傾斜攝影測(cè)量三維重建在城市規(guī)劃管理中的應(yīng)用

張 奇 徐 斌 張 冬 徐以泱

（1.揚(yáng)州市邗江測(cè)量服務(wù)所，江蘇揚(yáng)州 225000；2.揚(yáng)州市自然資源和規(guī)劃局邗江分局，江蘇揚(yáng)州 225000）

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)及傳感器的不斷發(fā)展，城市的數(shù)字化表達(dá)由二維逐漸過渡到三維，城市發(fā)展和建設(shè)逐漸趨于規(guī)?；土Ⅲw化。與二維數(shù)據(jù)相比，三維數(shù)據(jù)具有信息量豐富、感官真實(shí)等優(yōu)勢(shì)，使得動(dòng)態(tài)交互的方式成為可能，在城市規(guī)劃建設(shè)、應(yīng)急管理等方面意義重大，如何建立高效、準(zhǔn)確的城市數(shù)字三維模型是一個(gè)重要的研究方向。

傳統(tǒng)的手工建模方式需要大量的人力參與且獲取的數(shù)據(jù)受到儀器安放位置的限制，難以對(duì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的場(chǎng)景精確建模，同時(shí)成本高且效率低下。三維激光掃描技術(shù)的引入有效改善了手工方式的不足，精度和準(zhǔn)確性大幅度提高，但掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)冗余量大，處理效率較低，算法復(fù)雜，同時(shí)激光掃描設(shè)備價(jià)格昂貴，不適用于大范圍城市三維數(shù)據(jù)的獲取。傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的發(fā)展解決了以上方法的不足，具有人工干預(yù)少、范圍廣、紋理影像真實(shí)度高等優(yōu)勢(shì)，能夠快速、高效、準(zhǔn)確地獲取城市三維立體模型，是城市規(guī)劃管理中不可或缺的重要技術(shù)手段。

1 傾斜攝影測(cè)量三維重建

1.1 傾斜攝影測(cè)量

傳統(tǒng)攝影測(cè)量主要采取測(cè)量地形地物頂部的方式來獲取地面高程信息和地物地貌信息，對(duì)有明顯輪廓的地形地物具有較好的測(cè)量效果[1]。但傳統(tǒng)的攝影測(cè)量無法獲取目標(biāo)的立面紋理信息，在地形起伏較大的地區(qū)難以獲取地物的立體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，在建筑物密集區(qū)存在遮掩等限制。近年來，隨著傳感器的更新?lián)Q代及相關(guān)理論技術(shù)的發(fā)展，航空攝影測(cè)量從僅搭載垂直相機(jī)轉(zhuǎn)變?yōu)榇钶d垂直相機(jī)和多個(gè)傾斜相機(jī)的組合，傾斜相機(jī)能夠獲取地物的側(cè)面紋理，簡(jiǎn)化了影像解譯，降低了三維重建的成本，提高了三維重建的效率和效果[2]。

隨著傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的快速發(fā)展，其低成本、高分辨率、受天氣影響小等特點(diǎn)使其成為三維重建中重要的數(shù)據(jù)獲取方式，傾斜攝影測(cè)量技術(shù)應(yīng)用于城市三維建模具備測(cè)繪級(jí)精度且具有高真實(shí)感，能夠快速實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化建模工作，在城市規(guī)劃建設(shè)等眾多領(lǐng)域具有十分廣泛的應(yīng)用。

1.2 三維重建

三維重建是指對(duì)某些三維物體或者三維場(chǎng)景的恢復(fù)重構(gòu)，基于一個(gè)視圖或者多個(gè)視圖所獲得的物體圖像實(shí)現(xiàn)三維重建。單視圖信息單一，三維重建需要非常復(fù)雜的算法和過程，基于單幅圖像三維重建最廣泛和最實(shí)用的方法，利用幾何投影的原理進(jìn)行重建，即利用圖像的幾何約束進(jìn)行相機(jī)的參數(shù)估算，然后通過測(cè)量目標(biāo)的幾何形狀或計(jì)算高度估算必需的深度信息，最后通過幾何投影數(shù)字化三維模型，步驟煩瑣且誤差較大。多視圖的方式模仿人類觀察世界的方式，增加了信息量，尤其是立面紋理信息，故三維重建的實(shí)現(xiàn)相比之下較為輕松。

2 傾斜攝影測(cè)量關(guān)鍵技術(shù)

2.1 傾斜影像匹配

三維建模中傾斜影像的匹配有兩種，一種是用于定向的稀疏匹配，另一種是用于三維重建的稠密匹配。

稀疏匹配要求匹配點(diǎn)分布均勻、誤匹配少，如何提高匹配精度是重要的研究方向。以無人機(jī)、飛艇等搭載平臺(tái)進(jìn)行傾斜攝影測(cè)量因平臺(tái)輕、氣流不穩(wěn)定等原因會(huì)造成姿態(tài)信息不穩(wěn)定，在復(fù)雜地形下影像的幾何變形尤為突出且地物尺度變化大。為獲取影像的同名點(diǎn)，傳統(tǒng)的方式使用現(xiàn)成的特征匹配算法如SIFT算法等，沒有考慮大傾斜視角變化引起的尺度不一致問題，固定窗口獲取的特征描述無法反映真實(shí)的地物信息，容易造成誤匹配且精度不高。為解決此問題，提出了多種算法。姚國標(biāo)等[2-3]基于最大穩(wěn)定極值區(qū)域提出一種融合互補(bǔ)仿射不變特征的傾斜影像高精度匹配方法，地面近景傾斜立體影像和無人機(jī)傾斜立體影像試驗(yàn)結(jié)果良好。

近年來，隨著計(jì)算機(jī)硬件設(shè)備的發(fā)展，極大支持了深層次神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建，深度學(xué)習(xí)在二維圖像領(lǐng)域的應(yīng)用已取得巨大成功[4]。深層次語義特征可以通過卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提取，打破了人工設(shè)計(jì)特征的局限性，可獲得極高的匹配精度。南軻等[5]為實(shí)現(xiàn)多模態(tài)遙感影像間的高精度匹配，基于Siamese網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行特征完整性保留的改進(jìn)，取消池化層的特征表達(dá)來保留所有抽象語義特征，多組試驗(yàn)結(jié)果均取得了95%以上的匹配正確率。安譜陽等[6]通過建立金字塔多尺度空間構(gòu)建了基于Siamese深度網(wǎng)絡(luò)的多尺度影像匹配模型，結(jié)合粗差點(diǎn)剔除和由粗到精的匹配策略實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)間隔多時(shí)相衛(wèi)星遙感影像的高精度匹配。

2.2 多視影像區(qū)域網(wǎng)平差

多視傾斜影像進(jìn)行聯(lián)合平差時(shí)需要考慮由視角變化引起的幾何變形和地物遮擋問題，先通過影像匹配算法找到傾斜影像的初始特征點(diǎn)，再利用最小二乘、相似性測(cè)度、核線約束等約束條件匹配特征點(diǎn)，最后進(jìn)行光束發(fā)區(qū)域聯(lián)合平差。目前傾斜航攝系統(tǒng)一般配備POS系統(tǒng)用來獲取姿態(tài)的多相機(jī)系統(tǒng)，區(qū)域網(wǎng)平差有三種方式：

（1）無約束聯(lián)合定向法：每幅影像使用獨(dú)立的外方位元素，同一相機(jī)拍攝的影像使用共同的內(nèi)方位元素。這種方法未知數(shù)較多，計(jì)算量較大。

（2）附加相對(duì)約束定向法：同一攝站的多個(gè)相機(jī)整體作為一個(gè)單元進(jìn)行平差，相機(jī)之間的相互關(guān)系作為約束信息加入光束法平差中。這類方法的優(yōu)勢(shì)在于降低了未知數(shù)的數(shù)量且網(wǎng)型更加穩(wěn)定。

（3）直接定向法：空三解算出下視影像的方位元素，利用已檢校過的傾斜相機(jī)與下視相機(jī)之間的旋轉(zhuǎn)平移參數(shù)解算出傾斜影像的方位元素。這種方式最為簡(jiǎn)單，但精度較低，沒有充分利用多傳感器的信息。根據(jù)這些平差方法的特點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中一般采取組合的方式以達(dá)到更好的效果。

3 三維重建關(guān)鍵技術(shù)

3.1 點(diǎn)云三維構(gòu)網(wǎng)

點(diǎn)云三維構(gòu)網(wǎng)即構(gòu)建三維白模型，是紋理映射的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。點(diǎn)云三維構(gòu)網(wǎng)的方法主要有兩種，一種是基于幾何的重建，即從點(diǎn)云數(shù)據(jù)中提取具有幾何意義的特征表達(dá)，如特征線、特征面、幾何實(shí)體等，這種方法沒有充分利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)，獲取的物體表面模型較為粗糙。另一種方式針對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的坐標(biāo)點(diǎn)直接或間接構(gòu)建多邊形網(wǎng)格模型近似物體表面，充分利用了點(diǎn)云數(shù)據(jù)，可獲取高質(zhì)量的物體表面模型，是應(yīng)用廣泛的重建方法。該方法的研究重點(diǎn)在于三角格網(wǎng)的構(gòu)建和隱式函數(shù)的構(gòu)建。網(wǎng)格的模型定義為一個(gè)二元組(K,V)，其中K表示網(wǎng)格的連接拓?fù)湫畔?，如網(wǎng)格頂點(diǎn)、邊、面等鄰接信息，V={v1,v2,…,vn}表示頂點(diǎn)的集合，確定了網(wǎng)格在空間中的幾何形狀和位置。

比較著名的基于泊松方程表面重構(gòu)法對(duì)點(diǎn)云的密度和噪聲具有較好的魯棒性，但獲得的三角網(wǎng)過于平滑，對(duì)地物結(jié)構(gòu)邊緣無法保留，而城市中存在大量建筑物和人工結(jié)構(gòu)，邊緣特征非常明顯，故不適用于城市地區(qū)。

基于Delaunay的三角網(wǎng)構(gòu)建方法則具有較強(qiáng)的適用性。Delaunay三角格網(wǎng)是由連接Voronoi圖中具有公共邊相鄰多邊形的中心形成的格網(wǎng)，具有空外接圓特性，即任何一個(gè)三角形的外接圓均不包含其他數(shù)據(jù)點(diǎn)，最小角之和最大特性是在所有形成的三角格網(wǎng)中，Delaunay三角網(wǎng)中的所有三角形的最小角之和是最大的。

這兩個(gè)特性是建立Delaunay三角格網(wǎng)的算法依據(jù)，可以有效保證格網(wǎng)中的三角形是接近等角或等邊的三角形。根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的密度及計(jì)算復(fù)雜度等因素又可將Delaunay構(gòu)網(wǎng)分為三類。分治法即遞歸等分點(diǎn)云后對(duì)子集點(diǎn)云構(gòu)網(wǎng)，再逐級(jí)合并子三角網(wǎng)，消耗內(nèi)存較大，效率較低。

增量插值構(gòu)網(wǎng)法即將所有點(diǎn)云標(biāo)記為一個(gè)超三角形的頂點(diǎn)，遍歷所有點(diǎn)通過不斷引入新的點(diǎn)找出包含該點(diǎn)的三角形構(gòu)建格網(wǎng)，最后再剔除含有一定數(shù)量頂點(diǎn)的超三角形。該方法具有較好的穩(wěn)健性且內(nèi)存消耗少，但時(shí)間效率較低。三角增長(zhǎng)法即通過隨機(jī)選取種子點(diǎn)，建立鄰域點(diǎn)的定向基線，依據(jù)Delaunay準(zhǔn)則生成三角網(wǎng)，效率較低。

鄭順義等[7]將三維空間的構(gòu)網(wǎng)轉(zhuǎn)換為二維平面的三角構(gòu)網(wǎng)，采用人工選取范圍、種子點(diǎn)的方式實(shí)現(xiàn)了Delaunay三角網(wǎng)構(gòu)建的無縫拼接?；贒elaunay三角增長(zhǎng)法引入邊、角等約束條件，在保證細(xì)節(jié)的前提下滿足了精度要求。

3.2 點(diǎn)云紋理映射

三維網(wǎng)格模型無法表達(dá)真實(shí)地物，缺乏可辨識(shí)性，紋理映射指將紋理影像構(gòu)成的紋理空間和表面參數(shù)構(gòu)成的三維模型空間意義對(duì)應(yīng)的映射，即將紋理映射到三維網(wǎng)格模型上以增強(qiáng)模型的識(shí)別程度，同時(shí)還可以有效覆蓋模型自身存在的小缺陷。

紋理映射處理過程中主要解決兩個(gè)問題：一是配準(zhǔn)問題，即最佳相片的選擇，一般采用某種衡量指標(biāo)來進(jìn)行選擇，如周曉敏等[8]采用模型表面的每個(gè)三角形面片的法線方程與二維圖像之間的角度關(guān)系衡量合適的相片，夾角越小則紋理質(zhì)量越高。

目前廣泛應(yīng)用的是對(duì)于每一個(gè)需要進(jìn)行映射紋理的面片，根據(jù)具體情況采用某種衡量指標(biāo)為每一相片計(jì)算一個(gè)得分，將得分最高的相片作為紋理候選片。另一個(gè)問題是色彩過渡問題，一般采用不需要大范圍重疊區(qū)域且效果較好的標(biāo)準(zhǔn)泊松融合方法。魏凌飛等[9]利用共線關(guān)系匹配空間點(diǎn)并對(duì)傾斜影像進(jìn)行重采樣，提出一種航片-模型自動(dòng)紋理映射方法，簡(jiǎn)單高效且適用于大范圍三維模型紋理重建。

4 三維模型在城市規(guī)劃管理中的應(yīng)用

傾斜攝影測(cè)量三維重建可快速建立真實(shí)、可量測(cè)且紋理清晰的三維城市模型，為城市規(guī)劃工作提供了良好的數(shù)據(jù)支持。具體應(yīng)用主要集中在以下幾個(gè)方面：

（1）城市風(fēng)貌展示及古建筑保護(hù)。

三維城市模型可真實(shí)、詳細(xì)地展示地理風(fēng)貌，打破了傳統(tǒng)方式中類似挑選具有代表性的場(chǎng)景并配以解說這些不直觀的展示手段，為規(guī)劃管理人員、旅游服務(wù)業(yè)及房地產(chǎn)開發(fā)業(yè)等帶來了便捷。我國歷史悠久，文化底蘊(yùn)深厚，古建筑保護(hù)工作對(duì)延續(xù)城市歷史風(fēng)貌意義重大，三維城市模型對(duì)古建筑物日常保養(yǎng)、修繕甚至毀后重建可以提供精確的數(shù)字資料。

（2）城市交通設(shè)計(jì)。

三維城市模型打破了以往二維交通圖的限制，對(duì)于城市交通路線規(guī)劃意義重大，如一些大型城市人口數(shù)量多，交通流量大，存在高架橋、立交橋等交通要素，傳統(tǒng)的二維模型無法進(jìn)行具有空間結(jié)構(gòu)的交通要素規(guī)劃，同時(shí)可將二維三維數(shù)據(jù)聯(lián)合使用，優(yōu)化城市道路交通網(wǎng)的設(shè)計(jì)，避免不協(xié)調(diào)，提高規(guī)劃設(shè)計(jì)的科學(xué)性。

（3）規(guī)劃分析。

在城市規(guī)劃中可利用GIS中的日照分析、視域分析、天際線分析、限高分析、緩沖區(qū)分析等空間分析方法對(duì)城市建設(shè)進(jìn)行規(guī)劃。如日照分析可為房地產(chǎn)建設(shè)確定建筑物的間隔，在良好采光的條件下合理設(shè)計(jì)建筑物分布，視域分析可為旅游景點(diǎn)設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支撐，緩沖區(qū)分析可為學(xué)校、醫(yī)院、消防站等城市重要標(biāo)志選址提供支持。

（4）城市管理及竣工核實(shí)。

精確的三維模型對(duì)城市管理同樣具有巨大的幫助，比如對(duì)于違章建筑物搭建排查、危險(xiǎn)地區(qū)三維形變監(jiān)測(cè)等。采用傳統(tǒng)人工調(diào)查、人工量測(cè)的方式耗時(shí)耗力，傾斜攝影測(cè)量三維重建在效率上遠(yuǎn)超人工手段，便于管理人員及時(shí)了解城市的變化情況并制定相應(yīng)的舉措，如組織人力物力拆除違章搭建，排除風(fēng)險(xiǎn)隱患，安排三維形變較大的危險(xiǎn)區(qū)附近居民轉(zhuǎn)移等。

對(duì)于城市建設(shè)的竣工核實(shí)，傳統(tǒng)提交的成果多為平面圖、文檔等資料，對(duì)于非規(guī)則性人工建筑物無法有效核實(shí)，采用傾斜攝影測(cè)量三維重建，可將規(guī)劃階段的三維模型與竣工后的三維模型進(jìn)行比對(duì)，精確得出城市建設(shè)情況，大幅度減少竣工核實(shí)的工作量。

5 結(jié)語

基于傾斜攝影測(cè)量的三維重建技術(shù)是城市三維可視化的主流途徑，在傾斜影像匹配、三維模型重建等關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域的研究已取得了良好的進(jìn)展，計(jì)算機(jī)視覺領(lǐng)域的深度學(xué)習(xí)影像匹配方法屬于前沿技術(shù)的融合，其智能化、高精度、高效率的處理方式將是傾斜攝影測(cè)量領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)。利用傾斜攝影測(cè)量技術(shù)實(shí)現(xiàn)城市的三維自動(dòng)化建模，其生產(chǎn)周期短、具備測(cè)繪級(jí)精度、高效率、高真實(shí)感、低成本的特點(diǎn)為獲取城市多層次基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)并實(shí)現(xiàn)規(guī)劃建設(shè)管理帶來了便利。