城市三維模型在地形圖修測(cè)中的應(yīng)用

于再輝 王方雄

摘 ?要： 本研究采集了瓦房店航空攝影測(cè)量數(shù)據(jù)并應(yīng)用Smart3D制作其城市三維模型，使用清華山維（EPS）進(jìn)行地形圖修測(cè)。結(jié)果表明，在EPS軟件對(duì)區(qū)域進(jìn)行修測(cè)后部分地物發(fā)生改變，區(qū)域線劃圖發(fā)生巨大變化。

關(guān)鍵詞： 地物;建模;修測(cè);影像

中圖分類號(hào)： TP79 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ?DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.08.024

本文著錄格式：于再輝，王方雄. 城市三維模型在地形圖修測(cè)中的應(yīng)用[J]. 軟件，2019，40（8）：102104

【Abstract】： In this study， the aerial photogrammetry data of Wafangdian was collected and the 3D model of the city was made by Smart3D， and the topographic map was repaired using Tsinghua Shanwei （EPS）. The results show that some parts change after the EPS software repairs the area， and the regional line drawing changes greatly.

【Key words】： Terrain; Modeling; Repair; Image

0 ?引言

本研究是對(duì)遼寧省瓦房店市局部區(qū)域的三維模型對(duì)該地區(qū)的地形圖進(jìn)行更新。因此，在三維模型的建立過(guò)程中，航空攝影測(cè)量技術(shù)起著至關(guān)重要的作用，也是三維建模數(shù)據(jù)的主要來(lái)源。實(shí)景影像三維模型在可供快速直觀瀏覽現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景的同時(shí)，模型本身包含了真實(shí)的坐標(biāo)、高程等地理信息數(shù)據(jù)，且實(shí)景影像三維模型的下視效果好，并且依據(jù)不同的項(xiàng)目需求，模型的精度可靈活控制，從而提取出實(shí)景影像三維模型中的有效地理信息，形成一種新的立體測(cè)圖作業(yè)方法，將大大提高現(xiàn)有數(shù)據(jù)的利用價(jià)值，從而減少了原始數(shù)據(jù)的生產(chǎn)成本，提高了工作效率和生產(chǎn)效率[1]。

1 ?研究區(qū)域概況及資料準(zhǔn)備

1.1 ?測(cè)區(qū)情況簡(jiǎn)述

測(cè)區(qū)為遼寧省瓦房店市局部區(qū)域，該區(qū)域位于東經(jīng)122°，北緯39.62°。為溫帶季風(fēng)氣候;東北與西北方向地勢(shì)偏高且被大面積林地覆蓋;其他部分地勢(shì)較為平坦;測(cè)區(qū)西方向居民地較多，并有多大面積農(nóng)業(yè)用地主要以果園與玉米的種植為主;

1.2 ?已有測(cè)繪資料

以該地區(qū)1∶500比例尺DWG格式數(shù)據(jù)文件為例，兩側(cè)紫色邊線為需修測(cè)區(qū)域范圍線，如圖1所示。

2 ?航空攝影測(cè)量數(shù)據(jù)采集及模型制作

2.1 ?像控點(diǎn)數(shù)據(jù)采集

像控點(diǎn)參照起算點(diǎn)的點(diǎn)位中誤差應(yīng)小于±5 cm，并且高程中誤差不得大于±10 cm。當(dāng)測(cè)區(qū)范圍內(nèi)，可識(shí)別的地物稀少時(shí)，可以優(yōu)先選擇井蓋中心或者人工建筑物拐角點(diǎn)。若確實(shí)沒有可識(shí)別地物，采用噴漆做控制點(diǎn)時(shí)應(yīng)該在航拍前進(jìn)行，以提高辨識(shí)度。布標(biāo)的目標(biāo)尺寸不應(yīng)小于分辨率的15-20倍[2]。例如，分辨率為2厘米的影像，布標(biāo)尺寸應(yīng)為30-40厘米。

2.2 ?數(shù)據(jù)預(yù)處理

（1）原始影像下載以及預(yù)處理

使用全自動(dòng)地面數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)可將數(shù)據(jù)下載，下載數(shù)據(jù)完畢后可使用FANS對(duì)應(yīng)飛行日志進(jìn)行數(shù)據(jù)的檢查，主要用來(lái)檢查航線的完整性以及是否存在航攝漏洞、航攝影像上是否存在云、煙等遮蓋地物的相關(guān)問(wèn)題[3]。

（2）數(shù)據(jù)整理及加密區(qū)域劃分

依據(jù)航空攝影影像數(shù)據(jù)情況及影像數(shù)據(jù)地理位置分布情況，結(jié)合工作站和處理軟件的有效容納能力，合理的規(guī)劃測(cè)區(qū)，用以保證分區(qū)形狀規(guī)則，分區(qū)間的旁向有4條航線的重疊，并且航向有不少于8個(gè)基線重疊[4]。

2.3 ?技術(shù)指標(biāo)（以成果分辨率5 cm為例）

影像成圖分辨率優(yōu)于5 cm，三維模型分辨率優(yōu)于5 cm，達(dá)到此要求，航空攝影應(yīng)滿足如下具體指標(biāo)：

① 攝影地面分辨率GSD：確保正視角度的影像分辨率優(yōu)于5 cm。

② 重疊度：確保航向不低于70%，旁向不低于70%。

③ 航高保持：根據(jù)GSD算得航高，在飛行過(guò)程中保證整個(gè)測(cè)區(qū)內(nèi)相鄰航片高差不得超過(guò)20 m，測(cè)區(qū)內(nèi)分區(qū)之間高差不得超過(guò)航高的六分之一。當(dāng)測(cè)區(qū)地形起伏較大時(shí)，應(yīng)在航線設(shè)計(jì)中，采用分區(qū)域、分批次的飛法，以確保相片分辨率保持不變。

2.4 ?攝影范圍

我方在目標(biāo)區(qū)域上確定攝影范圍。攝影范圍的確定，應(yīng)將目標(biāo)區(qū)域的范圍線，轉(zhuǎn)換到作業(yè)需要的坐標(biāo)系上，然后以成圖邊界為界限，整體外擴(kuò)1倍的相對(duì)航高距離，以確保邊界建筑物外立面的完整性。

按現(xiàn)有資料完整性，攝影范圍的確定方法可分為影像圖對(duì)比或現(xiàn)場(chǎng)踏勘：

① 影像圖對(duì)比：利用已有影像圖作為參考，在圖上明確目標(biāo)地物位置，將影像圖作為底圖，導(dǎo)入目標(biāo)區(qū)域范圍線進(jìn)行攝影范圍確定。此種方法適用于目標(biāo)地區(qū)影像圖已有的情況，可明確飛行區(qū)域的地物地貌狀況，便于后期制定飛行計(jì)劃。

② 現(xiàn)場(chǎng)踏勘：若沒有測(cè)區(qū)的影像圖資料，應(yīng)采用現(xiàn)場(chǎng)踏勘的方式進(jìn)行攝影范圍的確認(rèn)，以明確飛行區(qū)域的整體狀況。

2.5 ?空中三角測(cè)量解算

數(shù)據(jù)預(yù)處理之后，進(jìn)行空中三角測(cè)量解算（空三解算），確定區(qū)域內(nèi)所有影像的外方位元素。采用Smart3D軟件進(jìn)行空三解算及后續(xù)的三維建模。

（1）空三解算

將包括像片數(shù)據(jù)和POS數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)導(dǎo)入后，直接進(jìn)行無(wú)像控點(diǎn)的空中三角測(cè)量解算，進(jìn)行內(nèi)符合。當(dāng)結(jié)果較好時(shí)，進(jìn)行下一步，添加像控點(diǎn);當(dāng)結(jié)果不好時(shí)，再進(jìn)行空三解算，直到結(jié)算結(jié)果具有較好的內(nèi)符合精度[5]。

（2）像控點(diǎn)添加

無(wú)像控點(diǎn)空三結(jié)果合格時(shí)，對(duì)照外業(yè)測(cè)量數(shù)據(jù)，進(jìn)行像控點(diǎn)的添加。在外業(yè)測(cè)繪的像控點(diǎn)中，按區(qū)域分塊抽取一定量的像控點(diǎn)作為檢核點(diǎn)，便于進(jìn)行空三結(jié)果檢驗(yàn)和模型檢驗(yàn)[6]。

（3）結(jié)果檢查

每一個(gè)測(cè)區(qū)解算完成時(shí)，都需要對(duì)解算結(jié)果進(jìn)行檢查，如果空三檢查不合格，需要針對(duì)不同的問(wèn)題進(jìn)行分別處理，調(diào)整相應(yīng)解算參數(shù)，確認(rèn)控制點(diǎn)刺點(diǎn)片及刺點(diǎn)位置正確等[7]。

2.6 ?影像三維模型制作

在三維軟件中將紋理貼圖賦予瓦塊模型，并替換保存;并將新生成的OBJ瓦塊模型作為約束條件導(dǎo)入至測(cè)區(qū)加密區(qū)中，提交重建任務(wù)，完成成果輸出。如圖2所示。

3 ?內(nèi)業(yè)修測(cè)編輯

3.1 ?模型加載

現(xiàn)將三維模型加載到清華山維軟件中，dsm， dom數(shù)據(jù)的導(dǎo)入后便可進(jìn)行地形圖的修測(cè)工作;其中修測(cè)主要包含水系，居民地，交通以及管線，地貌，植被土質(zhì)等大類[8]。

最終該區(qū)域dwg文件導(dǎo)入已加載完成的模型中，從而進(jìn)行整體修測(cè)工作。

3.2 ?各類地物的修測(cè)

居民地與建筑物要素（如圖3），交通要素大類（如圖4）。

4 ?修測(cè)結(jié)果

在EPS軟件中，對(duì)瓦房店市部分區(qū)域進(jìn)行修測(cè)后，由于房屋，道路，水系，植被等地物的改變，線劃圖前后發(fā)生巨大變化。主要因素為道路的重新修建，多處原始地物發(fā)生更改。最終將修測(cè)完成的dwg文件數(shù)據(jù)導(dǎo)出，導(dǎo)出后具體情況如圖5與6所示。

現(xiàn)根據(jù)修測(cè)前后兩dwg文件對(duì)比可看出，該地區(qū)發(fā)生巨大變化;由于新建高速，多出建筑物及植被地貌等有巨大改動(dòng)，西方向上多為農(nóng)業(yè)用地與林地，變化較小[9]。主要變化以東南方向?yàn)橹?，各類地物變化?shù)量如下表1所示。

實(shí)景影像三維模型有著良好的物理精度以及地表以上豐富的地理信息。對(duì)這些原始數(shù)據(jù)進(jìn)行充分有效利用必然是未來(lái)的發(fā)展方向所在[10]，并且在實(shí)景影像三維模型上立體測(cè)圖的作業(yè)方法更加直觀簡(jiǎn)便，不需要作業(yè)員借助沉重的立體眼鏡、腳踏盤等設(shè)備，減輕了作業(yè)員的負(fù)擔(dān)并且大大提高現(xiàn)有數(shù)據(jù)的利用價(jià)值，從而折減了原始數(shù)據(jù)的生產(chǎn)成本，提高了工作效率和生產(chǎn)效率。

參考文獻(xiàn)

[1] 曹琳. 基于無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的三維建模及其精度分析[D]. 西安科技大學(xué)， 2016.

[2] 李威， 李國(guó)柱. 基于傾斜攝影測(cè)量技術(shù)測(cè)繪地籍圖的可行性研究[J]. 軟件， 2018， 12： 181-186.

[3] 陳青靈， 王可可. 城市大比例尺圖像航測(cè)成圖關(guān)鍵技術(shù)探討[J]. 工程技術(shù)研究， 2017， 6[4].

[4] 孫杰， 謝文寒， 白瑞杰， 等. 無(wú)人機(jī)傾斜攝影三維建模方法研究[J]. 測(cè)繪科學(xué)， 2017.

[5] 劉尚武， 魏巍， 矯宇鵬. 三維模型的規(guī)格化表示與存儲(chǔ)方法研究[J]. 軟件， 2016， 37（4）： 29-31.

[6] 艾嘉豪， 朱大明. 無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量在三維建模中的應(yīng)用[J]. 軟件， 2018， 39（6）： 192-195.

[7] 王家杰. 無(wú)人機(jī)低空攝影測(cè)量系統(tǒng)研究[D]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)， 2016.

[8] 張畢祥. 基于傾斜攝影測(cè)量技術(shù)在大比例尺地形圖測(cè)繪中的研究[J]. 軟件， 2018， 39（7）： 146-151.

[9] 汪淼. “數(shù)字大連”基礎(chǔ)測(cè)繪數(shù)字線劃圖生產(chǎn)[J]. 地理空間信息， 2016.

[10] 張數(shù)， 楊德宏. 數(shù)字近景攝影測(cè)量的二維影像三維建模的關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用[J]. 軟件， 2018， 02： 133-138.