基于傾斜攝影測量技術(shù)的三維數(shù)字城市建模研究

趙 林

(太原市城鄉(xiāng)規(guī)劃測量中心，山西 太原 030002)

基于傾斜攝影測量技術(shù)的三維數(shù)字城市建模研究

趙 林

(太原市城鄉(xiāng)規(guī)劃測量中心，山西 太原 030002)

對傾斜攝影測量技術(shù)與三維數(shù)字建模進(jìn)行了簡要介紹，從IMAGIS城市三維建模過程、采集紋理和粘貼紋理信息兩方面，闡述了傾斜攝影測量技術(shù)在三維數(shù)字模型建模中的應(yīng)用，并對采集和處理三維建筑頂面紋理信息進(jìn)行了分析，從而推動(dòng)城市數(shù)字化發(fā)展。

傾斜攝影測量技術(shù)，三維模型，數(shù)字城市，紋理信息

隨著數(shù)字城市理念的提出，城市規(guī)劃需要更準(zhǔn)確、更真實(shí)、更完整的城市三維空間信息數(shù)據(jù)。因此三維實(shí)景模型在數(shù)字城市建模中廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)的航空攝影測量技術(shù)只能獲取地物頂部信息特征，無法獲得地物輪廓和詳細(xì)的紋理信息。隨著攝影技術(shù)的發(fā)展，傾斜攝影技術(shù)改變了這一現(xiàn)狀，傾斜攝影技術(shù)通過搭載多臺(tái)傳感器，從不同的角度采集地物信息，能夠真實(shí)、準(zhǔn)確的獲取地物詳細(xì)信息，從而獲得真實(shí)的三維數(shù)字模型。

1 傾斜攝影測量技術(shù)與三維數(shù)字建模

1)傾斜攝影測量技術(shù)。傾斜攝影測量技術(shù)是近年來國際測繪領(lǐng)域發(fā)展起來的一項(xiàng)新技術(shù)，它顛覆了傳統(tǒng)正向攝影垂直角度拍攝的局限性。它主要由傾斜攝影獲取技術(shù)和數(shù)據(jù)處理技術(shù)構(gòu)成。在同一臺(tái)飛行器上搭載多臺(tái)傳感器，從5個(gè)或者更多個(gè)角度采集地面信息圖像，從而獲得更加真實(shí)、準(zhǔn)確的影像數(shù)據(jù)資料。傾斜攝影測量具有以下優(yōu)勢：第一，能夠真實(shí)的反映測量地物情況。與正射影像相比，傾斜攝影從多個(gè)角度拍攝，彌補(bǔ)了正射影像的局限性。第二，傾斜攝影測量技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)單張攝影測量。通過Street Factory，Smart3D等相關(guān)軟件，能夠?qū)z影影像的高度、長度、面積、角度和坡度等進(jìn)行測量。第三，采集建筑地物側(cè)面信息。將傾斜攝影技術(shù)運(yùn)用在三維數(shù)字城市建模中，利用傾斜攝影技術(shù)大規(guī)模成圖的特點(diǎn)，批量提取建筑紋理信息，降低了城市三維建模的成本，具有其他測量技術(shù)無法取代的優(yōu)勢。

2)三維數(shù)字建模。三維數(shù)字建模是通過仿真技術(shù)、空間信息技術(shù)，快速建立空間三維模型，是近年來隨著計(jì)算機(jī)信息技術(shù)發(fā)展起來的一項(xiàng)新的建模技術(shù)。將三維建模技術(shù)與城市規(guī)劃測量中的土建信息、二維地籍?dāng)?shù)據(jù)信息，構(gòu)建三維土地規(guī)劃、土地利用和地維信息系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)三維信息的查詢、定位、統(tǒng)計(jì)、分析和輸出、打印功能，從而快速實(shí)現(xiàn)數(shù)字模型，為城市規(guī)劃發(fā)展提供重要的參考和決策作用。

2 傾斜攝影測量技術(shù)在三維數(shù)字模型建模中的應(yīng)用

2.1 IMAGIS城市三維建模過程

1)提取數(shù)據(jù)。按照地圖比例尺1∶2 000的比例，提取城市每一個(gè)景觀底面高程、高度、底面邊界特征、平面信息等信息，然后篩選其中有用的數(shù)據(jù)信息，將這些可用數(shù)據(jù)信息采集以后進(jìn)行保存，通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)將這些信息轉(zhuǎn)化成為DXF文件。

2)建立景觀模型。根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)信息，按照城市土建信息、城市規(guī)劃圖等信息進(jìn)行匹配，將Mapinfo等數(shù)據(jù)信息導(dǎo)入，并用tab形式將數(shù)據(jù)信息保存，然后用程序拓?fù)涮幚砭坝^數(shù)據(jù)，將其中能夠匹配的數(shù)據(jù)信息保存，最后用MIF格式保存下來，便于后期IMAGIS軟件的分析和應(yīng)用。然后將景觀拉伸。將數(shù)據(jù)信息導(dǎo)入到IMAGIS軟件中，將這些景觀進(jìn)行拉伸，這樣就可以提取景觀高程、頂部數(shù)據(jù)信息，將頂部信息拉伸到地面的DEM中，建立一個(gè)底面不存在的半封閉式五面體。

3)建立地形模型。三維地形模型通過正射攝影測量獲得了底面信息，將底面信息與半封閉五面體疊加在一起就獲得了一個(gè)地形模型。IMAGIS三維模型中，必須要匹配的影像資料作為底面紋理并將其疊加映射DOM中。

2.2 采集紋理和粘貼紋理信息

2.2.1 紋理采集方式

1)現(xiàn)場攝影。地物是構(gòu)成城市三維模型的主要信息，也是城市建筑、交通等重要信息。這些地物側(cè)面紋理信息，通過數(shù)碼相機(jī)在現(xiàn)場拍照獲得，然后通過數(shù)字地形圖或者城市規(guī)劃設(shè)計(jì)圖中獲得平面坐標(biāo)信息，還可以用專業(yè)的測量高度儀器獲得。

2)航天航空遙感設(shè)備。地面紋理數(shù)據(jù)信息和地物高程信息可以通過航天航空攝影技術(shù)獲得，比如無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)。無人機(jī)傾斜攝影測量系統(tǒng)由飛行控制系統(tǒng)、地面監(jiān)控系統(tǒng)、傳輸系統(tǒng)、地面設(shè)備等構(gòu)成。在無人機(jī)拍攝之前，根據(jù)所測需要地物，設(shè)定無人機(jī)飛行的航線，航高，無人機(jī)按照規(guī)劃的航線拍攝，然后將拍攝的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行整理，拍攝數(shù)據(jù)是否符合測量要求，如果不符合再次飛行測量。

2.2.2 粘貼紋理信息

三維數(shù)字模型建立以后，這些紋理信息并沒有存在模型上，還無法真實(shí)的反映出城市三維特征，所以需要將紋理信息粘貼到建筑物的頂面或者墻壁。紋理信息要粘貼到三維模型的各個(gè)層面上，一些比較大的三維模型無法用一張照片覆蓋，則需要照用分塊攝影的方式處理。將其劃分為多個(gè)照片，然后通過PS軟件進(jìn)行拼接、編輯。

3 采集和處理三維建筑頂面紋理信息

3.1 獲取三維建筑物的紋理

1)采集三維建筑物的紋理。在采集前，按照一定的順序分別對采集區(qū)域的建筑物進(jìn)行標(biāo)注，然后按照這個(gè)標(biāo)注的順序進(jìn)行采集，這個(gè)標(biāo)注信息也可以作為航天拍攝的序號(hào)，這樣便于后期的查詢和照片信息庫的建立。紋理采集的時(shí)候需要注意以下幾個(gè)方面：第一，選擇在早春和冬季時(shí)候采集，這樣植物對建筑物的遮擋比較少，能夠獲得比較真實(shí)的數(shù)據(jù)。第二，選擇陰天干燥的天氣，因?yàn)橛暄㈥柟馓?、霧天對拍攝影響比較大，可能影響拍攝效果，也不利于信息的采集。第三，在攝影的時(shí)候，最好選擇某一個(gè)固定的時(shí)間，確保相同時(shí)段采集的地物信息都是一樣的。

2)紋理編輯工作。紋理編輯和紋理采集工作是相輔相成，相互聯(lián)系在一起的。紋理編輯工作步驟為：用圖形圖像制作軟件PS對紋理信息進(jìn)行編輯，然后將采集的紋理信息進(jìn)行選擇、轉(zhuǎn)換、拼接、扭曲，以及轉(zhuǎn)換文件格式，讓其符合三維模型的格式。然后調(diào)整紋理色度、亮度和對比度，讓紋理信息能夠符合人的視覺要求，比如建筑物紋理信息每一個(gè)側(cè)面的色調(diào)、明暗程度。

3.2 DOM制作

1)糾正數(shù)字微分。分析照片的分辨率、內(nèi)外方位元素以及DEM，然后通過影像重采樣和微分糾正方法對照片進(jìn)行糾正，然后單模型的DOM生成輸出。

2)調(diào)整模型中影響的色彩和色調(diào)。在地物信息沒有鑲嵌時(shí)，要調(diào)整三維數(shù)字模型各個(gè)相鄰照片之間的色差和色調(diào)，讓整個(gè)模型的色差和色調(diào)保持一致性。通過PS軟件就可以調(diào)整照片的色調(diào)和色差。

3.3 鑲嵌

調(diào)整相鄰照片的色調(diào)和色差以后，就要將照片鑲嵌在模型中。不同分辨率在同一幅圖片中，選擇分辨率最高的圖片，這樣能提高模型的分辨率。鑲嵌所有的圖片以后，還要認(rèn)真檢查DOM，查看DOM中是否有模糊或者遺漏的地方，并及時(shí)對其進(jìn)行修補(bǔ)和填取。由于城區(qū)的地物信息比較復(fù)雜，有學(xué)校、醫(yī)院、商業(yè)區(qū)、城市街道等等，所以采用人工鑲嵌的方法，以免造成高層建筑物不一樣的投影方式，造成的影像變形或者扭曲的現(xiàn)象。按照裁切的要求，用地理定位文件將三維模型的平面圖形用文本的方式輸出來。

3.4 建三維模型

通過無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)，獲取的原始影像資料，由于拍攝角度不同，所以照片的亮度、飽和度、景深也不同，給人視覺感受也不同。因此，還要對所有的影像資料進(jìn)行統(tǒng)一。然后根據(jù)校正的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行篩選，確定準(zhǔn)確的方位信息，然后利用垂直攝影、傾斜攝影數(shù)據(jù)、空間測量技術(shù)將這些影像數(shù)據(jù)信息進(jìn)行匹配，生成真實(shí)影像高密度點(diǎn)云的DSM數(shù)據(jù)，并建立初步的三維城市模型。

4 結(jié)語

傾斜攝影測量利用GPS定位技術(shù)、GIS地理信息技術(shù)，能夠獲得真實(shí)、精確的測量信息，提高了地理信息處理的效率。因此廣泛應(yīng)用在城市規(guī)劃中，提高了城市規(guī)劃的科學(xué)性。未來，將越來越多應(yīng)用在城市生活的各個(gè)領(lǐng)域。

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Study on 3D digital city modeling on the basis of oblique photography measurement technology

Zhao Lin

(TaiyuanUrban-RuralPlanningMeasurementCenter,Taiyuan030002,China)

The paper briefly introduces oblique photography measurement technology and 3D digital modeling, describes the application of oblique photography measurement technology in 3D digital modeling from two aspects of IMAGIS city 3D modeling process, collecting texture and bonding texture information, and analyzes texture information of collecting and processing 3D building roof, so as to promote the digital city development.

oblique photography measurement technology, 3D model, digital city, texture information

1009-6825(2017)21-0197-03

2017-05-13

趙 林(1973- )，男，助理工程師

P231

A