基于傾斜攝影和近景攝影技術(shù)的實(shí)景三維模型制作

姜如波

(蚌埠市勘測設(shè)計(jì)研究院，安徽 蚌埠　233000)

1　引　言

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，城市建設(shè)水平的不斷提高，當(dāng)今城市的發(fā)展正在從數(shù)字城市向智慧城市邁進(jìn)，傳統(tǒng)的模擬三維模型難以滿足智慧城市的規(guī)劃、建設(shè)、管理需求[1]。隨著無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)的快速發(fā)展，利用無人機(jī)搭載多視鏡頭進(jìn)行傾斜攝影，快速生成城市的實(shí)景三維模型，已成為獲取地面三維信息的重要手段[2]。傾斜攝影技術(shù)雖然具有真實(shí)性、全要素的優(yōu)勢[3]，但是，在實(shí)景三維的應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)很多不足之處，特別是近地面和建筑側(cè)面細(xì)節(jié)表現(xiàn)上，往往出現(xiàn)大面積的數(shù)據(jù)丟失、模糊、拉花等現(xiàn)象。本文從傾斜攝影測量的不足之處著手，將傾斜攝影和近景攝影技術(shù)有機(jī)融合進(jìn)行聯(lián)合建模，來彌補(bǔ)傾斜攝影測量的局限性。再將傾斜影像模型的丟失和模糊的細(xì)節(jié)進(jìn)行修復(fù)，得到清晰度和識(shí)別度更高的實(shí)景三維模型。

2　傾斜與近景攝影測量系統(tǒng)簡介

2.1　傾斜攝影測量系統(tǒng)

傾斜攝影是測繪領(lǐng)域近些年發(fā)展起來的一項(xiàng)高新技術(shù)，該技術(shù)通過從1個(gè)垂直、4個(gè)傾斜鏡頭同步采集影像，獲取豐富的地面高分辨率影像信息。它不僅能夠真實(shí)地反映地物情況、高精度獲取建筑物紋理信息，還可以通過先進(jìn)的定位、融合、建模等技術(shù)生成真實(shí)的三維城市模型。傾斜攝影測量系統(tǒng)如圖1所示。

圖1　傾斜攝影測量系統(tǒng)

2.2　近景攝影測量系統(tǒng)

影像測量儀(vRTK)是近景攝影測量領(lǐng)域新興的一款開拓性產(chǎn)品，該產(chǎn)品采用單鏡頭搭配成熟的RTK進(jìn)行外業(yè)采集影像數(shù)據(jù)、位置信息，內(nèi)業(yè)結(jié)合專業(yè)的數(shù)據(jù)處理軟件，可生成高精度點(diǎn)坐標(biāo)、三維模型等可視化交互物。近景攝影測量系統(tǒng)如圖2所示。

圖2　近景攝影測量系統(tǒng)

3　數(shù)據(jù)源分析

3.1　傾斜攝影數(shù)據(jù)源分析

傾斜攝影測量相比于傳統(tǒng)航空攝影測量，它可以通過一次飛行，同時(shí)獲取垂直、前后、左右5個(gè)角度的地面影像信息，同時(shí)通過POS系統(tǒng)獲取與每組曝光影像相對(duì)應(yīng)位置及姿態(tài)信息[5]，從而得到用于實(shí)景三維建模的影像及姿態(tài)位置文件。該方法獲得的數(shù)據(jù)具有高真實(shí)性、可量測性、全要素性。但是，由于建筑物等地面實(shí)體的遮擋和攝影角度的不同，可造成近地面和建筑物側(cè)面數(shù)據(jù)的丟失、細(xì)節(jié)顯示不清晰。

3.2　近景攝影數(shù)據(jù)源分析

近景攝影測量技術(shù)作為一項(xiàng)發(fā)展較為成熟的技術(shù)，vRTK是近景攝影測量領(lǐng)域新興的一款開拓性產(chǎn)品，相比于傳統(tǒng)的手持相機(jī)拍攝影像，它拍攝的同時(shí)，利用RTK獲取每張曝光影像相對(duì)應(yīng)的高精度位置、姿態(tài)信息，現(xiàn)場作業(yè)后無須再布設(shè)像控點(diǎn)。其拍攝的近地面和建筑側(cè)面要素?cái)?shù)據(jù)完整、細(xì)節(jié)清晰，是傾斜攝影獲取的影像數(shù)據(jù)的補(bǔ)測，能夠很好地修復(fù)傾斜攝影在近地面和建筑側(cè)面的數(shù)據(jù)失真現(xiàn)象。

4　實(shí)景三維模型制作的總體技術(shù)流程

實(shí)景三維模型空地?cái)?shù)據(jù)聯(lián)合制作的思路：以無人機(jī)傾斜攝影測量、地面近景攝影測量系統(tǒng)獲取的數(shù)據(jù)作為實(shí)景三維建模的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，利用vRTK影像測量儀進(jìn)行建筑物底部及側(cè)面數(shù)據(jù)采集，通過影像定向后獲取后續(xù)聯(lián)合建模所需的成果包，其中基于近景攝影測量前方交會(huì)原理[6]，經(jīng)過“刺點(diǎn)”后提取的特征點(diǎn)坐標(biāo)用于傾斜影像空三解算的像控點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)空地?cái)?shù)據(jù)的坐標(biāo)系統(tǒng)統(tǒng)一，然后聯(lián)合傾斜實(shí)景模型和地面vRTK數(shù)據(jù)進(jìn)行建筑物模型精細(xì)單體化建模，最后將單體化模型重置于三維場景中。機(jī)載傾斜攝影數(shù)據(jù)與近景攝影數(shù)據(jù)聯(lián)合處理技術(shù)流程如圖3所示：

圖3　數(shù)據(jù)聯(lián)合處理技術(shù)流程

5　實(shí)景三維模型制作的實(shí)現(xiàn)

利用傾斜攝影和近景攝影技術(shù)進(jìn)行實(shí)景三維聯(lián)合建模的關(guān)鍵技術(shù)主要包括數(shù)據(jù)源的空中三角測量，傾斜影像實(shí)景三維模型的快速生成，實(shí)景三維模型單體化及三維場景重構(gòu)。

5.1　數(shù)據(jù)源的空中三角測量

為了保證空中傾斜影像與地面近景影像能夠自動(dòng)配準(zhǔn)，采用統(tǒng)一的平面坐標(biāo)系和高程基準(zhǔn)，首先需對(duì)地面近景影像進(jìn)行空三解算，采用儀器配套的VRTK Access軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，該程序能夠自動(dòng)完成分組內(nèi)影像的特征提取、特征匹配、空三解算等步驟[7]，導(dǎo)出解算后的空三成果文件(影像列表、相機(jī)內(nèi)參數(shù)、外方位元素)與畸變影像，解算過程如圖4所示。解算完成后，選擇定向好的兩張不同影像通過刺點(diǎn)方式進(jìn)行特征點(diǎn)坐標(biāo)采集，將坐標(biāo)成果導(dǎo)出用于傾斜影像空三解算的像控點(diǎn)，特征點(diǎn)選取需滿足傾斜影像和地面影像上目標(biāo)影像都清晰、易于判讀的線交位置或低矮房屋的明顯拐點(diǎn)。

圖4　近景影像解算過程

5.2　傾斜影像實(shí)景三維模型的快速生成

ConTextCapture軟件實(shí)景三維建模中應(yīng)用較為廣泛的軟件，它通過加載采集端獲取的多視覺影像可以快速生成具有高分辨率的真三維模型，其優(yōu)點(diǎn)包括對(duì)區(qū)域進(jìn)行整體三維重建，并且數(shù)據(jù)處理過程具有全自動(dòng)化、高效率等特點(diǎn)，同時(shí)還可以采用集群式聯(lián)機(jī)運(yùn)算，大大縮短數(shù)據(jù)處理時(shí)間。利用ConTextCapture進(jìn)行實(shí)景三維建模，首先加載POS數(shù)據(jù)和傾斜影像，經(jīng)控制點(diǎn)刺點(diǎn)后進(jìn)行傾斜影像聯(lián)合平差，精確計(jì)算每一張影像的外方位元素同時(shí)生成高密度高精度的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，在點(diǎn)云的基礎(chǔ)上提取深度圖并構(gòu)建三維TIN，最后根據(jù)三維TIN的空間位置，獲取影像進(jìn)行自動(dòng)映射紋理[8，9]，從而快速得到傾斜實(shí)景三維模型，如圖5所示。

圖5　傾斜實(shí)景三維模型

5.3　實(shí)景三維模型單體化建模

傾斜實(shí)景三維模型可以看成是一張表面覆蓋高分影像的連續(xù)TIN三角網(wǎng)，在GIS管理和應(yīng)用中，傾斜攝影模型中的對(duì)象不能單獨(dú)被選中和進(jìn)行屬性查詢，只能像影像一樣作為底圖進(jìn)行瀏覽，無法進(jìn)一步深入應(yīng)用，因此需要對(duì)傾斜三維模型進(jìn)行單體化。目前應(yīng)用較為廣泛的單體化方法主要有以下兩種：邏輯單體化、物理單體化。邏輯單體化是指通過對(duì)傾斜三維模型中的對(duì)象進(jìn)行單純的疊加二維矢量底面，在渲染層面實(shí)現(xiàn)建筑物、道路等地物單體化，并通過矢量面作為載體進(jìn)行屬性掛接，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)象的單獨(dú)管理、屬性查詢等功能。該方法只是簡單查詢建筑輪廓的矢量面、并非真正意義上的單體物理分離，而物理單體化是通過人工重建的方式將建筑物、道路等對(duì)象進(jìn)行物理分離，重建的實(shí)體能夠進(jìn)行編輯和修改、并附加屬性來實(shí)現(xiàn)查詢統(tǒng)計(jì)和分析等功能[10]。目前可以實(shí)現(xiàn)物理單體化的軟件主要有DP-Modeler、Oblique Sketch等軟件，這兩款軟件都是在傾斜影像模型的基礎(chǔ)上，進(jìn)行建筑物的邊界提取、紋理自動(dòng)匹配及三維模型場景重構(gòu)等過程。其中DP-Modeler是國內(nèi)應(yīng)用較早的一款支持多源數(shù)據(jù)聯(lián)合建模軟件，本文以DP-Modeler為例，詳細(xì)介紹物理單體化建模的實(shí)現(xiàn)過程。

(1)物理單體化建模技術(shù)流程。DP-Modeler是一款基于三維影像的建模軟件，可對(duì)傾斜影像的自動(dòng)建模成果進(jìn)行單體化修飾，懸浮物刪除等工作[11]，可得到建筑物的精細(xì)模型，其技術(shù)流程如圖6所示。

圖6　單體化技術(shù)流程

(2)物理單體化建模過程。首先加載空地影像的空三加密成果進(jìn)行數(shù)據(jù)配置，以傾斜三維實(shí)景模型為基礎(chǔ)，在頂視圖模式下進(jìn)行建筑輪廓勾勒，對(duì)其進(jìn)行編輯、調(diào)整，推拉至基準(zhǔn)面得到建筑主體模型，然后利用傾斜影像和地面RTK影像獲取建筑物的側(cè)面及底商結(jié)構(gòu)信息，并經(jīng)編輯、推拉等操作形成凸凹明顯的結(jié)構(gòu)，建筑結(jié)構(gòu)完成后，利用建筑紋理信息可采集的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)模型一鍵自動(dòng)貼圖。建筑物頂部采用無人機(jī)垂直影像貼圖，側(cè)面及底商結(jié)合傾斜影像和地面RTK影像拍攝效果進(jìn)行人工干預(yù)選擇貼圖。從而實(shí)現(xiàn)單體化模型精細(xì)化修飾效果。圖7(a)為傾斜攝影直接建模效果，圖7(b)為聯(lián)合單體化建模效果。與近景攝影聯(lián)合建模后，可以看出傾斜攝影建筑物模型側(cè)面信息模糊、丟失、紋理拉花等現(xiàn)象得到很好修復(fù)。

圖7　精細(xì)單體化聯(lián)合建模

5.4　實(shí)景三維模型重構(gòu)

基于DP-Modeler軟件對(duì)三維模型精細(xì)單體化建模后，在傾斜實(shí)景三維模型中勾繪修飾區(qū)域范圍線，通過模型踏平、刪除、重構(gòu)等方式，將新建的單體化模型與場景融合，進(jìn)而形成可單體化管理的精細(xì)實(shí)景三維模型。從而達(dá)到傾斜實(shí)景模型深入GIS應(yīng)用的目的。場景重構(gòu)前后效果比對(duì)如圖8所示。

圖8　場景重構(gòu)前后對(duì)比圖

6　生產(chǎn)效率對(duì)比分析

目前常規(guī)建模技術(shù)主要分為以下4類：傳統(tǒng)人工建模、三維激光掃描建模、數(shù)字近景攝影測量建模、傾斜攝影測量建模。其中傳統(tǒng)的三維建模通常使用3ds Max、AutoCAD等建模軟件，基于CAD二維矢量圖、影像數(shù)據(jù)或者手工拍攝的照片估算建筑物的輪廓和高度信息進(jìn)行人工建模。該方法制作的模型外觀美觀，但精度較低，并且生產(chǎn)過程中需要大量的人工參與、制作周期較長。三維激光掃描技術(shù)可以快速連續(xù)對(duì)觀測對(duì)象進(jìn)行掃描測量，獲取對(duì)象表面的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，該方法具有非接觸、高精度等優(yōu)點(diǎn)，后期通過對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)、降噪、提取、封裝等一系列操作構(gòu)建三角網(wǎng)模型，最后通過手工方式映射紋理信息獲得三維模型。這種方法不僅生產(chǎn)周期長、效率低，同時(shí)模型的映射質(zhì)量一般，適用于小范圍的精細(xì)模型構(gòu)建。數(shù)字近景攝影測量技術(shù)可以對(duì)非接觸、面狀地物進(jìn)行快速拍攝，通過對(duì)拍攝的影像進(jìn)行自動(dòng)匹配、空三解算、生成點(diǎn)云、紋理映射等一系列操作來構(gòu)建三維模型，該方法具有模型效果好、精度高等特點(diǎn)，但也存在建筑物死角、頂部無法拍攝的缺點(diǎn)。傾斜影像建模技術(shù)外業(yè)航拍作業(yè)范圍更廣、成本低、效率高，內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理對(duì)計(jì)算機(jī)硬件配置要求較低，可以實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)集群式處理，更適用于大范圍的三維模型構(gòu)建，但該方法也存在建筑物側(cè)面、底部信息采集不全的缺點(diǎn)。以上四種建模方法優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比總結(jié)如表1所示。

不同建模方法對(duì)比　　　　　　　　　表1

本文基于傾斜和近景攝影測量的基本原理，對(duì)傾斜和近景攝影測量三維建模技術(shù)的優(yōu)勢和不足分別進(jìn)行了詳細(xì)的分析，將傾斜攝影與近景攝影技術(shù)進(jìn)行有機(jī)聯(lián)合，采用統(tǒng)一的空間基準(zhǔn)及坐標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行空地?cái)?shù)據(jù)聯(lián)合單體化建模，該方法在保證三維模型精度的情況下，可大幅提升三維模型的生產(chǎn)效率和顯示效果，與其他傳統(tǒng)建模技術(shù)相比、模型制作時(shí)間減少一半以上、投入人員減少2/3。目前、該方法還存在無人機(jī)飛行姿態(tài)受天氣影響較大、需搭載PPK后差分處理系統(tǒng)來保證精度等問題，在今后的實(shí)際項(xiàng)目中，也可以考慮利用機(jī)載三維激光掃描獲得的高精度點(diǎn)云數(shù)據(jù)與傾斜攝影測量技術(shù)獲得的三維模型數(shù)據(jù)進(jìn)行融合建模，從而進(jìn)一步提高模型的整體精度。

7　結(jié)　論

在三維城市建設(shè)項(xiàng)目中，隨著三維城市建模需求和范圍的增大，無人機(jī)傾斜攝影測量的影像快速采集、自動(dòng)化空三及建模技術(shù)，在生產(chǎn)效率上顯現(xiàn)出強(qiáng)大的優(yōu)勢。本文提出的基于傾斜和近景攝影技術(shù)的實(shí)景三維模型制作的方法，在實(shí)際工程項(xiàng)目中進(jìn)行了驗(yàn)證，對(duì)建筑物單體化重建的同時(shí)，修復(fù)了建筑物側(cè)面和底部紋理，并大大提升了城市三維建模的生產(chǎn)效率和模型效果。經(jīng)單體化建模后的精細(xì)模型，附加屬性后重置于傾斜實(shí)景三維模型中，實(shí)現(xiàn)了傾斜實(shí)景三維模型的精細(xì)化重建與單體化管理，為后期三維場景的深入行業(yè)應(yīng)用提供了便利。