傾斜攝影測量技術在校園三維建模中的應用

摘 要：隨著社會經(jīng)濟不斷發(fā)展，加速推動了我國數(shù)字化城市的建設。傾斜攝影測量技術的出現(xiàn)成為當前熱門的城市三維建模研究和應用內(nèi)容，極大提升了三維建模的效率，同時也降低了建模的生產(chǎn)成本。本文以校園實景三維建模為例，重點介紹傾斜攝影測量技術進行數(shù)據(jù)采集、控制網(wǎng)布設及數(shù)據(jù)處理的原理和方法，并對實景三維建模技術流程進行總結(jié)。

關鍵詞：傾斜攝影測量技術;三維建模;空中三角測量

中圖分類號：P231 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）25-0020-03

1 研究背景

傾斜攝影測量技術是近年來國際測繪領域發(fā)展起來的一項高新測繪技術，通過在同一飛行平臺上搭載多臺攝影傳感器，實現(xiàn)前、后、左、右、正視等多角度影像數(shù)據(jù)采集任務，通過獲取高質(zhì)量影像紋理信息建立實景三維模型，能直觀地反映地物的外觀、位置、高度等屬性，為真實效果和測繪精度提供保證。傾斜攝影技術既能獲取高質(zhì)量的影像紋理信息，真實地反映地表地物情況，同時還可通過先進的定位、融合、建模等技術，建立真實的實景三維模型[1，2]。

與傳統(tǒng)手工建模技術相比，傾斜攝影技術主要有以下幾方面優(yōu)勢：①真實性，能真實反映地物目標及周邊環(huán)境的形狀、位置及高度等屬性信息;②高效率、低成本，借助無人機等多種飛行載體，可以快速采集建筑物影像數(shù)據(jù)，配合傾斜影像批量處理密集匹配及映射紋理，實現(xiàn)全自動化三維建模，有效降低了三維建模成本;③高精度、高性價比，傾斜攝影獲得的數(shù)據(jù)是具有空間位置信息的可量測影像數(shù)據(jù)，三維數(shù)據(jù)采用高精度的密集點云數(shù)據(jù)作為三維實體模型的基礎，保證了數(shù)據(jù)的精度和可靠性，并能同時輸出多種測繪成果，供不同行業(yè)參考使用[3-6]。

通過傾斜攝影技術建立的三維校園模型，能模擬校園內(nèi)部真實客觀的場景，展示學校的形象和文化，且能通過三維交互功能實現(xiàn)自主漫游，使用戶產(chǎn)生一種身臨其境的感覺。同時，校園三維模型可以通過網(wǎng)絡展示校園風貌、規(guī)劃管理整個校園的設備等[7-9]。

2 基于傾斜攝影技術的校園三維建模方法

校園三維模型構(gòu)建主要包括傾斜影像數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)預處理及三維模型的構(gòu)建等環(huán)節(jié)，整個流程如圖1所示。

2.1 傾斜攝影測量技術原理

與傳統(tǒng)航空攝影只從垂直方向獲取地面影像不同，傾斜攝影技術可同時從垂直、傾斜等不同角度采集影像，能獲取地面物體更為完整準確的側(cè)面紋理信息，即一次拍攝同時獲得五張影像飛行器上搭載的傳感器通過對同一地物進行連續(xù)拍攝，獲得同一地物不同方向的影像（如圖2所示）。垂直地面角度拍攝獲取的影像稱為正片（一組影像），鏡頭朝向與地面成一定夾角拍攝獲取的影像稱為斜片（四組影像）。通過獲取的多視影像（如圖3所示），利用專業(yè)的三維建模軟件建立三維模型。

2.2 校園三維建模方法

2.2.1 傾斜數(shù)據(jù)獲取。傾斜數(shù)據(jù)獲取主要分為測區(qū)踏勘、航線設計和飛行實施3個環(huán)節(jié)。通過踏勘獲取測區(qū)的地形，并按照成果質(zhì)量要求，設置飛行航高、重疊度及分辨率等參數(shù)，規(guī)劃航線，最后進行航線檢查上傳，并開始航攝數(shù)據(jù)獲取任務。同時，為獲取高精度的三維模型，需要在測區(qū)范圍布設一定量的像控點進行約束。對于像控點的布設，要根據(jù)目標區(qū)域面積，結(jié)合區(qū)域形狀特性及布置原則進行綜合取舍。

2.2.2 數(shù)據(jù)預處理。一方面，航攝獲取的POS數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)雖然是一一對應的，但目前的處理軟件無法自動對其建立映射關系，因此，需要手動將POS數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)按照一定的命名規(guī)則進行重命名，進而建立二者的映射關系。此外，在航攝過程中，受航攝周期、航攝天氣等影響，不同架次的影像在對比度、色調(diào)及明暗等方面出現(xiàn)明顯差異，因此需要對影像進行勻色、增強等處理。

2.2.3 校園三維模型構(gòu)建。三維模型構(gòu)建主要分為以下兩步：①空三處理：提取多視角影像關鍵點，建立匹配關系，并進行區(qū)域網(wǎng)聯(lián)合平差解算出單張影像曝光瞬間的外方位元素;②模型構(gòu)建：構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)TIN，并根據(jù)TIN生成白模，同時根據(jù)三維模型空間位置信息及空三解算出的影像位置信息，實現(xiàn)紋理的自動映射，最終輸出基于真實自然紋理的高分辨率實景三維模型。

3 實驗分析

3.1 測區(qū)概況

選取河南省某校園為試驗區(qū)，試驗區(qū)內(nèi)地勢相對平坦，建筑較多且分布較為規(guī)則，相機采用ARC524五拼相機（焦距：正視20mm，側(cè)視35mm;像幅大小：4 000×6 000），設計航高150m，航向及旁向重疊度均為80%。航攝計劃及像控布設方案如圖4和圖5所示。

從圖6至圖9的三維建模效果圖可以看出，結(jié)合傾斜攝影技術構(gòu)建的校園實景三維模型不僅結(jié)構(gòu)完整，而且細節(jié)層次清晰，完全滿足三維數(shù)字校園建設的需要。

4 結(jié)語

本文結(jié)合傾斜攝影測量技術完成了校園實景三維的構(gòu)建任務，體現(xiàn)出傾斜攝影測量技術紋理真實、細節(jié)清晰等特點，既能直觀反映校園環(huán)境、校園風貌，又能為校園規(guī)劃、設備管理等決策提供最直接的數(shù)據(jù)支撐。

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