真實感場景模型制作工藝及質(zhì)量控制方法

呂慧玲

(1.中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，西安　710043;2.軌道交通工程信息化國家重點實驗室(鐵一院)，西安　710043)

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真實感場景模型制作工藝及質(zhì)量控制方法

呂慧玲1，2

(1.中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，西安710043;2.軌道交通工程信息化國家重點實驗室(鐵一院)，西安710043)

為促進(jìn)真實感場景模型技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化與產(chǎn)品化。結(jié)合真實感場景模型的基本原理，對影響真實感場景模型制作質(zhì)量的因素進(jìn)行深入討論，對制作過程中決定產(chǎn)品質(zhì)量的DEM制作和模型接邊處理進(jìn)行試驗分析，總結(jié)出控制產(chǎn)品質(zhì)量的方法，并制定標(biāo)準(zhǔn)化制作流程。經(jīng)實際工程驗證，采用工藝流程制作的真實感場景模型具有較好的視覺效果，量測精度與單像對立體測圖精度相當(dāng)，具有廣泛的適用性，在鐵路、公路、電力、城市規(guī)劃與建設(shè)等領(lǐng)域都具有重要推廣價值。

真實感場景模型；立體正射影像對；質(zhì)量控制；制作工藝

1　概述

真實感場景模型是一種全新的地形表達(dá)方式。該模型打破了單像對立體模型的范圍限制，形成了連續(xù)無縫的真三維立體模型。模型保留了航空影像中豐富的地表細(xì)節(jié)信息，通過簡單的量測方法，非測量專業(yè)人員也能準(zhǔn)確地獲取自己所需要的對象三維坐標(biāo)和或三維判釋。相比于傳統(tǒng)二維地形圖和2.5維的三維立體，真實感場景模型更逼真，信息量更豐富，而且坐標(biāo)量測精度與數(shù)字?jǐn)z影測量工作站相當(dāng)。真實感場景模型已經(jīng)成為一種全新的地形環(huán)境數(shù)字化表達(dá)產(chǎn)品，其在公路、電力、城市規(guī)劃與建設(shè)等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。然而真實感場景模型的制作還沒有形成規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，沒有成體系的制作工藝方法。目前市面上也沒有商業(yè)化的真實感場景相關(guān)軟件。

本文根據(jù)真實感場景模型的原理，對真實感場景模型制作方法進(jìn)行討論。通過實驗對生產(chǎn)過程中的問題進(jìn)行分析，提出模型制作的原則、質(zhì)量控制的方法，并形成標(biāo)準(zhǔn)化的制作流程。使真實感場景技術(shù)實用化、產(chǎn)品化，最終真正成為可服務(wù)于國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品。

2　真實感場景模型原理及制作方法

真實感場景模型的基本原理源自“立體正射影像片”。 Colins提出利用地物碎步保留到正射影像中未被糾正的投影差進(jìn)行高程量測，并制作出第一套立體正射像片。李德仁、王密對Colins的理論進(jìn)行了完善，并引入數(shù)字?jǐn)z影測量的處理方法，形成高精度的無縫立體三維場景[1-4]。

真實感場景模型的基本原理是利用了正射影像的投影差，并人工加入高差引起的視差還原原始視差。[5]如圖1所示：設(shè)平面O為基準(zhǔn)面，地物碎步點A的視差可以理解為地面相對于基準(zhǔn)面高差H0引起的視差與地物點到地面的高差H1引起的投影差之和。

圖1　碎步點的視差與高度的關(guān)系

制作立體正射影像對，就是首先對立體像對的左片進(jìn)行正射糾正，再對右片正射糾正后引入高差引起的視差，如圖2所示。

圖2　立體正射影像制作原理

引入視差函數(shù)決定了立體正射模型的精度。目前引入視差方法有：平行投影法、對數(shù)投影法和非線性投影法。平行投影法引入視差函數(shù)為線性函數(shù)計算視差較為簡單，與原始立體模型的高差變化不相符，在地表碎步高差較大時，高程的計算誤差也較大。相比之下，對數(shù)投影法更符合立體視差公式。

對數(shù)投影法投影計算公式

(1)

式中，P為待求視差；H為航高；B為基線長；Z為DEM地面點到基準(zhǔn)面的高差。

在立體顯示設(shè)備上左眼看正射影像，右眼看輔助立體正射影像，便可產(chǎn)生立體場景。通過對立體場景中地物同名點視差的量測可計算該點坐標(biāo)，按照對數(shù)引入視差方法，高程計算公式如下

(2)

式中，Z為待測點高程；Z0為基準(zhǔn)面高程；P為量測的待測點視差；B為基線長；H為航高。

王爭鳴等[6]提出了平面坐標(biāo)改正的方法，進(jìn)一步提高坐標(biāo)的平面量測精度。首先計算投影位移，公式如下

(3)

然后將投影位移作為改正數(shù)，對正射影像的平面坐標(biāo)進(jìn)行改正，如式(4)

(4)

根據(jù)以上原理，即可制作高精度的真實感場景生成及量測軟件。通過實踐，在VC2008環(huán)境下編制了真實感場景的制作軟件StereoMaker和瀏覽量測軟件ImageStereo[6-9]，并建立了完整的軟硬件體系。

3　影響真實感場景產(chǎn)品質(zhì)量的因素

在真實感場景模型制作的過程中，制作DEM、繪制接邊線，是控制真實感場景成果質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。下面對如何進(jìn)行數(shù)據(jù)制作和制作中應(yīng)遵循的規(guī)律進(jìn)行討論。

(1)DEM對產(chǎn)品質(zhì)量的影響

DEM對產(chǎn)品質(zhì)量的影響，首先表現(xiàn)為對模型精度的影響，另一方面表現(xiàn)為對影像視覺效果的影響。[10-11]

根據(jù)真實感場景坐標(biāo)量算的原理，地形高差引起的視差P1與殘留視差P0，是相互補償?shù)年P(guān)系，對選取的兩個不同的地面高度，因高差引起的視差有不同，但在殘留視差中得到補償。也就是說P0+P1的值變化不大。如圖3所示。

圖3　視差補償示意

因此模型制作采用較為粗略的DEM模型，對真實感場景模型的制作精度影響較小。本文在地面分辨率0.5 m的真實感場景模型中，選取從構(gòu)造面高0～70 m之間的點進(jìn)行量測，將其與攝影測量工作站得到的值進(jìn)行對比，得到的較差如圖4所示。

圖4　碎步視差與高程量測精度實驗統(tǒng)計

根據(jù)實驗可知，殘留視差很好地補償了碎步高差，但是隨著碎步高差的擴(kuò)大，補償越來越不準(zhǔn)。量測點距離構(gòu)造視差的DEM模型面在25 m以內(nèi)時，對高程量測精度幾乎沒有影響。

根據(jù)此特性，并經(jīng)過多個項目的實驗，本文得出構(gòu)造真實感場景采用真實感場景分辨率擴(kuò)大50倍的DEM較為合適的結(jié)論。如制作0.2 m的真實感場景，采用10 m間隔的DEM格網(wǎng)。

圖5　DEM不同造成的投影差異

DEM對產(chǎn)品質(zhì)量的影響還會表現(xiàn)在視覺效果上。由于投影差的存在，如圖5所示，建筑物周邊的DEM突變會導(dǎo)致物體影像扭曲，線狀建筑尤為明顯。以橋梁為例，DEM的格網(wǎng)點部分落在橋面下，部分落在橋面上，導(dǎo)致橋面影像在糾正時部分像點有投影差，部分像點沒有投影差，最終導(dǎo)致橋梁影像拉伸變形，如圖6所示。

圖6　由于DEM造成的橋梁扭曲

因此，在具有高程的建筑物對象處，必須保證DEM高程點落在地面上，以保證獲得較好的立體視覺效果。

(2)模型接邊線對產(chǎn)品質(zhì)量的影響

模型接邊線是另外一個影像質(zhì)量的因素，由于影像獲取為中心投影，在兩個影像接邊處的空間將產(chǎn)生V字裁切[12]，如圖7所示。

圖7　模型拼接造成地物切割

影像S1和影像S2在地面點E處接邊，根據(jù)中心投影的射線S1E與S2E，將地面以上的空間劃分為3部分，S1E與S2E之間空間陰影部分在拼接過程中會被切割掉，落在此空間的物體就在拼接的影像上會被切割。圖8展示了建筑物被切割的效果。

圖8　房屋被拼接線切割

因此，真實感場景模型接邊線的選擇必須避開建筑、樹木等具有高度的對象，選擇平坦區(qū)域，如道路中央、平地等。接邊線可由計算機(jī)自動提取[13-15]，人工輔助修改。效果如圖9所示。

圖9　繞過地表建筑的拼接線

4　真實感場景產(chǎn)品流程化

根據(jù)分析和實驗可以得出結(jié)論，DEM數(shù)據(jù)質(zhì)量及接邊線的選擇是真實感場景模型質(zhì)量的決定因素。為保證產(chǎn)品質(zhì)量，必須建立完整的制作流程及檢核機(jī)制，最終形成真實感場景生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)。圖10展示了生產(chǎn)真實感場景模型的標(biāo)準(zhǔn)流程。

圖10　真實感場景模型的生產(chǎn)流程

(1)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備階段

數(shù)據(jù)準(zhǔn)備階段需收集制作真實感場景模型所需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，包括：空三加密成果、原始影像文件、相機(jī)檢校文件。對原始影像進(jìn)行必要的影像增強(qiáng)和勻光處理。在StereoMaker軟件中建立工作區(qū)，導(dǎo)入數(shù)據(jù)文件。

(2)制作DEM模型

制作DEM采用數(shù)字?jǐn)z影測量工作站進(jìn)行制作。DEM產(chǎn)品采用標(biāo)準(zhǔn)格網(wǎng)格式。DEM的格網(wǎng)間距、精度要求根據(jù)所需制作的真實感場景模型分辨率擴(kuò)大50倍后，按對應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的國標(biāo)執(zhí)行。

(3)DEM產(chǎn)品質(zhì)量檢查

DEM產(chǎn)品質(zhì)量檢查分為兩步：首先生成縮略正射影像，然后通過檢查正射影像評定DEM的質(zhì)量。StereoMaker軟件可快速生成正射影像縮略圖。通過檢查縮略圖，可發(fā)現(xiàn)DEM飛點、空點造成的影像變形，以及格網(wǎng)點落在建筑上導(dǎo)致的建筑影像扭曲。在檢查過程中發(fā)現(xiàn)錯誤并記錄下錯誤所在位置，返回到制作DEM工序，進(jìn)行修改。依次循環(huán)，直到產(chǎn)品合格。

(4)繪制接邊線

繪制接邊線可采用計算機(jī)自動識別，并輔以人工干預(yù)的模式。接邊線自動識別可采用具有圖像鑲嵌功能的軟件(如ArcGIG)，對上一步制作的像對正射影像縮略圖進(jìn)行分析，自動生成鑲嵌線。再由人工檢查，判斷自動生成的鑲嵌線是否完全繞開地物，合格后提交接邊線。

(5)生成真實場景模型

采用StereoMaker軟件，導(dǎo)入繪制的接邊線，便可進(jìn)行真實感場景模型的生產(chǎn)。全過程由軟件自動運行，無需人工干預(yù)。

(6)檢查接邊質(zhì)量

將制作好的真實感場景產(chǎn)品，在真實感場景瀏覽軟件ImageStereo進(jìn)行查看，檢查接邊線位置的模型是否出現(xiàn)明顯的切割。如發(fā)現(xiàn)問題，記錄其位置，并返回第4步進(jìn)行修改，重新生成模型。依次循環(huán)，直到模型檢查合格。

(7)提交模型成果

模型制作合格后，將最終的模型文件、項目工作區(qū)、DEM文件、接邊線文件、質(zhì)量檢查記錄表等全部存檔，并編寫元數(shù)據(jù)文檔。提交模型最終成果。

通過實踐檢驗，本方法制作的真實感場景模型效果良好，坐標(biāo)量測準(zhǔn)確。

5　結(jié)語

本文通過研究真實感場景的制作原理，討論了制作真實感場景模型過程中影響模型質(zhì)量的因素，并通過實驗得出制作真實感場景模型的過程中需遵守的原則。

(1)DEM的精度對真實感場景量測精度影響較小，因此制作真實感場景模型可采用較為粗略的DEM模型。

(2)DEM模型的起伏會影響地物糾正的視覺效果，特別對于房屋、橋梁等對象，地面的起伏會導(dǎo)致影像扭曲變形。因此在DEM處理時，必須將房屋、橋梁上的高程點壓到地面。

(3)接邊線必須繞避具有高度的對象，如房屋、樹木、高塔等，盡量從較為緩和的平地上通過。避免對影像產(chǎn)生切割效果。

在此基礎(chǔ)上制定了標(biāo)準(zhǔn)化真實感場景模型制作流程，控制真實感場景模型的產(chǎn)品質(zhì)量，使之成為標(biāo)準(zhǔn)化的測繪產(chǎn)品。采用本文的流程和生產(chǎn)工藝制作的真實感場景模型視覺效果良好，量測精度與單像對立體相當(dāng)，完全能滿足實際應(yīng)用的要求。

[1]王密，龔健雅，李德仁.大型無縫影像數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].武漢大學(xué)學(xué)報：信息科學(xué)版，2003，28(3):294-300.

[2]李德仁，王密.一種基于航空影像的高精度可量測無縫正射影像立體模型生成方法及應(yīng)用[J].鐵道勘察，2004，30(1):1-6.

[3]李德仁，王密，潘俊，等.無縫立體正射影像數(shù)據(jù)庫的概念、原理及其實現(xiàn)[J].武漢大學(xué)學(xué)報：信息科學(xué)版，2007，32(11):950-954.

[4]王密.大型無縫影像數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)(GeoImageDB)的研制與可量測虛擬現(xiàn)實(MVR)的可行性研究[D].武漢：武漢大學(xué)，2001.

[5]李德仁，鄭肇葆.解析攝影測量學(xué)[M].北京:測繪出版社，1992.

[6]王爭鳴，任曉春，王瑋.大場景立體模型建立及量測方法研究[J].鐵道工程學(xué)報，2013，30(2):1-6.

[7]張祖勛，張劍清.數(shù)字?jǐn)z影測量學(xué)[M].武漢：武漢大學(xué)出版社，2009.

[8]李德仁.論可量測實景影像的概念和應(yīng)用：從4D產(chǎn)品到5D產(chǎn)品[J].測繪科學(xué)，2007，32(4):4-7.

[9]王瑋.基于oracle的統(tǒng)一瓦片分塊柵格數(shù)據(jù)庫模型[J].鐵道勘察，2011，37(2):13-16.

[10]張海榮，劉燕華，孫久運.航空影像自動化鑲嵌及幾何糾正[J].測繪科學(xué)，2015，40(8):72-76.

[11]王武仕，趙羲.正射影像糾正高架路橋扭曲的解決方法[J].測繪技術(shù)裝備，2014(2):67-67.

[12]潘俊.立體正射影像無縫鑲嵌技術(shù)研究[D].武漢：武漢大學(xué)，2005.

[13]岳貴杰，杜黎明，劉鳳德，等.A*搜索算法的正射影像鑲嵌線自動提取[J].測繪科學(xué)，2015(4):40-43.

[14]夏團(tuán)兵，萬幼川，孫明偉.多幅正射影像鑲嵌的接邊精度改進(jìn)方法[J].地理空間信息，2016，14(3):45-47.

[15]岳貴杰，杜黎明，項琳，等.最短路徑原理正射影像鑲嵌線自動提取[J].遙感信息，2015，30(1):33-36.

Workmanship and Quality Control of Realistic Scene Model

LV Hui-ling1，2

(1.China Railway First Survey and Design Institute Co. Group Ltd.， Xi’an 710043， China;2.State Key Laboratory of Rail Transit Engineering Informatization (FSDI)， Xi’an 710043， China)

To promote realistic scene modeling techniques and standardization of products， this paper focuses on the factors affecting the quality of realistic scene modeling based on model fundamentals. Through experiments and analysis， DEM production and model seamline treatment which are crucial to the quality of production are identified. Standardized production process of the realistic scene is then developed. The real scene model produced by this process has a good visual effect， and the measurement accuracy equals to the original image pairs. The product has a wide range of applicability and great significance in the fields of railway， highway， electric power， urban planning and construction．

Realistic scene model; Stereo orthoimage; Quality control; Workmanship

2016-04-29；

2016-06-09

呂慧玲(1963—)，女，高級工程師，1984年畢業(yè)于西南交通大學(xué)航空攝影測量專業(yè)，工學(xué)學(xué)士，主要從事航測、遙感專業(yè)的設(shè)計與研究工作。

1004-2954(2016)09-0028-04

U212.2

ADOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.09.006