分析基于傾斜攝影測(cè)量的建筑物三維模型自動(dòng)紋理映射方法

趙云靜

摘 要：本文基于DLC與3Dmax共同生成的建筑物模型，聯(lián)合SWDC-5多角度傾斜影像，歷經(jīng)智能化選擇，編輯，映射等流程，自動(dòng)生成大范圍建筑體三維實(shí)景數(shù)字模型，并以實(shí)驗(yàn)研究為支撐，檢測(cè)該計(jì)算方法的可靠性，試驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)數(shù)字化程度偏高。

關(guān)鍵詞：傾斜攝影;紋理映射;SWDC-5;方法研究

文章編號(hào)：2095-4085（2020）05-0010-02

傾斜攝影測(cè)量是近些年發(fā)展起來(lái)的一種測(cè)繪遙感技術(shù)，能以此獲得場(chǎng)景的多角度影像，歷經(jīng)空中三角測(cè)量，紋理映射等過(guò)程，智能化形成規(guī)模較大的三角網(wǎng)模型，有精準(zhǔn)度高，紋理信息豐富及智能化水平高等優(yōu)勢(shì)。本文介紹了采用傾斜影像構(gòu)建三維城市模型自動(dòng)紋理映射的原理，對(duì)研究中的一些技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行闡述，以供同行參考。

1 模型面與成像面的匹配

航飛期間存在著航向，旁向重疊問(wèn)題，模型中同一面與數(shù)個(gè)影像內(nèi)的成像面對(duì)應(yīng)，各張影像的內(nèi)外方位元素存在差異，模型內(nèi)任何一點(diǎn)A（X，Y，Z）對(duì)應(yīng)的像坐標(biāo)依次是ai（xi，yi），故而在不同航片上建筑物側(cè)面的影像效果存在一定差異。以上關(guān)系可采用物點(diǎn)，投影中心與像點(diǎn)三點(diǎn)共線(xiàn)的基本關(guān)系式表示，結(jié)合如上原理即可知各張航片持有的方位元素相關(guān)性，就可以確定各張影像的姿態(tài)信息，此時(shí)就可以建筑體側(cè)面各頂點(diǎn)組成的平面為基礎(chǔ)，以中心投影的構(gòu)像方程為支撐，測(cè)得和各模型面相對(duì)應(yīng)的像點(diǎn)坐標(biāo)，隨即就能探尋出三維模型內(nèi)各側(cè)面相應(yīng)的二維成像面[1]。

2 自動(dòng)獲取大規(guī)模建筑紋理

2.1 解除遮擋面問(wèn)題

密集型是現(xiàn)代建筑體的典型特征，這也是航空拍攝建筑物側(cè)面形成的映像存在遮擋關(guān)系的主要原因之一，在采集紋理時(shí)，該類(lèi)紋理被看成是錯(cuò)誤紋理，其影響著觀(guān)測(cè)到的建筑體自身紋理的真實(shí)度。故而，解除遮擋面的紋理是獲取紋理的首要步驟，應(yīng)以航空攝像時(shí)航拍的空間關(guān)系去判斷遮擋關(guān)系。

比如，某住宅小區(qū)1，2棟建筑體距離偏近，該區(qū)域地面類(lèi)似于一個(gè)水平面，第1棟建筑體的側(cè)面ABCD于地面某一高層面的投影均是線(xiàn)段CD，銜接線(xiàn)段SA，SB并拓展至較地面高層面依次是A1，B1，則地面上CDA1B1即為第1棟建筑體形成的遮擋范疇[2]。

2.2 檢索最佳航片及自動(dòng)糾正紋理

因影像成像的內(nèi)外方位元素存在差異性，以致模型紋理匹配期間存有一對(duì)多的選取問(wèn)題沒(méi)選擇適宜的紋理，是建模期間需重點(diǎn)分析的問(wèn)題。先從視角層面上分析，結(jié)合觀(guān)測(cè)角的判斷結(jié)果，和面拍攝影像成角90°，能獲得最大的成像面積，所呈現(xiàn)出的紋理信息最為豐富，可將其作為最適宜的紋理信息。結(jié)合建筑體側(cè)面各頂點(diǎn)測(cè)算出的像點(diǎn)坐標(biāo)，把其銜接成多邊形，進(jìn)而能測(cè)算出多邊形的面積（Si），篩選出（Simax），就能檢索出最佳航片（Pi）。

航空影像或衛(wèi)星影像能直觀(guān)的呈現(xiàn)出豐富的景物信息，當(dāng)下在數(shù)字化成像領(lǐng)域中有較廣泛應(yīng)用。但以上影像的形成并不是簡(jiǎn)單式垂直投影，這是造成影像存在多種幾何變形的主要原因之一。三維模型為具備現(xiàn)實(shí)的紋理信息，不僅保證地理位置的精確性，也涵蓋了多種信息的正射影像。故而，在對(duì)三維模型貼圖前，應(yīng)先把中心投影的影像轉(zhuǎn)型為正射投影影像，此時(shí)就引入了數(shù)字微分糾正這一概念，結(jié)合區(qū)域DEM數(shù)據(jù)與影像的內(nèi)外方位元素，采用投影的構(gòu)像方程式，或以一定的數(shù)字模型為支撐用控制點(diǎn)測(cè)算，最后轉(zhuǎn)化成正射投影影像。

2.3 編輯側(cè)面紋理

自動(dòng)構(gòu)建的三維模型建筑紋理與傾斜航片間存在一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，在多種中間誤差的作用下，可能會(huì)造成模型面映射于航片上出現(xiàn)偏移等多種改變，主要的影響因素有，（1）傾斜航片外方位元素的精確度。（2）三維模型的精確度與精細(xì)度。

歷經(jīng)人工編輯處理后獲得的建筑體側(cè)面紋理，因影像的角點(diǎn)被人工強(qiáng)制性拉伸，以致相片形體出現(xiàn)不同程度改變。故而，一定要對(duì)影像實(shí)施糾正處理，以二次多項(xiàng)式模型為支撐，有益于解除以上形變，促使相片能歸化至預(yù)定的比例，這樣方能獲得成像逼真的場(chǎng)景數(shù)據(jù)。

2.4 紋理映射

Catmull是紋理映射的首位提出者，在對(duì)航片實(shí)施系列化處理后獲得的紋理圖像，把中心投影構(gòu)像方程設(shè)為映射關(guān)系，對(duì)紋理圖像與三維模型兩者實(shí)施配準(zhǔn)，貼圖過(guò)程。紋理空間至模型空間的過(guò)程等同于讀取紋理對(duì)應(yīng)像素的過(guò)程，進(jìn)而達(dá)成紋理映射目標(biāo)。對(duì)航片實(shí)施預(yù)處理后，還需應(yīng)對(duì)如下兩個(gè)問(wèn)題。（1）在獲取航片紋理后，隨即要對(duì)紋理實(shí)施區(qū)域性裁剪，等同于讀寫(xiě)像素。在對(duì)區(qū)域進(jìn)行批量性裁剪環(huán)節(jié)中，還需考慮到自動(dòng)調(diào)整文件名的問(wèn)題，進(jìn)而規(guī)劃出能自動(dòng)清除已形成的文件名，為后續(xù)裁剪工作的開(kāi)展創(chuàng)造便利條件。（2）逐一對(duì)單一建筑體面的紋理映射操作在提高建筑建模效率方面并沒(méi)有體現(xiàn)出良好效能，故而應(yīng)考慮設(shè)計(jì)出一種以某區(qū)域紋理為基礎(chǔ)的智能映射流程?？梢栽谀骋粎^(qū)段中規(guī)劃出某一水平或垂直掃描線(xiàn)，若確定某個(gè)建筑體坐落在掃描線(xiàn)上，測(cè)算與該實(shí)物各側(cè)面相對(duì)應(yīng)的航片紋理，就能實(shí)現(xiàn)紋理映射，并利用布爾型變量判斷該模型是否真正歷經(jīng)了映射過(guò)程。

3 實(shí)驗(yàn)和結(jié)果分析

本實(shí)驗(yàn)研究中利用SWDC-5搭載運(yùn)-5飛機(jī)獲得影像，用DLC與3Dmax生成建筑物模型，區(qū)域中建筑體樣式，分布均勻，可以用作三維模型紋理映射實(shí)驗(yàn)研究。

已知本實(shí)驗(yàn)區(qū)域大概有310個(gè)建筑物模型，采用該軟件進(jìn)行紋理映射進(jìn)行統(tǒng)計(jì)歷時(shí)145min，一個(gè)模型從選擇紋理，編輯紋理至紋理映射大概需要30s，用于實(shí)踐活動(dòng)中有益于提升三維建模效率，并且使用航空攝影形式取得建筑體側(cè)面紋理數(shù)據(jù)信息，有益于壓縮運(yùn)營(yíng)成本。

4 結(jié) 語(yǔ)

結(jié)合本文研究過(guò)程及結(jié)果，認(rèn)為所設(shè)計(jì)的方法能較好的滿(mǎn)足自動(dòng)紋理映射空間分析的現(xiàn)實(shí)需求。但實(shí)踐中，可能會(huì)因?yàn)榻ㄖ镞^(guò)于密集化或區(qū)域邊緣時(shí)，取得的紋理影像存在較大遮擋且消除難度較大，增加錯(cuò)誤紋理出現(xiàn)的概率。另外因?yàn)楹脚慕嵌鹊南拗?，可能拍攝建筑物時(shí)出現(xiàn)死角。面對(duì)以上情況，應(yīng)對(duì)系統(tǒng)做出適度的人工干預(yù)，這是后續(xù)研究的重要方向之一。參考文獻(xiàn)：

[1]徐慶賀，王珉，陳文亮，等.面向壁板變形預(yù)測(cè)的局部位移場(chǎng)分層映射方法[J].中國(guó)機(jī)械工程，2019，30（23）：2870-2876，2883.

[2]李煜東.無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)在大型水利橋閘除險(xiǎn)加固工程中的應(yīng)用[J].水利規(guī)劃與設(shè)計(jì)，2019，17（11）：133-136.