基于傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的三維建模研究

耿浩然 胡青峰 龔天浩

摘 要：針對(duì)傳統(tǒng)攝影測(cè)量視場(chǎng)死角的問(wèn)題，指出傾斜攝影測(cè)量能較好地顧及建筑物側(cè)面紋理信息，為三維模型建立提供了一種高效的方法。本文以鄭州某校區(qū)為例，借助專業(yè)的傾斜攝影三維建模軟件，成功構(gòu)建出該校區(qū)的三維模型。通過(guò)在模型上進(jìn)行一系列量測(cè)工作，并與實(shí)際踏勘數(shù)據(jù)對(duì)比，驗(yàn)證模型的精度。研究顯示：在像控點(diǎn)約束的情況下，傾斜攝影測(cè)量建模不但能直觀反映真實(shí)場(chǎng)景中地物分布狀況，而且精度完全能滿足日常生產(chǎn)需求。

關(guān)鍵詞：傾斜攝影;三維建模;控制點(diǎn);模型精度

中圖分類號(hào)：TU198文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2021）01-0013-03

Abstract： Aiming at the problem of blind angle of conventional photogrammetry， it is pointed out that oblique photogrammetry can better take into account the texture information of building side， which provides an efficient method for the establishment of 3D model. Taking a campus in Zhengzhou as an example， this paper successfully constructed a 3D model of the school district with the help of professional oblique photography 3D modeling software. Through a series of measurements on the model， and compared with the actual survey data， the model accuracy was verified. The research shows that under the condition of image control point constraints， the oblique photogrammetric modeling can not only directly reflect the distribution of ground objects in the real scene， but also fully meet the daily production requirements.

Keywords： oblique photography;three-dimensional modeling;the control points;model accuracy

攝影測(cè)量一經(jīng)問(wèn)世，便引起人們濃厚的研究興趣，其發(fā)展經(jīng)歷了模擬攝影測(cè)量、解析攝影測(cè)量和數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量三個(gè)階段。傾斜攝影測(cè)量起步相對(duì)較晚，發(fā)展于20世紀(jì)90年代左右。這種采用傾斜方式采集數(shù)據(jù)的技術(shù)，不僅具有覆蓋范圍大、分辨率高的特點(diǎn)，而且所有多視影像數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)聯(lián)合平差后可以較好地顧及遮擋關(guān)系，克服傳統(tǒng)攝影測(cè)量的局限。

1 傾斜攝影測(cè)量技術(shù)

1.1 傾斜攝影測(cè)量的原理

如果某一影像在拍攝過(guò)程中，相機(jī)主光軸是有一定傾角的（傾角[β]大于5°），那我們就把該相片稱作傾斜影像。基于傾斜影像的定義，傾斜攝影測(cè)量是通過(guò)搭載在同一飛行平臺(tái)上的多個(gè)傳感器，同時(shí)同步地對(duì)地物側(cè)向、前方、后方和垂直方向進(jìn)行拍攝，獲取多視角高分辨率影像，并結(jié)合定位定向系統(tǒng)（ Position & Orientation System，POS ）采集的外方位元素及地面控制點(diǎn)相關(guān)數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)處理生成立體三維模型，最大限度地還原真實(shí)場(chǎng)景[1]。

1.2 系統(tǒng)組成

傾斜攝影測(cè)量是集POS系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為一體的測(cè)量技術(shù)，包含地面控制部分和空中飛行部分[2]。其中，POS是一款用于姿態(tài)測(cè)量的系統(tǒng)，由慣性測(cè)量（IMU）和GPS差分技術(shù)兩個(gè)單元構(gòu)成，用來(lái)感知飛行器瞬時(shí)時(shí)刻的速度與姿態(tài)，為相片提供高精度的外方位元素解值。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)則通過(guò)CCD航射儀記錄光線的變化形成數(shù)字圖像，有效限制氣象及地形對(duì)獲取高分辨率影像的影響。其不需要膠片，免掃描，減少了信息存儲(chǔ)成本。由于CCD采用感光的影像采集方式，與人眼生理功能相近，因此，其更易于辨識(shí)。

1.3 傾斜攝影測(cè)量特點(diǎn)

傾斜攝影數(shù)據(jù)采集效率高、周期短、成本低;能從不同角度采集地物的影像，彌補(bǔ)了垂直攝影圖像失真的不足之處，真實(shí)反映周邊地物情況;借助專業(yè)數(shù)據(jù)處理軟件，能批量化輸出具有可量測(cè)性的數(shù)字產(chǎn)品;適用范圍廣，性價(jià)比高。與傳統(tǒng)攝影測(cè)量相比，傾斜攝影測(cè)量由于影片傾斜，導(dǎo)致影像各處的比例尺不一致;影像絕大部分會(huì)重疊，冗余度高，拖慢處理速度。這就對(duì)傾斜攝影的數(shù)據(jù)處理方法提出了更高的要求[3]。

2 基于有像控傾斜攝影測(cè)量的三維模型生成

2.1 技術(shù)路線

傾斜攝影測(cè)量技術(shù)路線如圖1所示。傾斜攝影測(cè)量的關(guān)鍵技術(shù)包括影像預(yù)處理、多視影像聯(lián)合平差、多視影像匹配以及高密度點(diǎn)云生成和紋理數(shù)據(jù)的映射等。考慮到后期輸出數(shù)據(jù)的質(zhì)量，在實(shí)際測(cè)量工作中，要求同條航線不同相片之間的航向重疊度應(yīng)在60%～80%，最小不低于53%;不同航線之間的旁向重疊度在15%～60%，最小不低于8%。對(duì)傾斜攝影來(lái)說(shuō)，由于影像傾斜的特殊原因，對(duì)重疊度的要求也會(huì)隨之上升。在建筑稀疏地區(qū)，通常要求為70%;在密集區(qū)域時(shí)，可適當(dāng)調(diào)高至80%;如果條件苛刻，重疊率甚至可達(dá)90%[4]。

2.2 研究區(qū)域概況

本實(shí)驗(yàn)選取的實(shí)驗(yàn)區(qū)域?yàn)猷嵵菔心承^(qū)，具體如圖2所示，圖中粗線為施測(cè)區(qū)域，細(xì)線為航飛路線。該區(qū)域內(nèi)建筑物具有可以用來(lái)識(shí)別的明顯特征，并且地形平坦，適合利用傾斜攝影進(jìn)行三維模型構(gòu)建。區(qū)域的南北距離約為549 m，東西距離約為730 m，面積約為407 661.60 m2。本次實(shí)驗(yàn)在測(cè)區(qū)內(nèi)一共設(shè)置了10條航線，在西邊建筑密集區(qū)航線密度大，在東邊建筑稀疏區(qū)域航線密度可相應(yīng)減小。

2.3 三維建模

本次建模采用實(shí)景建模軟件ContextCapture。該軟件不僅操作界面簡(jiǎn)潔，而且以優(yōu)異的性能受到人們的青睞。在測(cè)繪行業(yè)的攝影測(cè)量領(lǐng)域，都是依靠ContextCapture來(lái)實(shí)現(xiàn)三維模型構(gòu)建的。其中，負(fù)責(zé)空三解算的ContextCapture Engine是整個(gè)軟件的核心。

與攝影測(cè)量建模相比，傾斜攝影測(cè)量的傳感器在飛行平臺(tái)上從多方位同時(shí)拍攝影像，能較好地反映物體側(cè)面紋理信息。目前，基于傾斜攝影的三維建模技術(shù)的主要流程如下[5-8]。

第一，數(shù)據(jù)預(yù)處理。把采集到的影像進(jìn)行畸變差改正與勻光勻色等一系列相關(guān)處理，確保相片質(zhì)量合格。

第二，建立工程項(xiàng)目，導(dǎo)入數(shù)據(jù)。對(duì)多視影像進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)的聯(lián)合平差，獲取更高精度的外方位元素、加密點(diǎn)的位置信息及更好的同名像點(diǎn)匹配結(jié)果。在已知影像外方位元素的情況下，對(duì)影像進(jìn)行密集匹配，獲取高密度點(diǎn)云，如圖3所示。

第三，根據(jù)高密度點(diǎn)云數(shù)據(jù)，生成區(qū)域不規(guī)則三角網(wǎng)（Triangulated Irregular Network，TIN），將三維模型白膜疊加到TIN格網(wǎng)上，如圖4所示。

第四，對(duì)TIN格網(wǎng)進(jìn)行紋理映射，建立實(shí)景三維模型，如圖5所示。

2.4 模型精度評(píng)價(jià)

為直觀地體現(xiàn)模型的精度，抓取模型中籃球場(chǎng)的長(zhǎng)度與寬度分別為27.9 m和15 m，如圖6所示。經(jīng)過(guò)實(shí)地踏勘，該場(chǎng)地長(zhǎng)、寬平均值分別為28 m和15 m，模型測(cè)量結(jié)果與實(shí)際距離十分接近。

控制點(diǎn)在測(cè)量中能約束控制誤差積累，其精度要高于其余模型點(diǎn)。借助控制點(diǎn)這一特性，在本次實(shí)驗(yàn)中根據(jù)給出的控制點(diǎn)坐標(biāo)求出兩點(diǎn)間實(shí)際距離，然后與圖上抓取相應(yīng)的兩點(diǎn)距離進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表1所示。

由表1數(shù)據(jù)可知：模型上控制點(diǎn)距離平均值為128.19 m，與實(shí)際距離相差3 cm，相對(duì)中誤差K=2.34×10-5。

3 結(jié)論

本文利用ContextCapture軟件，對(duì)鄭州市某校區(qū)提出了基于有像控傾斜攝影測(cè)量的三維建模方法。結(jié)果證實(shí)，利用該方法生成的模型具有較好的精度，能夠真實(shí)地反映周邊地物的情況。模型生成過(guò)程自動(dòng)化程度高，提高了工作速度，降低了人工成本，完全能滿足日常生產(chǎn)需求。但是，由于數(shù)據(jù)缺失和目標(biāo)地物特殊的光反射性質(zhì)，模型仍會(huì)出現(xiàn)空洞現(xiàn)象、紋理變形、細(xì)節(jié)模糊的問(wèn)題，影響模型精度，這些問(wèn)題還需要進(jìn)一步研究。

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