應(yīng)用航空攝影測(cè)量的城市三維建模

王長(zhǎng)虹

摘 要：A3作為一種新型航空攝影系統(tǒng)，在數(shù)據(jù)采集應(yīng)用中具有高效率、高分辨率、高精度的特點(diǎn)，同時(shí)還能采集真正射和傾斜影像數(shù)據(jù)，在城市三維建模中具有獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì)?；贏3航攝數(shù)據(jù)制作三維模型，在傳統(tǒng)建模路線上進(jìn)行了局部創(chuàng)新，新建了一套新的建模方法和技術(shù)流程，充分利用A3數(shù)據(jù)優(yōu)勢(shì)，提高模型質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

關(guān)鍵詞：A3 航空攝影 城市三維模型 紋理

中圖分類(lèi)號(hào)：P208 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）04（a）-0046-03

三維城市模型的構(gòu)建，一直是測(cè)繪領(lǐng)域的主要發(fā)展趨勢(shì)和熱門(mén)研究課題，在城市規(guī)劃、國(guó)土管理、通信、房地產(chǎn)、城市應(yīng)急減災(zāi)、虛擬現(xiàn)實(shí)等行業(yè)領(lǐng)域具有極為重要的應(yīng)用價(jià)值。

目前業(yè)內(nèi)針對(duì)城市三維建筑模型還沒(méi)有一個(gè)建模標(biāo)準(zhǔn)，筆者基于近兩年的項(xiàng)目與技術(shù)實(shí)踐，認(rèn)為構(gòu)筑數(shù)字城市中的模型數(shù)據(jù)應(yīng)該至少包含以下要素：高精度的地形數(shù)據(jù)、準(zhǔn)確的建筑模型以及真實(shí)的城市紋理和真實(shí)的要素模型等，這是城市最真實(shí)化的展示?；谧钫鎸?shí)的城市模型數(shù)據(jù)，才可以實(shí)現(xiàn)三維視角下的城市空間信息管理、查詢(xún)和分析，使普通用戶(hù)不僅能有接近現(xiàn)實(shí)世界真實(shí)的感受，也為專(zhuān)業(yè)用戶(hù)提供城市空間現(xiàn)狀更為真實(shí)、客觀和準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)分析。

1 A3航空攝影技術(shù)介紹

1.1 硬件簡(jiǎn)介

2011年以色列VisionMap公司推出了大幅面A3數(shù)字航攝儀，將傳統(tǒng)框幅式與推掃式優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)，并且配備300 mm超長(zhǎng)焦距，可以高效率同步獲取正射和傾斜高分辨率影像。

A3數(shù)字航攝儀由存儲(chǔ)器、小型計(jì)算機(jī)、GPS、電源、控制終端接口及旋轉(zhuǎn)雙鏡頭組成。相機(jī)質(zhì)量為35 kg，尺寸為53×53×53 cm，鏡頭數(shù)量2個(gè)，焦距300 mm。

1.2 主要技術(shù)特點(diǎn)

（1）300 mm超長(zhǎng)焦距在相同航高下可以獲取超高分辨率影像數(shù)據(jù)，保證城市影像分辨率質(zhì)量和效果。（2）109°超大視場(chǎng)角可以獲取超大幅面影像數(shù)據(jù)，不但采集效率高，還可以同步采集不同角度的影像。（3）70%以上超高重疊度可獲取同一地物的多角度觀測(cè)影像，保證航帶間影像加密點(diǎn)數(shù)量，提高空三精度。（4）LightSpeed全自動(dòng)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，可以保證數(shù)據(jù)的生產(chǎn)效率。

2 三維模型制作方法

2.1 技術(shù)路線

基于A3航空攝影數(shù)據(jù)特點(diǎn)，同時(shí)吸收了傳統(tǒng)建模方法中手工制作的優(yōu)點(diǎn)，形成了一套較完整的解決方案，可以有效解決傳統(tǒng)城市三維建模的不足。

該方案利用A3數(shù)字航攝儀提供的超大幅面立體像對(duì)（superlarge format，SLF）同步采集建筑物矢量模型、地形，并利用大角度傾斜影像映射建筑模型側(cè)面紋理。另外，為了彌補(bǔ)航空采集不足，地面底商、樓宇遮擋以及小品等區(qū)域，通過(guò)地面拍照方式進(jìn)行采集制作，如圖1所示。

該技術(shù)路線具有如下特點(diǎn)：

（1）利用A3高空航空攝影的作業(yè)方式，可以進(jìn)行大面積、高效率的采集，特別適合大范圍、快速的城市建模需求。（2）超大幅面立體像對(duì)（SLF）可以用于采集準(zhǔn)確的建筑物輪廓幾何信息，并同步提取高分辨率的紋理，節(jié)省紋理單獨(dú)制作環(huán)節(jié)。（3）A3長(zhǎng)焦距影像可以制作城市準(zhǔn)真正射影像，保證城市密集區(qū)的視覺(jué)效果，與三維模型整合的三維場(chǎng)景更真實(shí)。（4）此種方式建立的建筑物模型為單體的、對(duì)象化的模型，可以對(duì)各個(gè)模型進(jìn)行單獨(dú)的加工、修改、編輯，甚至添加各種屬性信息。（5）實(shí)景模型數(shù)據(jù)精確，三維GIS分析結(jié)果準(zhǔn)確度更高，可以滿(mǎn)足規(guī)劃、國(guó)土、城市管理等領(lǐng)域的應(yīng)用需求。

2.2 三維模型制作

利用超大幅面立體像對(duì)（SLF）進(jìn)行三維模型的制作。在立體采集環(huán)境的支持下，類(lèi)似傳統(tǒng)DLG采集模式，采集建筑物幾何信息。較傳統(tǒng)航攝相機(jī)，SLF立體像對(duì)由于視場(chǎng)角度大，可以最大可能采集到建筑物側(cè)面幾何信息，如圖2所示。

2.3 實(shí)景紋理制作

（1）傾斜影像空間定位。

經(jīng)過(guò)空三加密輸出的SLF立體像對(duì)具有精確的影像外方位元素，可以準(zhǔn)確恢復(fù)每張影像的空間位置，具有精確的三維坐標(biāo)信息，如圖3所示。

（2）紋理制作。

在制作出高精度的體框模型后，基于定位后傾斜影像本身的特點(diǎn)，結(jié)合數(shù)字三維及空間幾何投影技術(shù)選取每個(gè)模型面，獲得其角點(diǎn)的物方坐標(biāo)（X，Y，Z），已知傾斜影像的外方位元素及傾斜影像本身的投影框物方坐標(biāo)（X，Y，Z），通過(guò)判斷每張傾斜影像與該模型面是否相交篩選出與之模型面對(duì)應(yīng)的所有影像集，然后利用共線方程，計(jì)算出所選模型面在每張像片上的投影像點(diǎn)坐標(biāo)（x，y），通過(guò)篩選算法按照影像質(zhì)量及影像投影面最優(yōu)原則將相應(yīng)影像集排序，挑選最優(yōu)影像稍作編輯，最后將所選像片紋理部分截取并計(jì)算出紋理坐標(biāo)自動(dòng)映射到模型面上，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)景三維模型的自動(dòng)化紋理提取映射功能，如圖4所示。

3 應(yīng)用案例

2014年4月，在長(zhǎng)沙市選取了約50 km2建成區(qū)進(jìn)行A3影像數(shù)據(jù)采集，為了更好采集側(cè)面紋理，測(cè)區(qū)采用雙向交叉飛行方式，測(cè)區(qū)技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

該項(xiàng)目制作完成1∶1 000數(shù)字高程模型（DEM）、數(shù)字正射影像（DOM），并針對(duì)核心區(qū)進(jìn)行了實(shí)景城市模型制作，如圖5所示。

4 三維建模技術(shù)探討

4.1 精細(xì)的模型不一定真實(shí)

在傳統(tǒng)三維模型制作中，為了三維可視化效果的需要，模型數(shù)據(jù)在制作與認(rèn)識(shí)上偏離了三維應(yīng)用的根本需求。模型制作的精細(xì)、精美并不等于數(shù)據(jù)的真實(shí)、可靠。傳統(tǒng)精細(xì)模型的制作多數(shù)依靠人工拍照方式進(jìn)行結(jié)構(gòu)細(xì)化，受制于地面拍照范圍限制，多數(shù)模型結(jié)構(gòu)只能靠經(jīng)驗(yàn)估算。在缺少準(zhǔn)確數(shù)據(jù)的支撐前提下，一味地追求模型精細(xì)度，最終導(dǎo)致的是人為制造的精細(xì)，增加了大量冗余數(shù)據(jù)，降低了數(shù)據(jù)使用效率。同時(shí)因?yàn)檎鎸?shí)度不高，在實(shí)際數(shù)據(jù)應(yīng)用中無(wú)法體現(xiàn)三維的價(jià)值。以數(shù)碼航攝、激光雷達(dá)等為代表的新技術(shù)中，可以保證建筑模型的相對(duì)與絕對(duì)精度，另外利用傾斜影像作為紋理源，保證了每個(gè)模型面都具備唯一的真實(shí)紋理，杜絕虛假紋理，增加了模型的真實(shí)度。

4.2模型可對(duì)象化操作

隨著傾斜攝影技術(shù)快速發(fā)展，基于大重疊度傾斜影像可以快速重建城市三維，提高了用戶(hù)瀏覽地圖時(shí)的城市三維體驗(yàn)。但是，在近距離瀏覽該數(shù)據(jù)時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)在建筑細(xì)節(jié)方面還有較大缺陷，不能進(jìn)行精細(xì)化三維應(yīng)用。另外，該數(shù)據(jù)不同于傳統(tǒng)的三維數(shù)據(jù)，在成果格式和應(yīng)用平臺(tái)均有特殊要求，只能以特定的格式和平臺(tái)進(jìn)行瀏覽展示。模型的可對(duì)象化操作與目前地理信息平臺(tái)數(shù)據(jù)三維分析需求相對(duì)應(yīng)。只有可對(duì)象化操作的模型才方便進(jìn)行編輯、更新和關(guān)聯(lián)相關(guān)屬性信息，進(jìn)行城市精細(xì)化管理應(yīng)用。如在建筑方案規(guī)劃對(duì)比中，可以進(jìn)行單體模型替換，多方案綜合對(duì)比。在城市拆遷分析中，關(guān)聯(lián)建筑年代、住戶(hù)人口等相關(guān)信息，準(zhǔn)確分析拆遷成本等重要數(shù)據(jù)。

4.3 城市級(jí)三維數(shù)據(jù)的考驗(yàn)

傳統(tǒng)三維建模受作業(yè)效率限制，基本以小場(chǎng)景景觀建模為主，數(shù)據(jù)量對(duì)三維平臺(tái)考驗(yàn)不大。在傾斜攝影技術(shù)出現(xiàn)后，城市量級(jí)的快速建模需求得以解決。隨之而來(lái)是城市三維整體數(shù)據(jù)量的激增，對(duì)三維應(yīng)用平臺(tái)帶來(lái)了巨大的考驗(yàn)。因此，一方面在分析應(yīng)用需求的同時(shí)，制定適宜的模型制作標(biāo)準(zhǔn)，控制模型數(shù)據(jù)量；另一方面三維應(yīng)用平臺(tái)還需要不斷完善承載能力，提高大數(shù)據(jù)的加載流暢度和紋理顯示效果。只有在三維數(shù)據(jù)和平臺(tái)相互促進(jìn)不斷提高時(shí)，才能真正展現(xiàn)出城市真實(shí)的三維場(chǎng)景，將三維數(shù)據(jù)服務(wù)于城市管理和決策。

5 結(jié)語(yǔ)

A3作為一種新型航空攝影系統(tǒng)，在數(shù)據(jù)采集中具備高效率、高分辨率、高精度的特點(diǎn)，同時(shí)還能采集真正射和傾斜影像數(shù)據(jù)，在城市三維建模中具有獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì)?；贏3航攝數(shù)據(jù)制作三維模型，在傳統(tǒng)建模路線上進(jìn)行了局部創(chuàng)新，新建了一套新的建模方法和技術(shù)流程，充分利用A3數(shù)據(jù)優(yōu)勢(shì)，提高模型質(zhì)量和生產(chǎn)效率。城市三維模型只有在滿(mǎn)足現(xiàn)勢(shì)性、真實(shí)性和準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)上，且能結(jié)合現(xiàn)有三維GIS平臺(tái)進(jìn)行單體化操作、城市級(jí)大數(shù)據(jù)分析，才能發(fā)揮三維數(shù)據(jù)價(jià)值，為城市智慧決策提供分析依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1] 張祖勛，張劍清.數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量學(xué)[M].武漢：武漢大學(xué)出版社，1997.

[2] 何文林，郭文.航空攝影測(cè)量像片控制點(diǎn)布設(shè)方案研究[J].四川測(cè)繪，2003，26（1）：43-48.

[3] 張劍清，潘勵(lì)，王樹(shù)根.攝影測(cè)量學(xué)[M].2版.武漢：武漢大學(xué)出版社，2009.