基于傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的三維數(shù)字城市建模

■徐紅

（遼寧省地理信息院遼寧沈陽(yáng)110034）

基于傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的三維數(shù)字城市建模

■徐紅

（遼寧省地理信息院遼寧沈陽(yáng)110034）

傾斜攝影測(cè)量技術(shù)是國(guó)際測(cè)繪領(lǐng)域近年來(lái)倡導(dǎo)使用的一項(xiàng)高新技術(shù)。它顛覆了以往影像只能從正攝角度拍攝影像的局限，它通過(guò)在同一飛行器上搭載多臺(tái)傳感器，同時(shí)從一個(gè)正攝、四個(gè)傾斜等五個(gè)不同的角度采集影像數(shù)據(jù)，將用戶引入了符合人眼視覺習(xí)慣的真實(shí)且直觀的世界。利用傾斜攝影測(cè)量技術(shù)，可以快速建立城市三維模型，節(jié)省了模型細(xì)部分析時(shí)間，簡(jiǎn)化了模型紋理采集和處理方法，縮短了項(xiàng)目周期，提高了工作效率，降低了成本。

傾斜攝影測(cè)量三維

1　傳統(tǒng)建立城市三維模型的方法和弊端

傳統(tǒng)建立城市三維模型的方法是，先要將需要建立模型的區(qū)域劃分為若干個(gè)測(cè)區(qū)，采用外業(yè)人員手工拍照的方法，結(jié)合正攝影像，得到建筑物的結(jié)構(gòu)和紋理；然后通過(guò)內(nèi)業(yè)人員的處理，結(jié)合正攝影像、測(cè)區(qū)平面矢量圖、屋頂矢量圖等數(shù)據(jù)，建立白模，通過(guò)拍攝的紋理分析模型的細(xì)部結(jié)構(gòu)，最后將拍攝的紋理處理后貼在白模上。

傳統(tǒng)建立三維城市模型的弊端在于，外業(yè)人員工作量大，拍攝時(shí)間長(zhǎng)，存在漏拍等問(wèn)題，導(dǎo)致內(nèi)業(yè)人員只能靠猜測(cè)來(lái)分析部分建筑物的細(xì)部結(jié)構(gòu)；由于拍攝角度的原因，內(nèi)業(yè)人員往往看不清屋頂?shù)募?xì)節(jié)，照片的拍攝順序也不一定符合內(nèi)業(yè)人員的觀察習(xí)慣，照片順序凌亂，浪費(fèi)了很多建模的時(shí)間；紋理拍攝的傾角不同，導(dǎo)致內(nèi)業(yè)人員制作紋理時(shí)遇到困難。

2　傾斜攝影測(cè)量的技術(shù)特點(diǎn)

相對(duì)于正射影像，傾斜影像能讓用戶從多個(gè)角度觀察被制作建筑，更加真實(shí)地反映地物的實(shí)際情況，極大地彌補(bǔ)了基于正射影像分析應(yīng)用的不足；通過(guò)配套軟件的應(yīng)用，可直接利用成果影像進(jìn)行包括高度、長(zhǎng)度、面積、角度、坡度等屬性的量測(cè)，擴(kuò)展了傾斜攝影技術(shù)在行業(yè)中的應(yīng)用；針對(duì)各種三維數(shù)字城市應(yīng)用，利用航空攝影大規(guī)模成圖的特點(diǎn)，加上從傾斜影像批量提取及貼紋理的方式，能夠有效地降低城市3維建模成本。

3　傾斜攝影測(cè)量的意義

傾斜攝影測(cè)量不僅能夠真實(shí)地反應(yīng)地物情況，而且可通過(guò)先進(jìn)的定位技術(shù)，嵌入精確的地理信息、更豐富的影像信息、更高級(jí)的用戶體驗(yàn)，極大地提高了航攝影像處理的速度。傾斜影像技術(shù)的應(yīng)用，使目前高昂的三維城市建模成本大幅降低，大大提高三維城市建模的速度。

4　傾斜攝影測(cè)量原理

通過(guò)傳統(tǒng)攝影測(cè)量的飛機(jī)飛行方式，增加向前、后、左、右四個(gè)方向的傳感器鏡頭，同時(shí)拍攝一組正攝和四個(gè)傾斜等五個(gè)不同角度的相片。拍攝相片時(shí)，同時(shí)記錄航高、航速、航向重疊、旁向重疊、坐標(biāo)等參數(shù)，然后對(duì)傾斜影像進(jìn)行分析和整理。在某時(shí)段，飛機(jī)連續(xù)拍攝幾組影像重疊的照片同一地物最多能夠在8張相片上被找到，這樣內(nèi)業(yè)人員可以比較輕松地分析建筑物的結(jié)構(gòu)，并且可以選擇最為清晰的一張照片制作細(xì)部紋理，同一地物的四個(gè)側(cè)面的傾斜影像。

5　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)。

6　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。

7　結(jié)語(yǔ)

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。

［1］林琿，張宏.虛擬城市建設(shè)原理與方法［M］.北京：科學(xué)出版社，2003.

［2］陳干，呂國(guó)年，劉曉艷.數(shù)字城市與虛擬城市關(guān)系研究［J］.江蘇城市規(guī)劃，2000 （4）：30-34.

P2［文獻(xiàn)碼］ B

1000-405X（2016）-8-247-1