基于傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的城市三維建模方法應(yīng)用研究

鄧錦鋒

摘要：如何快速構(gòu)建真實(shí)而準(zhǔn)確的城市實(shí)景三維模型是測(cè)繪領(lǐng)域研究熱點(diǎn)之一，傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的出現(xiàn)給城市三維模型的建設(shè)帶來(lái)了新的契機(jī)。對(duì)此，文章圍繞傾斜攝影實(shí)景三維建模關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，希望可以提供技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞：傾斜攝影測(cè)量;三維建模;關(guān)鍵技術(shù)

相對(duì)于傳統(tǒng)三維建模效率低、工作量大、費(fèi)用高、不能很好地反映真實(shí)地物地貌等問(wèn)題而言，采用傾斜攝影測(cè)量技術(shù)可以更加全面地感知復(fù)雜場(chǎng)景，具有范圍廣、清晰度高、精準(zhǔn)度高、角度多等優(yōu)點(diǎn)，能夠提升物體正射影像拍攝工作效率，同時(shí)可得到物體的立面紋理信息，再利用高性能協(xié)同數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，便能夠以較快效率構(gòu)建城市實(shí)景三維模型。

1傾斜攝影實(shí)景模型構(gòu)建技術(shù)

傾斜攝影技術(shù)是一項(xiàng)新興技術(shù)，在測(cè)繪地理信息領(lǐng)域有著良好的應(yīng)用效果。在運(yùn)用該技術(shù)時(shí)，需將多臺(tái)傳感器裝設(shè)在同一飛行平臺(tái)上，從多個(gè)視角完成影像信息的采集，包括垂直視角、傾斜視角等，可以得到較為全面的地物影像信息，包括側(cè)臉信息以及頂部信息等。再借助電腦軟件，可在盡量減少人員參與的前提下，完成模型的自動(dòng)化構(gòu)建，并生成城市實(shí)景三維數(shù)據(jù)。采用傾斜攝影實(shí)景模型構(gòu)建技術(shù)時(shí)，主要有傾斜航空攝影、控制測(cè)量、空中三角測(cè)量、三維建模等作業(yè)環(huán)節(jié)。先完成飛行平臺(tái)構(gòu)建、相機(jī)選型以及航線設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行傾斜航空航攝，結(jié)合CORS數(shù)據(jù)進(jìn)行與處理和POS解算，然后通過(guò)空中三角測(cè)量完成控制點(diǎn)測(cè)量，再進(jìn)行實(shí)景三維模型構(gòu)建和修飾修補(bǔ)，最后開(kāi)展質(zhì)量檢查，并提交最終作業(yè)成果。

1.1航攝平臺(tái)選型與航線設(shè)計(jì)

航攝飛行平臺(tái)類型多種多樣，當(dāng)前較為常用的主要有直升機(jī)、動(dòng)力三角翼、運(yùn)5、運(yùn)12、固定翼無(wú)人機(jī)、旋翼無(wú)人機(jī)等，可根據(jù)空域高度的不同進(jìn)行選擇。對(duì)于傾斜攝影實(shí)景模型的構(gòu)建來(lái)講，作業(yè)規(guī)模較大，對(duì)飛行器的工作效率要求較高，選擇航攝平臺(tái)時(shí)，應(yīng)滿足高空作業(yè)需求。

對(duì)于實(shí)景三維模型來(lái)講，其精度和建模效果與影像重疊度及影像分辨率有著直接關(guān)系。在作業(yè)過(guò)程中進(jìn)行航線敷設(shè)時(shí)，要求航向影像與旁向影像重疊度最小均為70%。當(dāng)建筑物數(shù)量較多、密度較大時(shí)，還需結(jié)合對(duì)其頂層實(shí)際重疊度進(jìn)行分析，以便在航線敷設(shè)時(shí)做出調(diào)整。

1.2像控點(diǎn)布設(shè)

在構(gòu)建三維模型時(shí)，做好像控點(diǎn)布設(shè)工作，提高其分布密度，能夠使模型數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度得到顯著提升。同時(shí)，應(yīng)對(duì)時(shí)間周期、經(jīng)濟(jì)因素、成果質(zhì)量展開(kāi)分析，以確保模型精度為前提，確定最佳方案，完成像控點(diǎn)的布設(shè)。如果城市規(guī)模較大，在進(jìn)行傾斜攝影測(cè)量時(shí)，需根據(jù)區(qū)域面積布設(shè)像控點(diǎn)，保證其分布的均勻性，通常情況下，地勢(shì)較為平坦的區(qū)域，每平方公里所布設(shè)的像控點(diǎn)數(shù)量不得少于1個(gè)，各個(gè)區(qū)域邊緣的連接處，可增加像控點(diǎn)布設(shè)數(shù)量。

1.3傾斜空三測(cè)量

在傾斜攝影測(cè)量作業(yè)中，一般會(huì)通過(guò)POS輔助空三解算實(shí)現(xiàn)空中三角測(cè)量?？杖?jì)算分為2個(gè)環(huán)節(jié)。

1）提取連接點(diǎn)。

2）對(duì)光束法區(qū)域網(wǎng)進(jìn)行平差操作，目前較為常見(jiàn)的連接點(diǎn)自動(dòng)量測(cè)算法傾斜影像處理中存在一定的局限性，需作出改進(jìn)和優(yōu)化，具體來(lái)講，可通過(guò)POS系統(tǒng)獲取初始值，即多視影像外方位元素，再利用SIFT算法和ASIFT算法，匹配多視影像特征，實(shí)現(xiàn)傾斜影像連接點(diǎn)的提取。

在空三測(cè)量計(jì)算中，光束法區(qū)域網(wǎng)平差方法尤為重要，具有精度高、嚴(yán)密性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，在多視影像空三測(cè)量中也有著良好的應(yīng)用效果。根據(jù)影像連接點(diǎn)坐標(biāo)值，與地面控制點(diǎn)相結(jié)合，采用平差方法進(jìn)行運(yùn)算，可確定連接點(diǎn)地面坐標(biāo)位置，并得到測(cè)區(qū)影像的外方位元素。一般來(lái)講，進(jìn)行空三計(jì)算時(shí)，可借助傾斜建模軟件完成，只需運(yùn)算一次便可獲取相應(yīng)的結(jié)果。但是也存在數(shù)據(jù)與實(shí)際要求不相符的問(wèn)題，影響空三計(jì)算結(jié)果，針對(duì)這種現(xiàn)象，為提高數(shù)據(jù)精度，可將不符合要求的數(shù)據(jù)從中剔除，再次進(jìn)行計(jì)算或者多次計(jì)算。

1.4三維建模

完成傾斜空三測(cè)量后，便需要構(gòu)建實(shí)景三維模型。傾斜三維建模系統(tǒng)會(huì)按照影像數(shù)據(jù)，對(duì)最佳算法進(jìn)行匹配，一一對(duì)應(yīng)同名點(diǎn)。然后通過(guò)特征點(diǎn)的抽取，形成密集點(diǎn)云，再結(jié)合空三測(cè)量運(yùn)算結(jié)果，確定影像關(guān)系，完成三角TIN的建立。再根據(jù)三角TIN形成白模，計(jì)算影像紋理，通過(guò)映射與白模相對(duì)應(yīng)，實(shí)現(xiàn)三維建模操作。

1.5模型優(yōu)化

在空三階段，受多種因素的影響，如航攝盲區(qū)、影像重疊度、地物反光、影像分辨率、航攝時(shí)間不同等，容易發(fā)生匹配錯(cuò)誤現(xiàn)象，或者出現(xiàn)點(diǎn)位不足的情況，對(duì)三維建模效果造成影響，造成紋理變形、模型懸浮、紋理陰影、無(wú)三角網(wǎng)的空洞區(qū)域等問(wèn)題，此時(shí)需要進(jìn)行修飾修補(bǔ)。如果出現(xiàn)建筑物玻璃幕墻漏洞、水面空洞等問(wèn)題時(shí)，可通過(guò)人

工方式在軟件中導(dǎo)入需優(yōu)化處理的模型數(shù)據(jù)，利用軟件系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行編輯，構(gòu)建全新的模型，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)較為理想的建模效果。

2基于傾斜攝影測(cè)量的實(shí)景三維模型生產(chǎn)實(shí)例

2.1測(cè)區(qū)概況

受委托，我公司參與了某城市三維數(shù)字地圖系統(tǒng)建設(shè)項(xiàng)目，本項(xiàng)目需要對(duì)該城市358km2的中心城區(qū)構(gòu)建多層次、多細(xì)節(jié)的精細(xì)三維模型，在城市管理審批、城市規(guī)劃設(shè)計(jì)、數(shù)字城市旅游以及城市宣傳和展示等多個(gè)方面進(jìn)行應(yīng)用。

2.2外業(yè)獲取數(shù)據(jù)

利用無(wú)人機(jī)對(duì)測(cè)區(qū)開(kāi)展低空傾斜攝影測(cè)量得到地面傾斜影像數(shù)據(jù)，飛行高度350m，成圖比例尺1：2000，參照三維建模規(guī)范要求，原始傾斜影像的地面分辨率為6cm，70%正射航向重疊，70%旁向重疊。為檢查三維模型的精度，在測(cè)區(qū)范圍內(nèi)均勻分布100個(gè)檢查點(diǎn)位，并利用RTK進(jìn)行測(cè)量，保證平面和高程的中誤差控制在0.10m之內(nèi)。

2.3實(shí)景三維建模

因攝取位置距地面比較遠(yuǎn)，需要對(duì)外業(yè)航空攝影測(cè)量的原始影像數(shù)據(jù)進(jìn)行畸變糾正、勻光、勻色等步驟處理才能應(yīng)用。本項(xiàng)目采用了Skyline PhotoMesh7.0軟件進(jìn)行三維建模，Skyline PhotoMesh7.0是一款較成熟的傾斜攝影測(cè)量自動(dòng)處理建模軟件，該軟件融合航空攝影測(cè)量、高性能計(jì)算機(jī)視覺(jué)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)等先進(jìn)技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)、快速地將一組無(wú)序標(biāo)準(zhǔn)的二維影像構(gòu)建成帶有紋理的精細(xì)三維網(wǎng)格模型。PhotoMesh7.0可以融合不同來(lái)源、不同格式、不同分辨率的相片，自動(dòng)完成DSM點(diǎn)云生成、TIN構(gòu)建、紋理映射等流程，從而批量生成真實(shí)的城市實(shí)景三維模型。

2.4實(shí)景三維模型精度評(píng)估

利用JXCORS實(shí)地測(cè)量100多個(gè)特征檢查點(diǎn)來(lái)檢測(cè)實(shí)景三維模型的精度，記錄每個(gè)檢查點(diǎn)對(duì)應(yīng)的實(shí)地位置并采集平面坐標(biāo)和高程。將測(cè)量的每個(gè)檢查點(diǎn)坐標(biāo)與從實(shí)景三維模型對(duì)應(yīng)位置中提取的坐標(biāo)對(duì)比進(jìn)行精度評(píng)定，100多個(gè)檢查點(diǎn)中平面最大誤差0.283m，中誤差0.198m;高程最大誤差0.355m，中誤差0.297m，其精度滿足《三維地理信息模型數(shù)據(jù)產(chǎn)品規(guī)范》（CH/T9015-2012）的要求。

3結(jié)束語(yǔ)

傳統(tǒng)的三維建模技術(shù)存在低效率、高成本、紋理數(shù)據(jù)不足、數(shù)據(jù)處理復(fù)雜等問(wèn)題，傾斜攝影測(cè)繪技術(shù)從不同視角獲取地物的影像信息能夠彌補(bǔ)傳統(tǒng)三維建模技術(shù)的缺陷，具有高效率、低成本等優(yōu)點(diǎn)，為城市大規(guī)模實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)生產(chǎn)提供可行的技術(shù)解決方案

參考文獻(xiàn)

[1]陳永健，陳曦.基于傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的城市實(shí)景三維建模方法研究[J].資源信息與工程，2018，33（04）：131-132.

[2]譚金石，黃正忠.基于傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的實(shí)景三維建模及精度評(píng)估[J].現(xiàn)代測(cè)繪，2015（5）：21-24.

[3]包丹丹.傾斜攝影測(cè)量的空三精度和三維模型精度的評(píng)估方法研究[D].天津：天津師范大學(xué)，2017.

南寧市國(guó)圖測(cè)繪有限公司 廣西 南寧 530000