利用Pictometry傾斜攝影技術(shù)進(jìn)行全自動(dòng)快速三維實(shí)景城市生產(chǎn)
——以常州市三維實(shí)景城市生產(chǎn)為例

田 野，向 宇，高 峰，高 亮

(北京天下圖數(shù)據(jù)技術(shù)有限公司，北京100083)

一、引 言

傾斜攝影技術(shù)是國(guó)際測(cè)繪領(lǐng)域近些年發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新的對(duì)地觀測(cè)技術(shù)。該技術(shù)目前已在歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家廣泛應(yīng)用于應(yīng)急指揮、國(guó)土安全、城市管理、房產(chǎn)稅收等行業(yè)。北京天下圖數(shù)據(jù)技術(shù)有限公司則在2010年4月首次將世界領(lǐng)先的傾斜攝影技術(shù)引入中國(guó)，開(kāi)啟了中國(guó)航空傾斜攝影時(shí)代。

目前，我國(guó)已經(jīng)啟動(dòng)數(shù)字城市建設(shè)，然而傳統(tǒng)的手工三維模型生產(chǎn)技術(shù)需要耗費(fèi)大量的人力和時(shí)間，同時(shí)基于影像的立體像對(duì)建設(shè)工藝和基于矢量樓塊的快速建模工藝比較簡(jiǎn)單，不能生成較好的精細(xì)模型［1］。此外，由于人工紋理采集的局限性，三維模型呈現(xiàn)的真實(shí)性較差，且紋理采集依然需要耗費(fèi)大量人力和時(shí)間。因此，傳統(tǒng)三維建模技術(shù)已不能夠滿足我國(guó)數(shù)字化城市建設(shè)的需求，而快速自動(dòng)真實(shí)三維場(chǎng)景生產(chǎn)便顯得尤為迫切。傾斜影像能夠提供豐富的紋理信息，結(jié)合三維模型制作，能夠得到更真實(shí)的三維場(chǎng)景。本文以江蘇省常州市為例，介紹如何采用傾斜攝影技術(shù)進(jìn)行全自動(dòng)快速三維實(shí)景城市生產(chǎn)。

二、傾斜攝影技術(shù)介紹

1.國(guó)內(nèi)外傾斜攝影技術(shù)簡(jiǎn)介

傾斜攝影技術(shù)顛覆了以往正攝影像只能從垂直角度拍攝的局限，通過(guò)在同一飛行平臺(tái)上搭載多臺(tái)傳感器，同時(shí)從多個(gè)不同的角度采集影像。由此獲得的傾斜影像不僅能夠真實(shí)地反映地物情況，而且還能利用先進(jìn)的定位技術(shù)，嵌入精確的地理信息［2］。

國(guó)外傾斜攝影系統(tǒng)主要分3種類型：扇形布局、塊狀布局和馬耳他十字形布局。扇形布局主要用于勘察;塊狀布局主要用于測(cè)圖和監(jiān)察;馬耳他十字形布局的系統(tǒng)是Pictometry公司的5鏡頭系統(tǒng)，用于可視化、測(cè)圖和解譯。這些類型的傾斜攝影系統(tǒng)鏡頭數(shù)有2～6個(gè)［3］。目前，Trimble公司推出了一款由3個(gè)相機(jī)組成(一個(gè)垂直和兩個(gè)傾斜相機(jī))的航空傾斜攝影系統(tǒng)，設(shè)備由相機(jī)、IMU、POS、機(jī)箱等組成。其拍攝原理是要保證能夠獲取地物的4個(gè)側(cè)面信息，每次拍照結(jié)束后，連成一體的3個(gè)相機(jī)都會(huì)旋轉(zhuǎn)90°，待下次拍照后再次旋轉(zhuǎn)回來(lái)。

國(guó)內(nèi)方面，劉先林院士研制的SWDC-5傾斜攝影系統(tǒng)成功地完成了平頂山試驗(yàn)，是國(guó)內(nèi)的傾斜相機(jī)的一大突破。SWDC-5通過(guò)同一飛行平臺(tái)分別用5個(gè)視角對(duì)地進(jìn)行拍攝，并集成POS系統(tǒng)，以獲取每張影像的位置及姿態(tài)信息。

2.Pictometry傾斜攝影系統(tǒng)

(1)Pictometry傾斜攝影系統(tǒng)組成

Pictometry傾斜攝影系統(tǒng)包括硬件設(shè)備和軟件系統(tǒng)［4］。硬件設(shè)備包括飛行平臺(tái)、傾斜相機(jī)、POS AV;軟件系統(tǒng)包括航線設(shè)計(jì)軟件CountyPlanner、數(shù)據(jù)預(yù)處理軟件 Developer、POS解算軟件 POSPac 5.3。

(2)硬件設(shè)備簡(jiǎn)介

1)飛行平臺(tái)。飛機(jī)巡航速度要求不超過(guò)222 km/h，目前國(guó)內(nèi)僅有運(yùn)五飛機(jī)滿足要求。

2)傾斜相機(jī)。傾斜攝影相機(jī)由5個(gè)相機(jī)組成。其中，camera 0鏡頭垂直向下(正攝鏡頭)，其他4個(gè)傾斜相機(jī)鏡頭如圖1所示分別固定在camera 0的前后左右，分別用于獲取地物東南西北四個(gè)側(cè)面的影像，傾斜角均為40°［3］。相機(jī)固定位置及技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 傾斜相機(jī)示意圖

表1 相機(jī)固定位置及技術(shù)參數(shù)

3)POS AV。Pictometry傾斜攝影系統(tǒng)中POS型號(hào)為POSAV510。

(3)傾斜攝影成像機(jī)理

傾斜攝影相機(jī)工作時(shí)，5個(gè)鏡頭并非同時(shí)曝光，而是不同的相片重疊度采用不同的曝光順序。一般旁向取30%重疊度，航向取66%重疊度，其曝光順序?yàn)镃RF、C、L、C、B。其中，C 代表中心正攝鏡頭;R代表右側(cè)鏡頭;F代表前側(cè)鏡頭;L代表左側(cè)鏡頭;B代表后側(cè)鏡頭。曝光間隔一般小于1 s，但一組曝光要持續(xù)幾秒。圖2為一組曝光所采集影像示意圖，圖3為采集到的相鄰位置正攝與傾斜影像示意圖［5］。

圖2 一組曝光采集影像示意圖

圖3 相鄰位置正攝與傾斜影像示意圖

三、全自動(dòng)快速三維實(shí)景城市生產(chǎn)技術(shù)路線

圖4為全自動(dòng)快速三維實(shí)景城市生產(chǎn)技術(shù)路線圖。在數(shù)據(jù)獲取階段，本文采用Pictometry傾斜攝影系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取;在數(shù)據(jù)處理階段，采用Street Factory三維建模技術(shù)進(jìn)行空中三角測(cè)量、全自動(dòng)匹配三維模型、構(gòu)建TIN模型和貼紋理。

圖4 全自動(dòng)快速三維實(shí)景城市生產(chǎn)技術(shù)路線

四、基于傾斜攝影技術(shù)的常州市三維城市生產(chǎn)實(shí)例

1.測(cè)區(qū)概況

江蘇省常州市地處長(zhǎng)江三角洲西部，太湖平原西北，北緯31°09'～ 32°04'，東經(jīng)119°08'～ 120°12'之間。地貌類型屬?zèng)_積平原，境內(nèi)地形復(fù)雜，山區(qū)平圩兼有，境內(nèi)地勢(shì)西北略高，東南略低。常州地處中緯度，離海較近，屬北亞熱帶季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候區(qū)。本項(xiàng)目測(cè)區(qū)地勢(shì)相對(duì)平坦，數(shù)據(jù)涵蓋鐘樓、新北開(kāi)發(fā)區(qū)，主要集中在鐘樓商業(yè)區(qū)，共42 km2。

2.航線設(shè)計(jì)

航線設(shè)計(jì)采用CountyPlanner航線設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。常州項(xiàng)目測(cè)區(qū)面積為42 km2，飛機(jī)飛行相對(duì)航高為860 m，飛行時(shí)間計(jì)劃為3 h，測(cè)區(qū)航線條數(shù)為30條，影像地面分辨率為10 cm，正射影像航向重疊度為66%，旁向重疊度為30%。控制場(chǎng)面積為6 km2(2 km×3 km)，航線條數(shù)為2條。航線設(shè)計(jì)分布如圖5所示，圖5中左側(cè)為控制場(chǎng)航線設(shè)計(jì)圖，右側(cè)為測(cè)區(qū)航線設(shè)計(jì)圖。

圖5 控制場(chǎng)和測(cè)區(qū)航線設(shè)計(jì)

3.全自動(dòng)快速三維模型生產(chǎn)

(1)技術(shù)特點(diǎn)和成果特點(diǎn)

1)技術(shù)特點(diǎn)。利用StreetFactory進(jìn)行三維場(chǎng)景自動(dòng)生成，其自動(dòng)程度高，可全自動(dòng)進(jìn)行正攝影像與傾斜影像的聯(lián)合空中三角測(cè)量，全自動(dòng)化構(gòu)建三維模型，全自動(dòng)化貼紋理形成最終三維真實(shí)場(chǎng)景;其建模效率高，建模效率高達(dá)4 h/km2。

2)成果特點(diǎn)。紋理真實(shí)、建筑物模型真實(shí)、能表現(xiàn)細(xì)部特征、精度高。

(2)空中三角測(cè)量

空中三角測(cè)量是對(duì)正攝影像與傾斜影像進(jìn)行聯(lián)合空中三角測(cè)量。首先將數(shù)據(jù)導(dǎo)入到系統(tǒng)中，共導(dǎo)入了4800張影像，并將全部影像作空三和糾正處理，圖6為正攝影像的分布情況;然后自動(dòng)匹配同名點(diǎn)，共匹配出同名點(diǎn)數(shù)量4萬(wàn)個(gè)，圖7為同名點(diǎn)分布情況，圖8為匹配出的同名點(diǎn)結(jié)果。其精度在0.3～0.4個(gè)像素，這一精度結(jié)果將決定下一步三維建模的精度，利用空三的結(jié)果和影像分辨率估算模型精度在25 cm左右。

圖6 正攝影像分布情況

圖7 自動(dòng)匹配同名點(diǎn)圖

圖8 匹配的同名點(diǎn)結(jié)果精度

(3)構(gòu)建三維模型(TIN)

由于任何一個(gè)物體都可以用多個(gè)三角網(wǎng)來(lái)構(gòu)建，所以本文中三維模型的構(gòu)建是通過(guò)匹配模型對(duì)來(lái)構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)，以進(jìn)行三維建模。TIN的大小取決于地物的復(fù)雜程度、相片的重疊度。如果影像的重疊度高，有足夠的模型對(duì)，并且建筑物比較復(fù)雜，則構(gòu)建的TIN密度會(huì)很高，格網(wǎng)尺寸會(huì)較小;反之，格網(wǎng)尺寸則會(huì)較大，TIN密度較低。圖9為樓體的三維模型構(gòu)建圖，從側(cè)面來(lái)看，陽(yáng)臺(tái)(突出的部分)也能夠很好地構(gòu)建出來(lái)，其中在陽(yáng)臺(tái)的部分TIN的密度較高，在墻體的部分TIN的密度較低。圖10為拱橋三維模型的構(gòu)件圖。

圖9 樓體三維模型構(gòu)建圖

圖10 拱橋三維模型構(gòu)建圖

(4)貼紋理

三維實(shí)景城市生產(chǎn)的絕大部分工作量集中在為三維模型貼紋理。三維模型貼紋理是三維建模關(guān)鍵的一步，而紋理的選取是體現(xiàn)實(shí)景的關(guān)鍵所在。本項(xiàng)目是從完成空三的傾斜影像上全自動(dòng)提取位置相對(duì)應(yīng)的紋理信息，并將其貼到對(duì)應(yīng)的模型面上，從而完成三維實(shí)景城市的生產(chǎn)。由于傾斜影像上的紋理記錄的是真實(shí)地物紋理信息，因此三維模型的顯示與真實(shí)物體保持一致。圖11(a)為建筑物三維模型白膜，圖11(b)為貼紋理的三維模型，從圖11(b)中可以很清楚地看到建筑物頂部鏤空部位也被很好地構(gòu)建并真實(shí)地顯示出來(lái)。

圖11 建筑物白膜及建筑物貼紋理后

(5)常州市三維實(shí)景城市結(jié)果瀏覽

圖12為常州市三維真實(shí)場(chǎng)景，圖13為三維模型單體建筑物展示。

圖12 常州三維真實(shí)場(chǎng)景

圖13 三維模型單體建筑物展示

五 、結(jié)論和展望

本文利用傾斜攝影技術(shù)和Street Factory三維建模技術(shù)完成了江蘇省常州市全自動(dòng)三維實(shí)景城市生產(chǎn)。其建模效率在4 h/km2，是傳統(tǒng)建模方法的數(shù)倍;同時(shí)，此方法在模型細(xì)節(jié)上體現(xiàn)很好，可以將建筑物鏤空部分、小突出部分等構(gòu)建出來(lái);并且，解決了采集真實(shí)紋理困難、效率低下的難題，真正實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)快速三維實(shí)景城市的生產(chǎn)。但其也仍然存在一些問(wèn)題，現(xiàn)將這些問(wèn)題及今后的工作方向總結(jié)如下：

1)此方法構(gòu)建的三維模型是全自動(dòng)構(gòu)建，并自動(dòng)貼紋理，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)建筑物不完整及紋理變形等問(wèn)題，需要后期手動(dòng)修正，如何修正以達(dá)到所需效果是下一步工作方向。

2)此方法構(gòu)建的三維模型是基于不規(guī)則三角網(wǎng)的模型，道路、樹(shù)木等都是這樣構(gòu)建的，整個(gè)成果是一個(gè)大場(chǎng)景，如何對(duì)數(shù)據(jù)分層也將是下一步研究作的重點(diǎn)。

［1］胡志超，張鴻儒.基于數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量技術(shù)的城市三維仿真系統(tǒng)的建設(shè)與應(yīng)用——以長(zhǎng)沙大河西先導(dǎo)區(qū)三維規(guī)劃審批系統(tǒng)為例［J］.城市勘測(cè)，2011，8(4)：35-39.

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［4］王偉，黃雯雯.Pictometry傾斜攝影技術(shù)及其在3維城市建模中的應(yīng)用［J］.測(cè)繪與空間地理信息，2011，34(3)：181-183.