一、项目背景
为响应自然资源部实景三维中国建设的地理信息战略任务，同时满足汕头市国土空间规划、新型基础测绘建设的需求，由自然资源部经济管理科学研究所和汕头市自然资源测绘院联合开展汕头市自然资源大数据建设，围绕汕头市主城区开展倾斜摄影测量，结合汕头市已有基础地理信息数据，构建汕头市全域三维地理场景，这也是国内首次在城市区域完整实施0.015米分辨率的实景三维模型制作。
基于倾斜摄影测量成果，陆续开展房产竣工等一体化测绘，构建多测合一生产体系；通过多源数据融合与全要素提取，实现汕头市自然资源单体化管理。双方围绕海量三维地理信息数据优化、三维数据服务共享、数据加密与脱密等工作联合开展技术攻关，形成一系列技术方法与产品。已完成汕头市城区近170平方公里1.5cm分辨率的倾斜摄影测量生产任务，以及部分地区的数字正射影像生产、1:500地形图测量和房产竣工测量等。同时围绕已有自然资源成果数据开展汕头市自然资源大数据平台建设与应用。
二、单位简介
自然资源部经济管理科学研究所（黑龙江省测绘科学研究所）：隶属于黑龙江测绘地理信息局，是中国倾斜摄影技术联盟理事长单位、黑龙江省“互联网+地理信息关键技术研究”院士工作站，现有在职职工70余人，注册测绘师8人，高级工程师20余人，具有独立事业法人资格，甲级测绘资质，拥有街景工厂、像素工厂、移动道路测量系统等一系列国内外先进的测绘高新软硬件设备。
汕头市自然资源测绘院（汕头市基础地理信息中心）为汕头市自然资源局管理的正科级公益二类事业单位，具备乙级测绘资质。主要承担应急测绘、行政区域界线测绘、土地测绘、地籍测绘、房产测绘以及工程地形图测绘、规划建设工程预测绘和竣工测绘、规划定线等技术性、事务性工作，以及市级基础测绘和地形图库的基础地理信息管理及应用工作。
三、测区介绍
本项目主要为汕头市城区实景三维建设，根据测区建筑高度可以大致分为三种类型。
第一种为平均高度低于30米的平房及低层区域，次区域建筑分布十分密集，多为老宅，作业环境相对简单。
第二种为平均高度低于80米的多层、小高层区域，此区域环境对象复杂，对起降及瞭望要求较高。
第三种类型是平均高度超过80米以上的高层建筑，此区域多为主城区及城市重点开发区域，多存在施工区域，对飞行参数要求较高，飞行效率较低，同时要求定期更新数据。
此外，还有一些建筑，需要制定专门的飞行方案，如两座跨海大桥，海湾大桥和礐石大桥，在建的亚青会场馆、海中小岛等。
无人机航飞团队
四、航飞方案
4.1▪控制点布设
因为测区相对较大，根据飞行划分的不同区域依次完成像控点布设工作，时间跨度小从而确保精度。因采用RTK和PPK模式提高了飞行精度，布设原则为：测区内像控点布设5个/平方公里，检核点（平面加立面）15个/平方公里。目前已完成飞行区整理陆续完成控制点布设工作。
4.2▪设备选用
本次项目具有测区面积大，高层多等特点，为了满足国土空间规划、新型基础测绘建设、地籍测绘等地理信息需求，需要在保证1.5cm的分辨率要求的同时要确保飞行安全和效率。综合考虑区域地貌特点和空域情况，经过多方选择和对比，我们采用大疆M300 RTK无人机搭载睿铂D2-PSDK相机和大疆M600 Pro搭载睿铂DG4Pros相机两套飞行系统来完成倾斜摄影作业。
空三加密成功率高
睿铂镜头属于自研发镜头，在焦距比设置、参数校正、拍照同步性等方面已经达到企业级标准，能够将成品影像的畸变控制在千分之四的范围内，并能通过修正、消除像差及色差问题，大幅提升空三匹配的成功率和精度。能够在单分区12万张以上的空三加密任务中，匹配与融合一次性通过，并且水面、大面积植被的丢片率更低。区域网平差后的精度也能满足国家1:500地籍精度要求，使内业生产的工期更可控。
影像效果优秀
由于无人机作业时间久，测区光线和阴影变化大，导致镜头拍摄的像片色差大，需要用CaptureOne后期调整。睿铂DG4Pros的曝光参数可调，每架次飞行可根据现场光线情况进行适配，对测区暗部、带有高亮面的建筑等场景拍摄具有显著提升，减少迎光面过曝或背光面欠曝的现象。并且镜头的色彩还原较真实，模型的色彩统一性较好。
4.3▪飞行方案
根据建筑高度和密集情况，项目组将测区分为高层集中区及非集中区两种情况，集中区的高层建筑多高于100米，且分布密集，楼间距较小。由于最低航高的限制，如果拍摄镜头的像素不足够高，则地面要素无法满足设计分辨率的要求，并且相邻高层的侧面纹理采集不全，建模时易产生漏洞。
经过测试，在实际作业中，睿铂DG4 Pros相机负责高层集中区的拍摄，即高度大于50米的区域；大疆M300搭载的睿铂D2 PSDK相机负责非集中区的拍摄，即高度低于50米的区域。在满足地面分辨率的情况下，像幅越小处理空三、建模越快，因此这样搭配的效率最高。
4.3▪航飞概况
本项目要求的分辨率为1.5cm，因此大疆M300 RTK无人机搭载睿铂D2-PSDK相机的设计航高为84m，主要负责建筑高度低于50米的区域飞行，航向/旁向重叠度为80%/75%。
大疆M600 Pro搭载DG4 Pros相机的设计航高为140m，主要负责建筑高度大于50米的区域飞行，因为测区内建筑50-120米高度不一，同一飞行任务按照最高建筑顶部航向/旁向重叠度为70%/60%的原则根据睿铂小程序软件算出航线对应的航向/旁向重叠度，按照此参数飞行，以此确保最高建筑顶部模型完整。
测区有效面积约160km²，实际航飞面积约174km²，累计飞行572个架次。航飞速度为8m/s，M300 RTK单架次飞行时间约35min，M600 Pro单架次飞行时间25min，共获取约2000000张影像，航片影像清晰、色彩均匀，满足本次项目的使用要求。
4.4▪数据采集航飞细节
高层建筑精细化飞行
为保障在1.5cm分辨率下能够把120米以上高度的建筑拍完整，无人机组尝试了双层飞行和加密飞行两种方式。
在建筑结构上，以上两种飞行模式都能够较好的还原建筑特征，但是双层飞行需要二次升空，两批影像存在时间差，因此同一地点产生阴影移动，建筑的材质匹配会变花。而加密飞行的时间是线性的，因受天气影响较小，但加密飞行只能在刚好拍到高层顶端的高度，因此地面要素的分辨率会比设计值略低。
经过实践，最后的结论是，阴天时可以尝试双层飞行，晴天多采用加密飞行。个别超高层建筑在空间允许的情况下，也可采用环飞的方式。
空地结合飞行
在高层建筑密集区域，底商、近地面建筑由于分辨率、遮挡等原因无法达到用户需求的，采用大疆P4R单镜头贴近摄影测量结合无人机影像联合解算，以增强近地面建筑的材质清晰度与结构还原度，由于分开航摄的时间差异会导致纹理明暗面差距较大，影响匹配，因此多在无阴影的天气进行空地结合作业。一些重点雕塑、塔状建筑也可通过环飞后建模合并至场景。
五、数据处理
5.1▪道路修饰
本次项目根据测区情况划分成了很多小区域进行生产，每个区域约10万张影像。通过SkyScanner软件进行影像下载和数据预处理，得到高精度的位置信息，然后使用Mirauge3D软件进行空三解算，机器数量：10台。机器配置：I9处理器，显卡：2080，内存：4T固态硬盘+128G运行内存。
5.2▪OSGB成果匀色
在实景三维模型生产前，由于相邻架次间相片存在光线差异，可以通过CaptureOne等软件对原始影像进行匀色，消除或减弱各分区模型成果的色差。当遇到OSGB模型生产完成后，再发现某些区域与相邻地区存在色差，重新匀色生产又来不及，这就需要用到OSGB成果匀色技术。通过对OSGB模型的直接操作，可选择相邻测区影像为模板，调整目标模型的材质颜色，完成后保存至模型，达到不重新生产即可匀色的效果。
匀色后
5.3▪竣工图生产
在实景三维模型上，采用Cass10.1软件进行1:500DLG要素采集，制作外业调绘底图。外业采用外业调绘底图进行调绘，并对内业无法采集的要素进行补测。内业根据外业调绘和补测结果进行成图编辑，制作1:500 DLG制图数据成果。
在实景三维模型上，采用EPS软件参照施工设计图采集竣工图要素，叠加用地红线，采集必要的特征点坐标、高程、长度、间距、面积等信息，并进行标注，形成竣工图成果。
5.4▪TDOM、DOM生产
基于实景三维模型数据，直接生成真正射影像（TDOM）。基于实景三维模型空三成果，分析、提取影像纠正所需的内、外方位元素，采用InPho软件对下视影像进行正射纠正，通过影像镶嵌、影像匀色、影像裁切等步骤生产DOM数据。
5.5▪DSM、DEM生产
基于倾斜摄影点云数据成果，直接生成数字表面模型（DSM）。对点云数据成果进行地面点与非地面点分类，去除地物实体等高出地面的点云，对地面点云剔除粗差点、调整分类错误的点、增加地形失真区域高程特征点，通过人机交互式的DEM编辑，生成满足精度要求的数字高程模型（DEM）。
六、精度分析
本次项目中，使用M300 RTK搭载D2-PSDK和M600 Pro搭载DG4 Pros相机采集的数据成果均能满足1:500地籍精度要求。
七、模型成果
八、成果应用
8.1▪打造数字孪生地理基底
项目着力于服务数字孪生城市的地理基础底层数据生产，满足国土空间规划、新型基础测绘建设需求。针对1.5cm分辨率、海量的城市级实景三维模型，平台创新性的研究并使用根节点聚合技术对三维数据进行优化，大幅度提高了渲染与应用能力，初次渲染效率提升40倍，渲染帧率提升5倍，根节点数据量压缩到千分之一以下，为汕头实景三维数据推广应用打下坚实基础。下表为处理前后速度对比：
项目组对于十余种三维数据格式进行研究和解析，系统梳理模型局部坐标与空间绝对坐标转换，实现三维顶点坐标投影转换和贴图重构，避免不同坐标系统和投影要求重复生产数据，最终实现CGCS2000坐标系和地方坐标系的互转，精度无损。
8.2▪
新型基础测绘地理实体构建
依据《全国基础测绘中长期规划纲要(2015—2030年)》中提出的“加快发展基础测绘，形成新型基础测绘体系”的要求，以及陆昊部长在第一次全国自然资源工作会议讲话中明确提出的“加快基础测绘转型升级，增强测绘地理信息公共服务能力，促进地理信息产业高质量发展”。
本项目中新型基础测绘体系与时空大数据平台互为支撑、相互促进，构建了类型丰富的地理实体，创新性地展示了基于地理实体的区域、楼、层、户的实体构建。网格区域地理实体可根据属性字段高亮不同颜色显示。
对感兴趣的房屋可进行进行单体化处理，叠加DLG成果，精确展示位置，如下图所示：
层、户也可以进行精细化的批量实体构建，如高亮显示所选中的楼层、户型，以及弹出楼层示意图，点击户型还能弹出户型详细信息（DWG或SHP）。
8.3▪重大工程实施跟踪
利用无人机搭载睿铂高性能倾斜相机，快速采集、灵活机动，较适合城市中对施工现场变化信息的及时掌握，特别是对城市重点区域监控和重大工程的实施跟踪。
以汕头市亚青会场馆建设为例，通过定期获取可量测实景三维数据，将设计方案和实际工期进度真实地放映出来，能够加强工程施工现场的整体监管，可以科学地监控、管理项目实施，规范作业行为，保证施工进度。
结合应用系统，还能进行土石方材积量测、挖填方模拟等成本评估工作，确保项目设计的工作都能根据计划有效进行，并形成一个完整且连续的监测过程，与BIM一起作为时空数据，为建筑全生命周期的维护和管理提供数据参考。本项目获取三期监测数据：设计阶段（2019），施工阶段（2020）和竣工阶段（2021），联合设计BIM模型：
8.4▪多源数据融合
自然资源大数据平台突破了传统GIS软件在多源三维空间数据融合方面的局限，加强对倾斜摄影模型、TIN地形、白模、人工模型、BIM、DLG、CAD地形图、地下管线、规划等数据的融合展示，实现地上和地下自然资源信息的全范围管理与服务。融合各类源数据的优势，如较高的空间精度，良好的数据现势性，完善的属性信息等，帮助用户构建精准的大规模三维场景, 快速实现流畅的三维可视化展示,助推各行各业的智慧发展，为实现实景三维中国建设奠定坚实基础。多源数据类型展示如下图：
九、项目总结
通过本次项目可以看出，对于城市级别的倾斜摄影，睿铂给出了针对不同区域的解决方案，无论是M300 RTK搭载D2-PSDK相机还是M600 Pro搭载DG4 Pros相机都十分成功的完成对应区域的飞行任务。
同时睿铂镜头在航高、模型精度与效果之间达到了巧妙地平衡，最大程度上的获取高质量影像，可以很大程度上提高海量数据的空三通过率。特别是DG4 Pros相机在应对百米级高精度城市建模方面的表现更加亮眼，合理的镜头焦距比、全画幅相机、优异的光学性能等优点，在保证高分辨率的同时完美的解决了百米级的城市建模问题。
通过本次项目也验证了低空无人机完成超大面积城市级实景三维建设的可行性。根据测区不同区域的特点做出合理分区规划，制定对应的飞行计划同时做好内业生产分区，确保内外业同时进行，提高整体效率。
