基于傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的城市三維建模方法研究

牛鵬濤NIU Peng-tao

（河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南陽(yáng) 473009）

（Henan Polytechnic Institute，Nanyang 473009，China）

0 引言

近年來(lái)，國(guó)際地理信息領(lǐng)域?qū)鹘y(tǒng)航空攝影技術(shù)和數(shù)字地面采集技術(shù)結(jié)合起來(lái)，發(fā)展了一種稱為機(jī)載多角度傾斜攝影的高新技術(shù)，簡(jiǎn)稱傾斜攝影技術(shù)。傾斜攝影技術(shù)通過(guò)在同一飛行平臺(tái)上搭載多臺(tái)或多種傳感器，同時(shí)從多個(gè)角度采集地面影像，從而克服了傳統(tǒng)航空攝影技術(shù)只能從垂直角度進(jìn)行拍攝的局限性，能夠更加真實(shí)地反映地物的實(shí)際情況，彌補(bǔ)了正射影像的不足，通過(guò)整合POS、DSM及矢量等數(shù)據(jù)，進(jìn)行基于影像的各種三維測(cè)量?；谌搜垡曈X(jué)適合于觀察傾斜透視像片的特點(diǎn)，傾斜影像測(cè)量技術(shù)更適合于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境應(yīng)用。針對(duì)傾斜攝影數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，人們進(jìn)行了多方面的研究探討。該技術(shù)可廣泛應(yīng)用于測(cè)繪、國(guó)土安全、城市管理等領(lǐng)域。

1 傾斜攝影測(cè)量技術(shù)

基于多角度觀測(cè)的傾斜攝影測(cè)量技術(shù)（Oblique Photography Technique）是新一代的攝影測(cè)量技術(shù)。它主要包括傾斜攝影數(shù)據(jù)獲取技術(shù)和數(shù)據(jù)處理技術(shù)。傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的數(shù)據(jù)獲取部分一般由四個(gè)個(gè)傾斜攝影相機(jī)和一個(gè)垂直攝影相機(jī)構(gòu)成，與GPS 接收機(jī)、高精度IMU 進(jìn)行高度集成。攝影相機(jī)用來(lái)提供影像信息，而GPS、IMU 則分別提供位置和狀態(tài)信息。在后續(xù)的數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，一般通過(guò)在系統(tǒng)中集成定位、定姿設(shè)備或進(jìn)行空中三角測(cè)量處理為拍攝的每張影像提供位置姿態(tài)信息。傾斜攝影測(cè)量技術(shù)使得“非現(xiàn)場(chǎng)”測(cè)量和分析可以在傾斜航片上進(jìn)行，這—突破取決于它通過(guò)攝影測(cè)量方式獲得的垂直正射像片和傾斜正射像片被整合到一個(gè)“場(chǎng)景文件”中，而“場(chǎng)景文件”則能夠提供對(duì)任一構(gòu)筑物及特征物的多視向、多維度的觀察，將地物的觀測(cè)引入符合人眼視覺(jué)的真實(shí)直觀世界。

2 傾斜攝影測(cè)量技術(shù)在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)外對(duì)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的研究起始于上世紀(jì)90 年代，目前該技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)逐漸推廣，并在北美、歐洲得到廣泛的應(yīng)用。世界上最早研究?jī)A斜攝影技術(shù)的公司是美國(guó)的PICTOMETRY 公司。目前PICTOMETRY 公司的傾斜攝影系統(tǒng)對(duì)人們使用地理空間信息的方式產(chǎn)生了很大的影響。美國(guó)微軟公司開(kāi)發(fā)的Bing Maps 的使用也引發(fā)了Google Earth 的高度關(guān)注。2005 年，歐洲的Blom 集團(tuán)與PICTOMETRY 公司簽署了協(xié)議，以利用其傾斜攝影測(cè)量技術(shù)對(duì)覆蓋西歐人口超過(guò)5 萬(wàn)的所有城鎮(zhèn)、大約1000 個(gè)城市，十萬(wàn)余平方公里的地域提供圖像分辨率為10cm-12cm、位置精度約0.5m 的數(shù)據(jù)服務(wù)。

國(guó)內(nèi)測(cè)繪行業(yè)于2010 年首次引進(jìn)傾斜攝影技術(shù)。國(guó)內(nèi)方面，劉先林院士研制的SWDC-5 傾斜攝影系統(tǒng)在河南省平頂山市新城區(qū)成功完成了試驗(yàn)，該系統(tǒng)通過(guò)同一飛行平臺(tái)用5 個(gè)視角對(duì)地面進(jìn)行拍攝，通過(guò)集成POS 系統(tǒng)獲取影像的位置、姿態(tài)信息。位于武大科技園空間信息產(chǎn)業(yè)基地的華正空間（武漢）軟件技術(shù)有限公司在機(jī)載多鏡頭傾斜攝影測(cè)量系統(tǒng)的基礎(chǔ)上自主研發(fā)了地理空間信息和應(yīng)用平臺(tái)系統(tǒng)“3DRealWorld”，該系統(tǒng)軟件是具有世界領(lǐng)先水平的基于航空傾斜影像的地理空間信息和應(yīng)用平臺(tái)系統(tǒng)。北京天下圖公司則作為全國(guó)首次引進(jìn)斜攝影技術(shù)的航攝單位，將美國(guó)PICTOMETRY 公司的機(jī)載傾斜攝影設(shè)備及相關(guān)解決方案引入中國(guó)，結(jié)合北京天下圖在國(guó)內(nèi)航攝領(lǐng)域的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和市場(chǎng)資源，形成了自有的傾斜攝影影像獲取及應(yīng)用技術(shù)。

3 基于傾斜攝影成果的三維測(cè)量技術(shù)

使用常規(guī)基于垂直攝影像片的攝影測(cè)量技術(shù)進(jìn)行三維建模，只能夠處理屋頂?shù)绕矫嫔虾筒糠至⒚婕y理，而大部分的立面紋理需要費(fèi)時(shí)費(fèi)力的地面攝影來(lái)提供。由于傾斜攝影測(cè)量能夠直接觀測(cè)到地面建筑物的立面并能夠在影像上直接測(cè)量物體的高度、長(zhǎng)度，或參考激光雷達(dá)獲取的DSM 建立建筑物的幾何模型。建筑物幾何模型的紋理由傾斜攝影像片提供，甚至可以通過(guò)傾斜航空像片技術(shù)與三維塊狀模型技術(shù)組合得到具有真實(shí)圖像紋理細(xì)節(jié)的三維建筑物模型。

傾斜攝影測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行三維建模的主要過(guò)程是，基于多角度傾斜相機(jī)攝影數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)飛行拍攝的影像、拍攝時(shí)同步記錄的POS 數(shù)據(jù)、該區(qū)域DSM 數(shù)據(jù)、DLG 數(shù)據(jù)等資料，進(jìn)行必要的加工處理，建立基于機(jī)載多角度傾斜攝影影像的三維測(cè)量系統(tǒng)。其主要過(guò)程如圖1 所示。

圖1

4 利用傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的城市三維建模方法

在三維建模過(guò)程中，我們一般將簡(jiǎn)單建筑物視為一個(gè)多面體，將復(fù)雜的建筑物視為多個(gè)多面體的組合。城市中的建筑物隨著近年來(lái)建筑科學(xué)的發(fā)展，外形越來(lái)越復(fù)雜，要建立建筑物三維模型，多個(gè)多邊形模塊組成的建筑物模型是我們城市三維建模遇見(jiàn)的基本問(wèn)題。而另一方面，三維建模還需要根據(jù)建筑物的幾何信息和建筑物表面的真實(shí)紋理進(jìn)行貼圖。

目前建筑物的三維建模方法主要有模擬建模、半模擬建模和測(cè)量建模，前面兩種方法的思路為：通過(guò)地物的平面輪廓模型與地物的高程模型結(jié)合，方法簡(jiǎn)單，但是與實(shí)際模型比較差距較大。城市三維建模的方法主要是測(cè)量建模，可通過(guò)航空攝影測(cè)量的方案實(shí)現(xiàn)，主要方法包括基于航空影像的交互式獲取和基于航空影像及地面攝影對(duì)建筑物特征線特點(diǎn)進(jìn)行自動(dòng)提取這兩種方法。前者能夠真實(shí)地獲取建筑物信息，但是整個(gè)過(guò)程中需人工干預(yù)，數(shù)據(jù)處理緩慢，后者則可以滿足大批量數(shù)據(jù)處理，但是需要整合的信息量大，目前應(yīng)用較為困難。綜上所述，目前較為合適的方法為：從測(cè)區(qū)DLG 數(shù)據(jù)中提取建筑平面邊界數(shù)據(jù)。以傾斜攝影測(cè)量的立體像對(duì)為基礎(chǔ)，將平面邊界數(shù)據(jù)與攝影測(cè)量預(yù)處理的產(chǎn)品（DSM、DEM）進(jìn)行配準(zhǔn)、套合，繼而進(jìn)行建筑物幾何模型的建立。具體的建模思路如下：

由機(jī)載傾斜攝影系統(tǒng)實(shí)施航空傾斜攝影，對(duì)航攝后獲取的原始影像及POS 數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，包括亮度、飽和度等視覺(jué)方面的統(tǒng)一；垂直和傾斜影像的篩選甄別；根據(jù)已有檢校數(shù)據(jù)對(duì)POS 系統(tǒng)進(jìn)行改正，確實(shí)精確的方位元素。然后根據(jù)以上成果，利用垂直影像、傾斜影像數(shù)據(jù)和空三測(cè)量加密成果，進(jìn)行影像密集匹配，生產(chǎn)出基于真實(shí)影像超高密度點(diǎn)云的DSM 數(shù)據(jù)，初步制作全要素的三維數(shù)字城市模型場(chǎng)景，最后利用模型編輯軟件進(jìn)行后處理，生產(chǎn)出全要素的三維數(shù)字城市模型及場(chǎng)景。

5 結(jié)論

通過(guò)以上內(nèi)容的論述和分析，可以看出，運(yùn)用傾斜攝影測(cè)量技術(shù)實(shí)施的三維數(shù)字城市建模方法與原有三維建模方法有很大區(qū)別，初步實(shí)現(xiàn)了批量化數(shù)據(jù)處理，對(duì)于不規(guī)則的地物（例如路燈桿、旗桿等建筑附屬物）也能進(jìn)行區(qū)分（但是由于匹配截面小，暫未能實(shí)現(xiàn)批量處理）、進(jìn)行剔除，故該方案相對(duì)原有方法有著較大的優(yōu)勢(shì)。

當(dāng)然傾斜攝影技術(shù)也會(huì)有一定的不足，如在建筑物底部造成模型扭曲、變形；個(gè)別地方提取紋理困難，進(jìn)而產(chǎn)生空洞（后期模型修補(bǔ)時(shí)可以完善），總之，該技術(shù)無(wú)論是對(duì)于數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)的后處理有較大的進(jìn)步，但是該技術(shù)存在的不足還需在今后的三維城市建模中不斷改進(jìn)和完善。

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