傾斜攝影技術(shù)在大面積城市三維建模中的應(yīng)用

王星，朱云，張旭，李新鋒

(山東正元數(shù)字城市建設(shè)有限公司，山東 煙臺 264670)

1 引 言

目前，隨著三維實景重建技術(shù)的快速發(fā)展，傾斜攝影在國內(nèi)正發(fā)展得如火如荼，其低成本、高效率的優(yōu)點為測繪行業(yè)的整體發(fā)展帶來了春天。不僅在城市建筑三維模型重建方面逐漸取代了傳統(tǒng)的手工模型制作工藝，表現(xiàn)出強大的優(yōu)勢[3]。而且基于傾斜模型的地形圖、地籍圖的測圖工藝，也基本形成了一套可行的技術(shù)方案，而且與傳統(tǒng)測圖工藝相比也有更加明顯的優(yōu)勢[6]。比如，紅鵬公司正在推廣的綜合法地籍測量技術(shù)，宣稱使用30%～40%的費用，可以完成80%的工作量。

相對于傳統(tǒng)的全野外測量成圖和航測法成圖技術(shù)，傾斜攝影測量技術(shù)以其“三高一低”(高效率、高精度、高真實可視化、低成本)的優(yōu)勢，能夠較好地滿足城市大比例尺地形圖快速更新對時間和精度的要求。如何才能使基于傾斜模型的地形測量達(dá)到要求的精度，主要取決于兩個因素：外業(yè)控制測量和高分辨率的傾斜模型。

傾斜攝影多使用無人機進(jìn)行航空攝影，而無人機又分固定翼無人機和旋翼無人機[1]。固定翼無人機具有飛行高度高、續(xù)航時間長等優(yōu)點，其作業(yè)效率高于旋翼機。旋翼機操作簡單，并且可以進(jìn)行低空飛行，以此獲得更高分辨率的影像。但其單架次作業(yè)時間短，多在半小時以內(nèi)[2]。因此，通常使用多旋翼進(jìn)行小面積的傾斜數(shù)據(jù)生產(chǎn)。為了探索和研究基于傾斜模型大面積測圖的可行性，本項目采用多旋翼無人機，選取了 15 km2范圍進(jìn)行傾斜模型制作，并對模型精度進(jìn)行了檢測。

2 測區(qū)數(shù)據(jù)獲取

2.1 航攝概況

本項目實施區(qū)域為榮成市，地處膠東半島，隸屬于山東省威海市。施測范圍為榮成市政府及其周邊，建筑密度適中。項目設(shè)計實施區(qū)域為 15 km2，實際航攝范圍為 20 km2，具體范圍如圖1所示。項目采用大疆M600 pro多旋翼無人機，搭載成都睿鉑Riy-D2五鏡頭相機，單個相機像素 2 400萬。飛行高度 120 m，航向重疊度80%，旁向重疊度70%，其中正射鏡頭地面分辨率為 0.02 m。共飛行70余架次，獲取照片17萬張。

圖1 測區(qū)范圍

2.2 像控點測量

綜合各傾斜攝影項目實際經(jīng)驗，本項目設(shè)計制作像控點個數(shù)為每平方千米15個～20個，像控點均勻分布。再根據(jù)數(shù)據(jù)分塊情況，在接邊位置增加像控點個數(shù)，基本達(dá)到每 150 m制作一個像控點。像控點分布如圖2所示。

圖2 像控點分布示意圖

3 實景模型三維重建關(guān)鍵技術(shù)

傾斜攝影獲取的影像數(shù)據(jù)相對于傳統(tǒng)的航空攝影具有數(shù)據(jù)量大、重疊度高等特點。因此其處理的算法、流程不同于傳統(tǒng)航測，目前在傾斜攝影的處理過程中引入計算機視覺中的多視幾何原理，完成空中三角測量、模型重建等過程。

3.1 傾斜攝影空中三角測量

(1)空中三角測量

傾斜攝影的空中三角測量以傳統(tǒng)的光束法平差作為基礎(chǔ)，在平差過程中引入多視幾何原理。以中心投影的共線方程作為數(shù)學(xué)模型，以求解多視影像的位置與姿態(tài)為目的，進(jìn)而恢復(fù)影像數(shù)據(jù)之間的內(nèi)在幾何關(guān)系。其數(shù)學(xué)模型如下所示：

其中(x，y)表示像平面直角坐標(biāo)系下的像點坐標(biāo)；(X0，Y0，Z0)表示攝影中心的空間坐標(biāo)，f為相機焦距；(X，Y，Z)為空間三維點坐標(biāo)；(ak，bk，ck)(k=1，2，3)表示由像片的角元素φ，ω，k構(gòu)成的方向余弦。

(2)區(qū)塊空三處理

本項目航攝照片數(shù)量有17萬張之多，整個范圍進(jìn)行一次空三處理，除了耗時長外，硬件設(shè)備也很難滿足其處理要求。因此，在空三時將測區(qū)劃分子測區(qū)。以子測區(qū)內(nèi)的影像數(shù)據(jù)作為空三單元進(jìn)行空三處理。其測區(qū)的劃分如圖3所示，以圖3(a)中的范圍作為總測區(qū)范圍，在其測區(qū)范圍內(nèi)劃分子測區(qū)，為了保證測區(qū)模型之間的完整度與精細(xì)度，如圖3(b)所示，在劃分測區(qū)時要保證具有一定的重疊區(qū)域，同時為了保證分區(qū)塊空三的精度及區(qū)塊模型之間的拼接精度，需在重疊區(qū)域之間布設(shè)一定密度的像控點。

圖3 空三區(qū)塊劃分

在區(qū)塊空三處理過程中，以區(qū)塊內(nèi)的像控點為基準(zhǔn)，進(jìn)行多視角光束法平差，使區(qū)塊糾正到像控坐標(biāo)系下，檢查不同區(qū)塊重疊區(qū)域中的相同像控點之間的殘差，以達(dá)到區(qū)塊之間的最佳吻合度。

3.2 并行處理

由于傾斜模型的重建數(shù)據(jù)量龐大，海量數(shù)據(jù)的解析運算會用到大量計算機資源，而再好的單臺計算機也無法勝過多臺計算機的集群運算能力，故而借助局域網(wǎng)內(nèi)多臺計算機設(shè)備進(jìn)行三維重建運算，可以節(jié)省大量時間。其邏輯架構(gòu)如圖4所示。ContextCapture軟件支持多臺設(shè)備集群運算，在最新一版的軟件中，增加了支持空三集群運算的功能，一定程度上縮短了空三運算的時間，特別是在大數(shù)據(jù)量的情況下，效果尤其明顯。

圖4 邏輯架構(gòu)圖

3.3 模型拼接

本文以解決大面積傾斜攝影的三維重建為目的，采用由整體到局部的解決思路，以劃分后的子測區(qū)作為空三單元，進(jìn)行空三平差、模型重建，并將分塊模型進(jìn)行拼接。首先在區(qū)塊劃分時，在相同重疊區(qū)域內(nèi)布設(shè)一定密度的控制點，其一方面增大區(qū)域網(wǎng)平差的魯棒性及精度；另一方面保證了不同區(qū)塊所對應(yīng)重疊區(qū)域的吻合度。在區(qū)塊模型提交前設(shè)置統(tǒng)一的坐標(biāo)原點，如圖5所示，這種方法減少了區(qū)塊模型之間的分層，提高了模型拼接的精度。

圖5設(shè)置統(tǒng)一原點坐標(biāo)

4 實驗結(jié)果及分析

4.1 模型重建加人工處理

在模型重建完成之后，會發(fā)現(xiàn)有部分模型存在漏洞、破損的情況，通常存在于牌匾、水域等位置。這些問題雖然不能對模型精度產(chǎn)生較大的影響，但是由于這些問題的存在會嚴(yán)重影響模型的視覺效果，因此需要加以人工處理之后，才能恢復(fù)原貌[4]。目前行業(yè)內(nèi)人工處理方法有多種，可以使用3ds Max，也可以使用一些逆向工程軟件，如Meshmixer。對于水域還可以使用kml約束進(jìn)行模型破洞的修補[8]。本項目采用3ds Max，對存在問題的部位進(jìn)行了修改。如圖6所示是幾處修改前后的對比圖。

圖6模型修整前后對比

4.2 精度統(tǒng)計

三維模型數(shù)據(jù)生產(chǎn)完成之后，為檢查成果的產(chǎn)品精度和質(zhì)量，在測區(qū)內(nèi)選取了一塊子測區(qū)進(jìn)行相關(guān)的精度檢測和評價工作。檢查方法主要是通過人機交互的方式，在成果數(shù)據(jù)上選取一定數(shù)量的點位坐標(biāo)，通過與 1∶500地形圖相應(yīng)位置坐標(biāo)的檢測，檢測模型平面位置點位精度情況。本次項目通過與該地區(qū)現(xiàn)有 1∶500地形圖進(jìn)行坐標(biāo)對比檢驗，結(jié)果表明模型點位精度符合 1∶500地形圖測圖標(biāo)準(zhǔn)。

選取子測區(qū)范圍約3.3 km2，子測區(qū)共布設(shè)像控點50個，在整個區(qū)塊范圍內(nèi)進(jìn)行均勻的檢測點位置選擇。檢測點位置都為房腳點和拐角點，選取模型中清晰可辨的點位置，對于有遮擋或變形較大的位置，則不進(jìn)行選取。共選取檢測點位143個，刪除14個大于2倍中誤差的粗差點后，其余133個檢測點的誤差統(tǒng)計分布見表1。經(jīng)計算，平面位置中誤差為 0.050 1 m。

平面檢測點誤差統(tǒng)計表 表1

4.3 質(zhì)量綜述

通過上述統(tǒng)計結(jié)果，可以得出模型的平面位置精度基本達(dá)到了1∶500地形圖對點位精度的要求，個別位置由于模型變形，誤差較大；測區(qū)中心位置模型精度較高，邊緣位置由于照片數(shù)量較少，模型變形較大，模型精度偏低。也不排除使用的地形圖本身在個別位置有較大誤差的可能。

5 結(jié) 語

隨著無人機技術(shù)的快速發(fā)展，傾斜攝影技術(shù)通過模型重建、三維模型制作逐漸融入測繪領(lǐng)域，并已經(jīng)成為三維模型生產(chǎn)的一種常規(guī)手段。測繪領(lǐng)域現(xiàn)如今已不滿足于僅僅使用傾斜攝影技術(shù)進(jìn)行三維數(shù)據(jù)制作，一些傳統(tǒng)的測量方式大有被傾斜攝影技術(shù)取代的可能[7]。特別是在大比例尺測圖方面，已經(jīng)有人走在了前列?？梢灶A(yù)見在不久的將來，無人機和傾斜攝影技術(shù)必將成為一種常規(guī)的測量手段。