蔚县古城倾斜与近景摄影测量数字化项目

一、项目背景

   蔚（yù）县，河北省张家口市辖县。北京以西230公里的河北张家口市最南端，古称“蔚州”（出自“幽云十六州”），周朝时，称为代国；蔚州城始建于南北朝时期，后于明洪武五年建土城，洪武十年（1377年）重筑。由于城门和城墙建筑雄伟，又被称之为“铁城”。

   蔚县古城设有三门：东为安定门，南为景仙门，西为清远门，惟北城墙未开城门而建有玉皇阁。只可惜，古色古香的古城建筑周边，满是林立的现代化楼宇。

   蔚县古城古城墙是蔚县古城改造的重要构成部分，承载着我国传统的历史文化。因此，对于古城墙的保护显得尤为重要。无人机近景摄影测量技术能够高效、准确、无接触地获取古城墙及附属建筑物的影像数据，并通过计算机视觉技术对古城墙及建筑物进行三维重建，可以实现对 蔚县古城墙的数字化及信息化，为古城墙的管理保护工作提供崭新的思路和方向。

二、测区概况

   项目测区位于张家口市蔚县城区，测量目标为蔚县古城墙及附属的古建筑、构筑物等。测区内地势较为平坦。其中建于明洪武年间的玉皇阁，也被称为靖边楼，位于蔚县古城的北城垣之上，是一座雄伟高耸的三层阁楼式古建。玉皇阁始建于明初洪武十年（1377年），后于清代几经修复。我们眼前的玉皇阁是一座坐北朝南的宏伟古建筑，分为错落格局的上下两进院落。从南到北依次为天王殿、小门、玉皇阁大殿。下院由天王殿、东配殿和禅房组成，经由十八级条石台阶跨入小门，即为上院。上院小门两边有钟鼓二楼，正面当中是玉皇阁大殿。大殿前廊下，有明清各个时期的始建、重修碑刻若干，多字迹清晰，笔触遒劲，碑刻均完整。如今的玉皇阁连同南安寺塔，已被列为国家重点文物保护单位。

    蔚县这21 处“国保”是：灵岩寺、古城墙、真武庙、常平仓、玉皇阁、南安寺塔、释迦寺等。

   蔚县古城墙及附属的古建筑项目总面积1.6平方公里，修整完善及保护性开发建筑面积454309平方米。

  考虑到光线照射角度及背阴面阴影大小，规定无人机环绕飞行作业时间为10:00～15:00，在该时间段内，太阳高度角较高，光线阴影较小，适合飞行。同时，为了避免无人机贴近摄影测量影像数据采集过程中造成过曝现象，规定贴近摄影测量作业时间为9:30～10:00和15:00～16:00。

  测区内共布设地面像控点36个，考虑到古城墙附近对于环境保护的需求，因此，像控点全部选择点位清晰且易辨认的地面斑马线、道路指示线等角点。

三、项目设备选用

  由于此次拍摄的目标物包括城墙、城门、闸楼、城楼、箭楼、角楼、敌楼、女墙、马面、瓮城以及城墙内侧民房及外侧高层建筑物等，其中闸楼、箭楼、角楼、敌楼等结构复杂，多为通柱式结构，不仅包含平台结构，还包含暗层、楼面以及挑台等结构。复杂的结构和细致的纹理给摄影测量工作带来了巨大的挑战。

  为了获取测区的高质量航片，兼顾无人机的安全性，项目组选用设备为大疆精灵 4RTK无人机。地面进行GPS且具备RTK厘米级定位精度，可实现精确地航线作业及悬停作业。

四、航线规划设计

   此次飞行航线设计使用大疆DJI GS RTK软件。出正摄影像只需要飞第一条航线（镜头垂直向下），建立三维模型需要飞完五条航线，也有飞环形航线提高效率节约时间的。对蔚县城区划分为6个航飞区块。摄影测量2D规划方式可用于正射地图拍摄、摄影测量3D(井字飞行、五向飞行规划方式可用于三维重建、航点飞行规划方式是飞行器按照规划的航点完成飞行动作、航带飞行规化可用于河流、管道、公路等带状区域的正摄地图拍摄及倾斜摄影测量拍摄。

  理想情况下，飞机和航摄基准面是保持一定相对高度的，维持某特定高度即可获取一定分辨率的图。而实际上，被摄地表往往略有起伏的，会导致分辨率低。

 飞行高度

 仿地飞行可以减少由于飞行相对高度不同而带来的误差。但是仍有很多误差无法消除，因此应根据规范要求，结合实际地形，将航高适当降低，飞行过程中按优于规定分辨率的要求进行航飞。

五、外业航飞概况

  本次项目外业采集工作分两部分进行：

  首先，使用大疆精灵 4RTK对测区进行整体多视角飞行，获取整个测区的影像数据。设计航高为120米，地面分辨率（相机俯仰角-45°情况下的真实分辨率）约为2cm。

  其次，使用对玉皇阁、城墙、城门、闸楼、城楼、箭楼、角楼、敌楼、女墙、马面、瓮城等进行贴近飞行，拍摄距离45m左右，分辨率约为4mm。西安城墙永宁门段有效建模面积0.7km²，6个测区飞行采集影像16810张，正射影像634张，玉皇阁手动补拍照片680张。

  本次测区地面特征点较多，所以使用后采法采集像控点，个数为五个，均匀分布于测区。用RTK多次采集地面特征点，取均值。当然以上两种方法可以同时使用，效果更佳。  

  注意测区是否属于禁飞区，测区内有无高层建筑物，信号塔，高压线，以此来确定合理的飞行高度。选择地形平坦，开阔，相对位置较高的地方（如小山丘，平房楼顶）作为起飞点，并且起飞点需要考虑航线最远处的信号传输问题。合法飞行，申请空域！

六、航飞数据处理

 手工筛选掉漏浆，方向不对，相机过曝、欠曝等不符合要求的照片。大疆无人机拍摄的照片自带pos信息（wgs84坐标系统），右键属性详细信息可以查看照片经纬度及其它信息。像控点是摄影测量控制加密和测图的基础,因此,野外像控点目标选择的好坏和指示点位的准确程度,直接影响成果的精度。本测区采用CGCS2000坐标系统，高斯三度带投影。

七、项目总结

  从飞行情况来看，环绕飞行高度150m，地面分辨率可达2cm，贴近飞行距目标物距离45m，分辨率可达4mm，完全可满足项目需求。通过无人机倾斜摄影测量及近景摄影测量技术获取古城墙及附属建筑物的影像数据，对古城墙及建筑物进行三维重建，实现对古城墙的数字化及信息化，助力古城墙的管理保护工作。将采集到的信息进行整理交付，便于项目方存档管理。三维数字模型可以提供城墙的各项现状数据，为城墙的保护修复提供客观精确的实测数据。将采集到的信息进行整理交付，便于项目方存档管理。三维数字模型可以提供城墙的各项现状数据，为城墙的保护修复提供客观精确的实测数据。

相关规范

• 《低空数字航空摄影测量外业规范》（CH/Z_3004-2010）

• 《低空数字航空摄影规范》(CH/Z_3004-2010)

• 《数字航空摄影测量空中三角测量规范》（GB/T 23236-2009）

• 《低空数字航空摄影规范》（CH/Z3005-2010）

• 《数字航空摄影测量控制测量规范》（CH/T 3006-2011）

• 《全球定位系统实时动态测量（RTK）技术规范》（CH/T 2009-2010）

• 《IMU/GPS辅助航空摄影技术规范》（GB/T 27919-2011）

• 《1:500、1:1000、1:2000地形图航空摄影测量内业规范》（GB/T 7930-2008）

• 《1:500、1:1000、1:2000地形图航空摄影测量外业规范》（GB/T 7931-2008）

• 《城市三维建模技术规范》（CJJ/T 157-2010）

• 《三维地理信息模型数据产品规范》（CH/T9015-2012）

• 《三维地理信息模型生产规范》（CH/T 9016-2012）

• 《三维地理信息模型数据库规范》（CH/T 9017-2012）

• 《数字测绘成果质量检查与验收》（GB/T 18316-2008）

• 《测绘技术设计规定》（CH/T 1004-2005）