成立至今，分别在广东省各个业务均有业务往来，尤其在测量、调查、遥感图像与地图服务等方面有较为丰富的项目积累。