基于傾斜攝影測量的三維城市地理信息系統(tǒng)軟件

蔡迅華 葉家發(fā)

廣西界圍信息科技有限公司，廣西南寧 530007

自從“智慧地球”的概念被引伸到城市，出現(xiàn)智慧城市[1]以來，智慧城市已成為當(dāng)今城市信息化建設(shè)的熱詞。近年來，新出現(xiàn)的傾斜攝影測量[2]技術(shù)已經(jīng)能夠應(yīng)用于城市規(guī)劃、建設(shè)和管理等各個方面，尤其在公共安全與應(yīng)急反恐方面具有其他數(shù)據(jù)源不可替代的價值。本文研究將傾斜攝影建模技術(shù)和三維地理信息系統(tǒng)技術(shù)進(jìn)行結(jié)合，充分發(fā)揮傾斜攝影的數(shù)據(jù)優(yōu)勢，實現(xiàn)三維實景全方位模型重建和現(xiàn)場實景還原，克服了傳統(tǒng)正射影像只能從垂直角度拍攝的局限，可獲得5個或更多角度的傾斜攝影影像，從而可以從多個角度完整地獲取建筑物表面的紋理信息，為智慧城市建設(shè)提供基礎(chǔ)地理信息支撐服務(wù)。

1 技術(shù)特性分析

本系統(tǒng)總體架構(gòu)及研究內(nèi)容包括三大模塊：系統(tǒng)平臺引擎開發(fā)、支撐技術(shù)、應(yīng)用推廣模塊，如圖1所示。其難點及解決方法如下所述。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.1 多航片立體測量與建模

構(gòu)造三維地表模型（DSM）采用基于核線定向方法，需要航空傾斜攝影原始斜片、GPS定位信息、IMU記錄的航飛姿態(tài)信息、相機(jī)成像畸變糾正參數(shù)等數(shù)據(jù)。其方法是通過應(yīng)用像素匹配技術(shù)計算每個像素點的三維空間坐標(biāo)，然后依據(jù)三維投影原理生成三維地表模型網(wǎng)格，最后把取得的像素合并為多張大圖，與三維模型網(wǎng)格一起按3D模型標(biāo)準(zhǔn)格式合并輸出結(jié)果。其難點在于計算空間線段，對空間線段進(jìn)行投影，利用顏色梯度差形成像素匹配模板，計算所有照片像素點的三維空間坐標(biāo)等。采用以上方法，進(jìn)行了80m高空傾斜測量試驗，得到中間結(jié)果和最終結(jié)果。

1.2 三維地表模型（DSM）數(shù)據(jù)的自動分類

航空傾斜測量得到的三維模型數(shù)據(jù)是所有信息都融合在一個模型中，包括了地表和地面構(gòu)造物，由于所有數(shù)據(jù)信息融合在一起，計算機(jī)無法區(qū)分哪些是建筑物、樹木、鐵塔、其他地表構(gòu)造物，無法對它們單獨管理或賦予屬性，嚴(yán)重限制了它的應(yīng)用范圍。通過對DSM數(shù)據(jù)的分析與統(tǒng)計研究，可以挖掘出這些地表構(gòu)造物的基本特征信息，然后通這些特征信息對數(shù)據(jù)進(jìn)行分類提取。

根據(jù)地理學(xué)、流體穩(wěn)定性原理等知識，可以得知自然地表的坡度通常是在某個坡度值范圍內(nèi)，超越這個范圍值可以視為懸崖、陡坎、建筑、其它地表構(gòu)造物。在這些地表構(gòu)造物中，人造建筑與其它構(gòu)造物相比有著明顯的特征信息，大部分建筑都明顯凸出于自然地表或至少能圍繞建筑一周能找到較陡的邊界面（通常是90度）。與自然地表連接在一起的陡坎和懸崖，通常可以找到一個較大的面區(qū)域，它們的坡度（或平均坡度）明顯比周邊自然地表坡度大。樹木的特征信息也很明顯，樹是由樹冠和樹桿組成，樹冠通常是一個凹凸不平的類似球體，在樹冠的下半部通?？梢哉业絻A斜度大于90°的面區(qū)域，而且樹冠通常比樹桿大很多倍。根據(jù)這個原理對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，分類輸出成果：提取建筑物，提取樹木，地面高程模型DEM，矢量化地形圖。

1.3 三維造型精細(xì)化建模與應(yīng)用

高精度掃描測繪得到的三維模型，其復(fù)雜程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了當(dāng)前計算機(jī)的實時圖形處理能力，當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)帶寬的限制，影響了三維模型在網(wǎng)絡(luò)上顯示的效果和同步操作的即時性。如何降低這些模型的復(fù)雜度,減少圖形系統(tǒng)需處理的多邊形數(shù)目，保留模型的幾何特征，并實現(xiàn)實時交互，已經(jīng)成為計算機(jī)圖形學(xué)研究中的一個重大課題。在本系統(tǒng)研發(fā)過程中，我們在傳統(tǒng)的漸進(jìn)式數(shù)據(jù)流編碼算法研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合三維建筑模型的特點，實現(xiàn)了基于模型頂點簡化的多層次LOD技術(shù)，實現(xiàn)高精度快速瀏覽，切底擺脫了傳統(tǒng)技術(shù)的瓶頸限制問題。

1.4 基于單斜片測量的三維模型編輯

傾斜攝影測量數(shù)據(jù)內(nèi)業(yè)處理，雖然能夠得到較精確的三維模型，但是，由于航測系統(tǒng)誤差、像素匹配誤差、控制測量誤差、底片成像畸變誤差等眾多誤差源的影響，導(dǎo)致大多數(shù)建筑細(xì)部構(gòu)造無法正確建模或效果較差，必須經(jīng)過后期人工編輯或重新建模才能滿足一般工程的需求。本文介紹的系統(tǒng)，通過提供基于單斜片的建模軟件可以實現(xiàn)快速對DSM模型數(shù)據(jù)編輯和重建，有效克服傳統(tǒng)三維建模生產(chǎn)周期長、成本高、操作員技術(shù)水平要求高等問題。其主要算法流程如下：首先，在內(nèi)存中還原每張航片的虛擬相機(jī)模型，然后，通過研發(fā)在航拍斜片上勾畫建筑外形輪廓的工具，通過該工具可以對一棟建筑對應(yīng)的多張航拍斜片進(jìn)行處理，可勾勒出建筑每個面的輪廓。通過前面步驟已經(jīng)得到了建筑每個平面的三維空間坐標(biāo)，以及這些頂點坐標(biāo)對應(yīng)的紋理圖片坐標(biāo)。根據(jù)航片上勾勒的多邊形封閉區(qū)域提取對應(yīng)的像素存儲為新圖片作為建筑模型的紋理資源，按照這方式把每棟建筑的所有紋理資源與三維空間多邊形合并成獨立的模型輸出。實驗效果如圖2、3所示。

圖2 三維編輯前的模型

圖3 編輯后的三維模型效果

1.5 系統(tǒng)增強(qiáng)功能

為了增強(qiáng)傾斜測量模型的大數(shù)據(jù)處理能力，本系統(tǒng)采用并行計算拓?fù)淠Ｐ图軜?gòu)，在數(shù)據(jù)總線中增加了緩沖數(shù)據(jù)槽，使得各個工作線程可以直接在數(shù)據(jù)槽中讀寫數(shù)據(jù)，無需對硬盤或具體任務(wù)提供者索要數(shù)據(jù)，可以有效提高數(shù)據(jù)訪問效率。

本系統(tǒng)同時提供了豐富的分析工具，包括填挖分析、降雨分析、淹沒分析、通視分析、緩沖區(qū)分析等，為各個行業(yè)提供了一套基于實景地理信息的應(yīng)用框架和接口。

2 應(yīng)用測試

本系統(tǒng)目前已在多個項目中試點應(yīng)用，受到試用客戶的一致好評。案例：傾斜測量在農(nóng)村宅基地管理中的應(yīng)用。應(yīng)用航空傾斜攝影測量直接獲得三維地表模型，然后通過建筑物自動提取快速獲得建筑三維模型。最后，把提取得到的建筑模型與三維地理信息系統(tǒng)（GIS）集成，實現(xiàn)農(nóng)村宅基地信息綜合管理。

3 結(jié)語

本文通過介紹基于傾斜攝影測量的三維城市地理信息系統(tǒng)軟件工作原理，并分析了其數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、接口模塊等數(shù)據(jù)處理流程，從而說明該軟件系統(tǒng)是一種強(qiáng)調(diào)信息的共享與輔助決策，強(qiáng)調(diào)客戶體驗和信息展示的城市級解決方案，是真正面向管理和服務(wù)的三維智慧城市基礎(chǔ)平臺。