基于動(dòng)力三角翼低空攝影測(cè)量技術(shù)的三維建模方法研究

劉麗娟　熊　文　李勝天

（江西省煤田地質(zhì)局測(cè)繪大隊(duì)　江西南昌　330001）

基于動(dòng)力三角翼低空攝影測(cè)量技術(shù)的三維建模方法研究

劉麗娟熊文李勝天

（江西省煤田地質(zhì)局測(cè)繪大隊(duì)江西南昌330001）

摘要：通過利用動(dòng)力三角翼低空攝影測(cè)量技術(shù)獲取高分辨率正射影像圖和DEM數(shù)據(jù)，利用ArcGIS和SketchUp相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)地形和地物數(shù)據(jù)相結(jié)合的快速三維建模。實(shí)驗(yàn)證明該方法可行。

關(guān)鍵詞：低空攝影測(cè)量；數(shù)字高程模型；正射影像圖；三維建模

1　引言

鑒于目前對(duì)三維景觀建模的方法研究，有通過專業(yè)的三維建模軟件實(shí)現(xiàn)的，有利用傳統(tǒng)的GIS數(shù)據(jù)進(jìn)行三維建模的，第三種是通過利用航測(cè)技術(shù)進(jìn)行三維建模。每種方法都各有特點(diǎn)。利用第一種方法的能對(duì)城市的結(jié)構(gòu)和材質(zhì)特征比較逼真的表示出來，但是沒有具體的地理信息，第二種方法傳統(tǒng)的GIS數(shù)據(jù)不能對(duì)城市細(xì)節(jié)表現(xiàn)出來，視覺效果不好。利用航測(cè)方法能實(shí)時(shí)獲取清晰的數(shù)據(jù)，對(duì)地物地形及其變化能更加具體的描述，因此本文初步探討利用航測(cè)方法進(jìn)行建模。

2　基于INPHO的動(dòng)力三　角翼低空攝影的數(shù)據(jù)解算

隨著數(shù)碼相機(jī)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，低空攝影測(cè)量技術(shù)的研究與應(yīng)用已成為必然趨勢(shì)，它是一種基于數(shù)字信息和數(shù)字影像技術(shù)的數(shù)據(jù)獲取手段。低空攝影測(cè)量是一種采用輕小型飛行器的，可使用但不依賴機(jī)場(chǎng)起降的，相對(duì)航高較低，一般在2000米以下，采用2000萬像素以上的小像幅數(shù)碼相機(jī)為傳感器進(jìn)行航空攝影測(cè)量工作。

2.1低空攝影作業(yè)流程

（1）首先獲取基于POS輔助空三加密的影像數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采用動(dòng)力三角翼低空航攝獲取。相機(jī)為RolleiP65+型數(shù)碼相機(jī)，焦距51.565mm，航向重疊65%，旁向重疊35%，航攝比例尺1:15000。

（2）POS數(shù)據(jù)解算。利用GRAFNAV軟件將獲得的GPS/IMU數(shù)據(jù)進(jìn)行解算，得出比較準(zhǔn)確的相機(jī)拍攝位置。結(jié)合飛行記錄里的姿態(tài)角 （已經(jīng)過云臺(tái)糾正），得到照片的初始6個(gè)方位元素：X，Y，Z，W，P，K。再將其坐標(biāo)參數(shù)X，Y，Z通過參數(shù)轉(zhuǎn)換，將已有的WGS84坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到所需的坐標(biāo)系西安1980坐標(biāo)系。

（3）內(nèi)業(yè)空三加密

由于數(shù)據(jù)有加載GPS/IMU，利用INPHO進(jìn)行GPS/IMU輔助空三加密。INPHO軟件采用新一代光束法二次平差，能過得到更好的數(shù)學(xué)模型和平差結(jié)果，測(cè)區(qū)平差可靠，精度高。

加密分為兩種模式：第一種，絕對(duì)定向方式，即要求空三開始之前就加入地面控制點(diǎn)和檢查點(diǎn)。第二種。相對(duì)定向方式，即不要求地面控制點(diǎn)和檢查點(diǎn)，空三完成后再進(jìn)行絕對(duì)定向，一般用于無控制點(diǎn)或者控制點(diǎn)不好做，影像質(zhì)量不好時(shí)。加密后的各種限差具體取值如表1。

2.2DEM制作和特征數(shù)據(jù)采集

數(shù)字地形模型（DigitalTerrainModel，簡稱DTM），是描述包括高程在內(nèi)的各種地貌因子，如坡度、坡向、坡度變化率等因子在內(nèi)的線性和非線性組合的空間分布。

INPHO模塊之一DTM/DSM生產(chǎn)——Match-T，具有精確、高效、全自動(dòng)化的功能。

建立DEM的方法有多種，本文根據(jù)低空攝影獲取的影像，通過數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量途徑獲取。

1）從航空或衛(wèi)星影像中全總動(dòng)化提取DSM/ DTM，為整個(gè)測(cè)區(qū)影像生成無縫模型。

2）通過先進(jìn)的智能多影像匹配技術(shù)和有效的數(shù)據(jù)濾波，實(shí)現(xiàn)高精度和可靠性。

3）通過已有地形地貌數(shù)據(jù)參與以提高結(jié)果精度，所有影像重疊區(qū)均參入計(jì)算。

4）可以根據(jù)需要設(shè)定自定義區(qū)域，整合DTM工具包（合并、分幅、格式轉(zhuǎn)換等）。

2.3DEM數(shù)據(jù)編輯

通過以上方法提取DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查編輯，對(duì)建筑物、水域、樹木上的DEM點(diǎn)進(jìn)行編輯處理，使其落于地面上。

2.4數(shù)字正射影像圖制作

利用已編輯的DEM數(shù)據(jù)制作正射影像圖。數(shù)字正射影像圖影像地面分辨率：0.1米。對(duì)正射影像作勻光勻色處理。單個(gè)測(cè)區(qū)生成DOM后，對(duì)每個(gè)模型的正射影像進(jìn)行檢查，對(duì)個(gè)別色調(diào)差別大的影像進(jìn)行單獨(dú)處理。再選擇出顏色質(zhì)量好的，接近整體效果的影像為主影像，以它為參照進(jìn)行勻光。

3　地形和建筑物三　維建模

Arcgis具有很強(qiáng)大 GIS三維功能，利用其ArcScene模塊可以直接添加顯示三維數(shù)據(jù)，疊加影像數(shù)據(jù)和矢量化數(shù)據(jù)，可以對(duì)矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行拉伸，從而達(dá)到很直觀的三維效果。也可以進(jìn)行相關(guān)的3D分析，生成坡度坡向等。GoogleSketchUp軟件能迅速的對(duì)建筑物進(jìn)行三維構(gòu)建、顯示和編輯。其建立的3D模型數(shù)據(jù)可以導(dǎo)出多種數(shù)據(jù)格式，能與GIS軟件兼容，參與3D空間分析。

本文利用 ArcScene對(duì)地形數(shù)據(jù)建模和SketchUp對(duì)建筑物建模相結(jié)合。

3.1地形的三維建模

地形建模是用于表達(dá)地面起伏形態(tài)，包括數(shù)據(jù)和地表紋理。其方法是可以通過利用三維

點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成 TIN（TriangulatedIrregular Network，不規(guī)則三角網(wǎng)）或者DEM，在疊加正射影像數(shù)據(jù)作為地表模型的紋理數(shù)據(jù)。

本文通過低空航攝獲取到高分辨率正射影像圖和DEM數(shù)據(jù)，通過轉(zhuǎn)換DEM格式，在ArcScene中加載DEM數(shù)據(jù)，生成TIN模型，加載正射影像圖作為該地表模型的紋理疊加到該模型上，實(shí)現(xiàn)地形的三維建模，如圖1所示。3.2建筑物的三維建模

建筑物的建模可以大致分為幾種：大區(qū)域的建筑物群時(shí)，要分類建模；城市片區(qū)的內(nèi)部建筑物以簡單紋理體塊表示；街邊路邊的要在主體建筑物上添加紋理，增強(qiáng)真實(shí)感；結(jié)構(gòu)復(fù)雜或者有重要標(biāo)志性的建筑物可以單獨(dú)建模。本文的數(shù)據(jù)屬于小區(qū)域的城市內(nèi)部建筑物，利用ArcGIS結(jié)合SketchUp建模流程概括：

（1）使用ArcGIS桌面，即ArcMap加載矢量數(shù)據(jù)，即特征數(shù)據(jù)采集的房屋三維數(shù)據(jù)。

（2）在ArcMap環(huán)境中，利用SketchUp插件工具，將所需要建模的區(qū)域?qū)隨ketchUp中。

（3）在SketchUp創(chuàng)建模型，對(duì)建筑物添加相應(yīng)的紋理。對(duì)于復(fù)雜的建筑物的外表比如門窗等框架結(jié)構(gòu)復(fù)雜圖案，可以利用紋理映射方法模擬這些細(xì)節(jié)，可以提高速度和減少數(shù)據(jù)量。

（4）在 SketchUp中將模型轉(zhuǎn)成 ArcGIS的Multipatch模 型 要 素 文 件 并 保 存 于Personal GeoDatabase（.mdb）中。

（5）在 ArcScene中將的房屋三維模型（Multipatch數(shù)據(jù)圖2（b））加載到圖1地形三維模型數(shù)據(jù)中，得到了建筑物結(jié)合地形的三維模型。如圖3所示。

4　結(jié)束語

利用三維建模軟件和GIS專業(yè)軟件相結(jié)合，通過航測(cè)方法獲取提取數(shù)據(jù)，能快速、有效、準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)地形地貌的建模，能得到更好的直觀的展示。低空攝影測(cè)量給三維城市地形地物的建模數(shù)據(jù)的獲取提供了一個(gè)很好的途徑，利用它們可以把遙感和決策信息系統(tǒng)技術(shù)集中起來，在測(cè)繪等領(lǐng)域中發(fā)揮更重要的作用。

參考文獻(xiàn)：

［1］程效軍，朱鯉，劉俊領(lǐng).基于數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量技術(shù)的三維建模.同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)報(bào)）.2005，33（1）：37-41

［2］VirtuoZo全數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)使用手冊(cè).218-219

［3］徐昌榮，孫濤，仲軍華.ArcGIS結(jié)合SketchUp輔助城市規(guī)劃的綜述.安徽農(nóng)業(yè)科學(xué).2008，36（34）：15132-15134