基于航空攝影測(cè)量的數(shù)字城市快速三維建模技術(shù)研究

王娟娟

摘 ? 要：本文以北京某開發(fā)區(qū)三維建模為工程背景，探討了基于航空攝影技術(shù)的數(shù)字城市快速三維建模方法，本文首先分析了三維建模技術(shù)的原理和特點(diǎn)，進(jìn)而分析了三維建模技術(shù)的生產(chǎn)流程，在此基礎(chǔ)上，本文結(jié)合具體工程實(shí)例，探討了DEM、DOM、TDOM制作方法和三維建模方法，結(jié)果證明本項(xiàng)目獲取成果完全滿足城市三維建模精度的要求，制作的城市實(shí)景三維模型紋理清晰自然、精確度高，符合人眼視覺感受，能客觀反映現(xiàn)實(shí)世界。

關(guān)鍵詞：航空攝影測(cè)量 ?數(shù)字城市 ?三維建模 ?DEM ?DOM ?TDOM

中圖分類號(hào)：P231 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-098X（2019）08（a）-0001-02

當(dāng)前，三維數(shù)字城市的研究與實(shí)踐已經(jīng)十分廣泛，國(guó)內(nèi)各大中小城市都基于自身應(yīng)用需求開展了城市級(jí)三維模型建設(shè)，并在相關(guān)領(lǐng)域開展了應(yīng)用，這些成果不同程度地促進(jìn)了城市規(guī)劃、建設(shè)和管理水平的提高，并推動(dòng)了國(guó)內(nèi)三維數(shù)字城市建設(shè)的熱潮。

在三維數(shù)字城市制作中，建模的主體包括三大部分：地面模型、建筑物模型、地物要素模型，其中三維重建建筑物模型是最主要的工作。根據(jù)建模采用的技術(shù)手段和表現(xiàn)方式的不同，建模方法又分為三大類：模擬建模、半模擬建模和測(cè)量建模。目前，大區(qū)域三維數(shù)字城市模型生產(chǎn)一般采用測(cè)量建模的方法，而航空影像是建筑物三維重建的主要數(shù)據(jù)源，它是三維城市數(shù)據(jù)獲取最經(jīng)濟(jì)快捷的方法之一，其生產(chǎn)技術(shù)方案主要是通過航空攝影測(cè)量來實(shí)現(xiàn)。

1 ?航空攝影測(cè)量三維建模技術(shù)簡(jiǎn)述

1.1 航空攝影測(cè)量三維建模技術(shù)原理和特點(diǎn)

航空攝影測(cè)量是通過飛行器攜帶航攝相機(jī)對(duì)地面連續(xù)攝取具有一定重疊度的像片，結(jié)合像控測(cè)量、調(diào)繪以及立體測(cè)圖等步驟，為三維建模工作提供以下重要數(shù)據(jù)：建筑物三維重建模型（DLG）、數(shù)字高程模型（DEM）、數(shù)字正射影像（DOM）、數(shù)字真正射影像圖（TDOM）。這些數(shù)據(jù)經(jīng)過專業(yè)軟件處理加工，就能得到建筑物三維模型的位置、形狀和高度信息，并能快速重建三維場(chǎng)景中的地形數(shù)據(jù)，再加以正射影像屋頂信息提取和外業(yè)建筑物紋理采集即可構(gòu)建三維建筑模型。其相比其他的建模方法具有以下優(yōu)勢(shì)：

（1）航空攝影測(cè)量已有100多年的發(fā)展歷史，在三維建模方面的應(yīng)用也有10多年的時(shí)間，技術(shù)思路成熟，可使用的軟件和工具較多，可完全自動(dòng)化操作。

（2）航空影像的數(shù)據(jù)源種類比較多，能快速獲取地形和建筑物的空間幾何和高程數(shù)據(jù)，精度可以達(dá)到厘米級(jí)別，能同時(shí)解決三維模型的紋理問題，且三維場(chǎng)景真實(shí)，工作人員容易轉(zhuǎn)變角色，從攝影測(cè)量過渡為三維建模。

（3）可以購買現(xiàn)成的航測(cè)資料，實(shí)現(xiàn)較為容易，成本相對(duì)較低，可應(yīng)用于大區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)采集，且影像數(shù)據(jù)較容易更新，可為數(shù)字城市甚至數(shù)字地球提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)框架。

1.2 航空攝影測(cè)量三維建模技術(shù)生產(chǎn)流程

航空攝影測(cè)量三維建模技術(shù)生產(chǎn)流程如圖1所示。

2 ?項(xiàng)目實(shí)例

2.1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

北京某精細(xì)三維數(shù)字城市模型建設(shè)項(xiàng)目主要采用航空攝影測(cè)量得到航空影像，在適普VirtuoZo全數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)下生產(chǎn)數(shù)字高程模型DEM、數(shù)字正射影像圖DOM、真正射影像圖TDOM，采集城市建筑物的幾何高程矢量數(shù)據(jù)，利用計(jì)算機(jī)圖像自動(dòng)識(shí)別技術(shù)創(chuàng)建三維基礎(chǔ)模型，結(jié)合外業(yè)采集照片進(jìn)行人工貼圖的仿真建模方法制作建筑物三維數(shù)據(jù)產(chǎn)品，再疊加DEM、TDOM、建筑物三維模型創(chuàng)建數(shù)字城市三維場(chǎng)景。

2.2 航空攝影測(cè)量

本次航空攝影測(cè)量采用北京四維遠(yuǎn)見信息技術(shù)有限公司生產(chǎn)的SWDC全數(shù)字航攝儀，航攝得到地面分辨率為0.06m、航攝比例尺為1：5000的影像資料，在適普VirtuoZo全數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)下進(jìn)行空三計(jì)算，求得加密控制點(diǎn)的坐標(biāo)，同時(shí)得到外方位元素，為制作數(shù)字線劃圖產(chǎn)品和正射影像產(chǎn)品提供所需的立體模型定向參數(shù)。

2.2.1 數(shù)字高程模型DEM制作

根據(jù)空三加密后的數(shù)據(jù)，在適普VirtuoZo全數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)下定向創(chuàng)建立體模型，制作時(shí)，使用VirtuoZo的IGS（Interactive Graphics System 交互式數(shù)字影像測(cè)圖系統(tǒng)） 測(cè)圖模塊采集特征線，檢查相對(duì)定向、絕對(duì)定向精度，自動(dòng)生成5m格網(wǎng)的DEM文件。編輯DEM矩形格網(wǎng)點(diǎn)的要求所有的點(diǎn)必須嚴(yán)格按照精度要求進(jìn)行，每一個(gè)點(diǎn)都要嚴(yán)格落到地面上，DEM接邊檢查與處理通過直接查看DEM立體格網(wǎng)點(diǎn)是否緊帖在影像立體模型上，再針對(duì)單個(gè)格網(wǎng)點(diǎn)高程進(jìn)行精確調(diào)整，最后導(dǎo)出DEM文件并進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換。

2.2.2 數(shù)字正射影像圖DOM 制作

根據(jù)空中三角測(cè)量結(jié)果和接邊處理后的DEM，采用適普VirtuoZo全數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)，逐像元進(jìn)行投影差改正，糾正后的航片再經(jīng)過勻色、勻光、調(diào)整編輯拼接線并鑲嵌影像，最后按一定圖幅范圍進(jìn)行裁切生成DOM。

2.2.3 真正射影像圖TDOM制作

三維建模區(qū)背景圖是數(shù)字正射影像（DOM）產(chǎn)品的一種真正射影像（TDOM），TDOM是所有物體的傾斜均被糾正的一種鑲嵌影像，影像上每點(diǎn)都是完全垂直視角，保證所有建筑物無投影差。本項(xiàng)目利用適普VirtuoZo全數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)，在立體環(huán)境下采集建筑物屋頂矢量數(shù)據(jù)，利用此數(shù)據(jù)對(duì)正射影像數(shù)據(jù)進(jìn)行再次精糾正，以消除建筑物的投影差。在正射糾正過程中通過選取地面點(diǎn)在影像上的最佳像素進(jìn)行灰度重采樣，同時(shí)對(duì)陰影進(jìn)行處理和影像勻光，以像素為單位組合生成真正射影像，并根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)分幅進(jìn)行裁切。

2.3 三維建模

2.3.1 基礎(chǔ)模型制作

利用空三加密后的數(shù)據(jù)，在適普航測(cè)法建模技術(shù)（DiBud）的立體環(huán)境下采集建筑物幾何特征信息，結(jié)合DEM將建筑物矢量數(shù)據(jù)自動(dòng)生成建筑物三維基礎(chǔ)模型。

2.3.2 模型屋頂貼圖

結(jié)合生成的基礎(chǔ)模型數(shù)據(jù)與調(diào)色后的原始影像數(shù)據(jù)，進(jìn)行相對(duì)定向后，對(duì)建筑模型頂部紋理信息進(jìn)行準(zhǔn)確裁切，并自動(dòng)提取，可直接附著在建筑物三維模型數(shù)據(jù)上。

2.3.3 外業(yè)紋理采集

參照《數(shù)字城市3D模型物體外立面紋理采集規(guī)范》，利用高像素?cái)?shù)碼相機(jī)采集建筑物外立面紋理信息。拍攝時(shí)，根據(jù)照片貼圖的要求對(duì)測(cè)區(qū)范圍內(nèi)所有建筑物立面特征進(jìn)行分塊采集，并保證相鄰建筑物的紋理接邊，采取先整體后局部的拍攝順序，對(duì)特征建筑物以及建筑物的局部特征細(xì)節(jié)均要給出特寫，每一建筑物都要有對(duì)應(yīng)的拍照記錄，具體的記錄方式按照設(shè)計(jì)要求做出數(shù)據(jù)標(biāo)記，要求標(biāo)記清晰、分區(qū)清楚詳細(xì)。

2.3.4 三維場(chǎng)景整合

采用適普Stamp三維GIS平臺(tái)應(yīng)用軟件，對(duì)DOM、DEM、模型、精細(xì)場(chǎng)景等進(jìn)行優(yōu)化、發(fā)布，最后整合生成數(shù)字城市三維場(chǎng)景。

2.4 成果應(yīng)用

該項(xiàng)目采用航空攝影測(cè)量三維建模技術(shù)，最終完成了開發(fā)區(qū)內(nèi)10km2的精細(xì)三維數(shù)字城市模型建設(shè)，順利通過該市國(guó)土資源局的驗(yàn)收，并一致評(píng)定：本項(xiàng)目獲取成果完全滿足城市三維建模精度的要求，制作的城市實(shí)景三維模型紋理清晰自然、精確度高，符合人眼視覺感受，能客觀反映現(xiàn)實(shí)世界。該項(xiàng)目的建成將有效推動(dòng)國(guó)土資源、智慧社區(qū)、公安消防等三維數(shù)字城市的示范應(yīng)用，成為政府科學(xué)決策、高效管理和宏觀調(diào)控城市建設(shè)發(fā)展的重要手段。

3 ?結(jié)語

航空攝影測(cè)量三維建模技術(shù)為數(shù)字城市建設(shè)快速獲取三維模型提供了可靠的方法和技術(shù)手段。隨著數(shù)字城市建設(shè)的不斷發(fā)展和智慧城市建設(shè)的不斷深入，以及我國(guó)城鎮(zhèn)化建設(shè)的不斷加快，三維城市模型數(shù)據(jù)的現(xiàn)勢(shì)性成為決定其可用性的關(guān)鍵因素，因此，航空攝影測(cè)量快速三維建模技術(shù)的作用將更加突出。

在航空攝影測(cè)量三維建模中，由于航空攝影測(cè)量本身的特點(diǎn)和局限性，使得地物特別是高層建筑物的遮擋現(xiàn)象比較嚴(yán)重，建筑物的側(cè)面紋理和三維坐標(biāo)信息提取受到影像制約，隨著地基立面三維測(cè)量技術(shù)（一種能快速獲取立面三維信息的技術(shù)）的發(fā)展成熟，結(jié)合當(dāng)前流行的無人機(jī)航空攝影測(cè)量，可以更加快速地獲取小區(qū)域和應(yīng)急三維立體模型，為數(shù)字城市的快速發(fā)展開辟了一條新的途徑。

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