傾斜攝影三維模型的房檐改正方法分析與精度評估

俞建人，李 濤，申淑娟

(1. 新昌縣地理信息中心，浙江 紹興 312500； 2. 江蘇易圖地理信息科技股份有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225000；3. 浙江省測繪科學(xué)技術(shù)研究院，浙江 杭州 310012)

傾斜攝影三維模型的房檐改正方法分析與精度評估

俞建人1，李 濤2，申淑娟3

(1. 新昌縣地理信息中心，浙江 紹興 312500； 2. 江蘇易圖地理信息科技股份有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225000；3. 浙江省測繪科學(xué)技術(shù)研究院，浙江 杭州 310012)

利用傾斜攝影技術(shù)生成的實景三維模型一般都僅僅作為一種瀏覽演示的方式，使用方式較為粗糙單一，其成果并沒有真正應(yīng)用到常規(guī)測繪產(chǎn)品生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)。本文對一種利用傾斜攝影三維模型的房檐改正方法進(jìn)行了分析與精度評估。在已有傾斜攝影快速建立三維模型的基礎(chǔ)上，采用建筑物立面散點正交原理直接對傾斜攝影三維模型居民地區(qū)域進(jìn)行去房檐采集。該方法提供了一種全內(nèi)業(yè)測圖的模式，對地形圖生產(chǎn)方法的改進(jìn)具有重要意義。

傾斜攝影三維模型；立面散點正交原理；房檐改正；精度評估

傾斜攝影技術(shù)以高清、實景的三維可視化方式感知城市真實場景，在我國的城市基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)建設(shè)中有著極大的發(fā)展?jié)摿涂臻g。近年來，我國城市化進(jìn)程加速，三維實景模型在城市規(guī)劃建設(shè)、城市管理信息化中得到了廣泛應(yīng)用，傾斜攝影技術(shù)在國內(nèi)得到爆發(fā)式發(fā)展。但利用傾斜攝影技術(shù)生成的實景三維模型一般僅僅作為一種瀏覽演示的方式，其成果并沒有真正應(yīng)用到常規(guī)測繪產(chǎn)品生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)。

在浙江省城市級1∶500地形圖生產(chǎn)中，因精度要求高，傳統(tǒng)上一般采用外業(yè)實測方法成圖，大規(guī)模采用航測方法進(jìn)行1∶500地形圖成圖難以滿足浙江省有關(guān)規(guī)范要求。其中浙江省地形圖的居民地房檐改正值ΔL檐均利用外業(yè)實測方法獲取，一般利用滴水線法、垂線法、全站儀實測法等。由于外業(yè)方法存在成本高、效率較低等缺點，該方法的研究與精度評估具有重要意義。

本著創(chuàng)新成圖方法與工藝流程的前提，本文提出一種基于傾斜攝影三維模型的房檐改正方法，并對其進(jìn)行精度評估。該方法直接在傾斜攝影三維模型中對建筑物立面進(jìn)行去房檐采集，常規(guī)房屋精度中誤差ΔS房一般包含房屋初采集誤差ΔS采、房檐改正誤差ΔS改，即ΔS房=ΔS采+ΔS改。該方法采集的房屋直接消除了房檐改正誤差ΔS改的影響，提高了房屋精度。與外業(yè)實測相比，采集精度能夠滿足浙江省1∶500地形圖精度要求，效率較高，具備全內(nèi)業(yè)測圖的潛力。

1 傾斜攝影三維模型

傾斜攝影技術(shù)通過從1個垂直、4個傾斜，即5個不同的視角同步采集影像，獲取到地表建筑頂面及側(cè)視的高分辨率影像數(shù)據(jù)，能夠真實反映地表情況，高精度地獲取物方紋理信息，通過先進(jìn)的多視匹配、快速建模、紋理映射等技術(shù)，建立真實的傾斜攝影三維模型。如圖1所示。

圖1 傾斜攝影

利用傳統(tǒng)的單基匹配模式難以在海量的傾斜影像上提取建模所需的同名點，隨計算機(jī)視覺發(fā)展起來的多基多視多角度影像匹配，通過利用多視多角度傾斜影像上的矢量特征信息如地形地貌邊緣、建筑邊緣和紋理來確定地物的三維表征特性。

在確定地物立面信息時，通過設(shè)置多樣化權(quán)重，將地物立面信息分為多重類型，獲取地物的立面模型；再對立面進(jìn)行幾何重構(gòu)，獲取地物的高度信息和邊緣信息，建立白模。

根據(jù)傾斜攝影技術(shù)原理實現(xiàn)從同一空間位置的傾斜影像中提取出建筑物立面幾何結(jié)構(gòu)信息，并采用同一空間位置其他傾斜影像與正視影像數(shù)據(jù)進(jìn)行紋理信息配準(zhǔn)，實現(xiàn)傾斜攝影三維模型的紋理映射。如圖2、圖3所示。

圖2 實景三維模型(某小區(qū))

2 基于傾斜攝影三維模型房檐改正原理

1∶500 DLG生產(chǎn)中工作量最大的是房檐改正，房檐改正是否正確將直接影響地形圖的平面精度。

圖3 三維模型+三角網(wǎng)(某小區(qū))

常規(guī)立體采集的建筑物結(jié)構(gòu)一般由長L頂長、寬L頂寬、高L頂高構(gòu)成，以某一房腳點原點O構(gòu)成了以房屋為主體的物方空間直角坐標(biāo)系S。其真值可確定為長L真長、寬L真寬、高L真高。如圖4所示。

圖4 建筑物結(jié)構(gòu)及屬性空間示意圖

假定目標(biāo)房屋對邊房檐改正值ΔL檐相同，則有

(1)

常規(guī)外業(yè)實測采集房屋時，通過滴水線法、垂線法、全站儀實測法等，利用式(1)計算出ΔL檐1、ΔL檐2，由內(nèi)業(yè)編輯人員對房屋數(shù)據(jù)進(jìn)行房檐偏移改正。

本文利用快速建模完成的帶有實際地理位置坐標(biāo)的傾斜攝影三維模型數(shù)據(jù)，采用立面散點正交原理直接采集去除房檐的房屋邊線，無需計算ΔL檐1、ΔL檐2，直接實現(xiàn)常規(guī)意義上的房檐改正。

由于常規(guī)房屋相鄰邊線之間存在水平特性、平行特性、直角特性及等距特性，同時從房屋立面角度來看，墻面之間、墻面與屋頂之間同樣具有以上特性。這些特性條件是本文基于傾斜攝影三維模型房檐改正方法的基礎(chǔ)。

圖5中，左右兩個面分別為目標(biāo)房屋相鄰墻面立面示意圖，假定長邊L1與短邊L2為目標(biāo)房屋兩條相鄰房屋邊線，A點為立面1中采集的首點，B點為立面1中采集的第2點，C點為立面2中采集的第3點。

圖5 建筑物立面散點正交原理

A點與B點不一定在同一高度，因此，以A點在長邊L1上的垂足A′的所在高度為房屋采集的基準(zhǔn)高，B點在A點所在的水平線上的垂足為B′。同理，C點在以A點所在高度為基準(zhǔn)高的水平線上的垂足為C′，直線AC′與直線O1C′相交于O1點。

由于立面1與立面2為相鄰墻面，因此有

則有

AO1⊥O1C′

根據(jù)以上立面散點正交原理，在目標(biāo)房屋上依次采集剩余的第4點、第5點，同理可得立面2與立面3間的正交點O2，立面3與立面4間的正交點O3，立面4與立面1間的正交點O4。

正交點O1、O2、O3、O4構(gòu)成的面，即為目標(biāo)房屋實際占地邊線，也就是去除房檐后的實際房屋面。如圖6所示。

圖6 建筑物房檐改正

3 房檐改正試驗

3.1 數(shù)據(jù)分析

試驗數(shù)據(jù)范圍選取新昌1∶500地形圖生產(chǎn)項目范圍內(nèi)新昌城東達(dá)利廣場圈、城西七星中心區(qū)及舊城區(qū)世貿(mào)廣場商圈等，采用傾斜攝影制作的快速建模三維模型中采集去除房檐的房屋，與試驗區(qū)實測房屋數(shù)據(jù)進(jìn)行房檐改正精度對比。

提供的用于房檐改正的數(shù)據(jù)成果包含:①三維模型成果(OSGB格式)；②12幅圖試驗區(qū)實測數(shù)據(jù)。

3.2 改正方案

加載試驗區(qū)傾斜攝影快速建模三維模型成果(*.osgb)，如圖7所示，選取目標(biāo)房屋，在目標(biāo)房屋上依次采集第1點至第5點，根據(jù)建筑物立面散點正交原理，自動生成目標(biāo)房屋墻面之間的正交點O1、O2、O3、O4，自動閉合構(gòu)成房屋面。

圖7 傾斜攝影快速建模三維模型

采集時需注意在選取立面散點時，應(yīng)選取立面上平整無凸起的區(qū)域，減小因快速建模出現(xiàn)的立面mesh面片精度誤差造成的采集誤差。

利用上述采集方法在選取的試驗區(qū)內(nèi)隨機(jī)采集房屋，并將采集的房屋角點坐標(biāo)進(jìn)行記錄。采集完成后，在試驗區(qū)實測數(shù)據(jù)中將對應(yīng)實測房屋的角點坐標(biāo)也進(jìn)行記錄，同時外業(yè)隨機(jī)對房屋進(jìn)行房檐改正復(fù)核檢測，為精度評估提供原始數(shù)據(jù)。

4 精度評估

4.1 測試比對

本次試驗共采集房屋43棟，合計角點172個，將采集結(jié)果與試驗區(qū)實測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，精度對比結(jié)果見表1。

4.2 復(fù)核比對

本次復(fù)核比對采用內(nèi)業(yè)提供的七星社區(qū)全部傾斜三維模型采集的房屋數(shù)據(jù)，外業(yè)在七星社區(qū)范圍內(nèi)隨機(jī)采集房屋角點，剔除明顯粗差點后，合計角點419個，將采集結(jié)果與外業(yè)復(fù)核檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，復(fù)核對比結(jié)果見表2。

根據(jù)浙江省標(biāo)(DB33/T552—2014)及新昌項目設(shè)計具體要求，其地形圖平面精度要求見表3。

以上測量結(jié)果為新昌地方坐標(biāo)系坐標(biāo)，與實測點進(jìn)行比對后形成最終的中誤差。從表1和表2可以看出，在傾斜攝影三維模型精度滿足設(shè)計要求的情況下，通過立面散點正交原理去房檐采集的房屋角點位置精度可以滿足新昌項目1∶500地形圖的平面控制精度要求。

表1 傾斜三維模型采集測試精度對比表 m

表2 傾斜三維模型采集外業(yè)復(fù)核精度對比表 m

表3 地物點相對鄰近控制點的點位與間距中誤差 m

5 結(jié) 語

本文以建筑物立面散點正交原理為理論基礎(chǔ)，以基于傾斜攝影三維模型的房檐改正方法為技術(shù)手段，采用三維模型直接進(jìn)行去房檐房屋的采集工作。

對直接采集的去房檐房屋角點、實測數(shù)據(jù)和復(fù)核檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行定量對比分析后發(fā)現(xiàn)，基于傾斜攝影三維模型的房檐改正方法能夠滿足浙江省1∶500地形圖生產(chǎn)中的平面精度要求；同時省去了外業(yè)采集房檐改正值的繁瑣工作，消除了房屋精度中的房檐改正誤差，能夠大大提升1∶500地形圖的成圖效率及成圖精度。

[1] 李安福,曾政祥,吳曉明.淺析國內(nèi)傾斜攝影技術(shù)的發(fā)展[J].測繪與空間地理信息,2014(9)：57-59.

[2] 李諾夫.屋檐自動改正方法探討[J].測繪通報,1996(6)：9-10.

[3] 田野,向宇,高峰,等.利用Pictometry傾斜攝影技術(shù)進(jìn)行全自動快速三維實景城市生產(chǎn)[J].測繪通報,2013(2):59-66.

[4] 張?zhí)烨?基于機(jī)載傾斜攝影數(shù)據(jù)的自動貼紋理方法研究[J].測繪通報,2015(6):69-71.

[5] 朱國強(qiáng),劉勇,程鵬正.無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)支持下的三維精細(xì)模型制作[J].測繪通報,2016(9)：151-152.

[6] 張春森，張衛(wèi)龍，郭丙軒，等.傾斜影像的三維紋理快速重建[J].測繪學(xué)報,2015,44(7):782-790.

[7] 王強(qiáng).基于滅點及畫法幾何原理的屋檐改正方法[J].國土資源導(dǎo)刊,2007，4(5)：28-30.

[8] 李鎮(zhèn)洲,張學(xué)之.基于傾斜攝影測量技術(shù)快速建立城市3維模型研究[J].測繪與空間地理信息,2012，35(4)：117-119.

[9] 張劍清,王強(qiáng).基于近景單影像的房檐改正計算方法[J]. 武漢大學(xué)學(xué)報(信息科學(xué)版),2007,32(12):1091-1094.

[10] 孫宏偉.基于傾斜攝影測量技術(shù)的三維數(shù)字城市建模[J].現(xiàn)代測繪,2014，37(1)：18-21.

[11] 張平,劉怡,蔣紅兵.基于傾斜攝影測量技術(shù)的“數(shù)字資陽”三維建模及精度評定[J].測繪,2014(3)：115-118.

[12] 薄正權(quán),張宇.傾斜攝影在長春市城市建模中的應(yīng)用[J].城市勘測,2016(3)：93-96.

[13] 李祎峰,宮晉平,楊新海,等.機(jī)載傾斜攝影數(shù)據(jù)在三維建模及單斜片測量中的應(yīng)用[J].遙感信息,2013，28(3)：102-106.

[14] 林月冠.傾斜攝影技術(shù)在災(zāi)后建筑物損毀評估中的應(yīng)用分析[J].地理信息世界,2016,23(1):108-114.

[15] 黃楊.傾斜攝影開創(chuàng)實景三維智慧城市新時代[J].中國建設(shè)信息化,2016(23):22-25.

Analysis and Accuracy Evaluation of Eave Correction Based on Oblique Photography 3D Model

YU Jianren1，LI Tao2，SHEN Shujuan3

(1. Xinchang Geographic Information Center, Shaoxing 312500, China; 2. Jiangsu Easymap Geographic Information Technology Co.Ltd.， Yangzhou 225000, China; 3. Zhejiang Academy of Surveying & Mapping, Hangzhou 310012, China)

3D model, generated by oblique photography technology generally, is usually used as a way to browse the demo nstration. Its usage is simple and crude. Thus, the results are not really applied to each link of conventional surveying and mapping production. This paper studies the accuracy evaluation for method of eave correction based on oblique photography 3D model.On the basis of the exised oblique photography 3D model,we use the facade messy point orthogonal principle to correct the eaves of oblique photography 3D model of residential area. This method provides a kind of intra industry mapping model, which is of great significance to the improvement of topographic map production.

oblique photography 3D model; the facade messy point orthogonal principle; eave correction; accuracy evaluation

俞建人，李濤，申淑娟.傾斜攝影三維模型的房檐改正方法分析與精度評估[J].測繪通報，2017(5)：75-78.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0158.

2017-03-10

俞建人(1963—)，男，工程師，主要從事測繪與地理信息管理及工程測量工作。E-mail:385139085@qq.com

P237

A

0494-0911(2017)05-0075-04