基于傾斜攝影測(cè)量的城市三維實(shí)景建模

徐晶晶

（遼寧省基礎(chǔ)測(cè)繪院，遼寧錦州 121003）

近年來，隨著實(shí)景三維模型的提出，人們對(duì)三維建模的認(rèn)識(shí)越來越深[1]。三維模型的應(yīng)用在人們的日常生活中極為普遍，比如舊城改造、智慧旅游、智慧交通、智慧城市、游戲人物、游戲場(chǎng)景還原和3D電影等，三維模型發(fā)揮著巨大的作用，也給工程項(xiàng)目帶來了極大的方便[2-3]。城市三維實(shí)景模型重建利用無人機(jī)搭載的5個(gè)不同角度的鏡頭獲取多視影像，通過IMU/GNSS獲取POS數(shù)據(jù)，利用RTK實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量技術(shù)獲取控制點(diǎn)數(shù)據(jù)[4]。傳統(tǒng)的攝影測(cè)量只能按照垂直角度對(duì)物體、地形進(jìn)行拍攝，獲取的正射影像只有極少部分的側(cè)面信息，而傾斜攝影測(cè)量利用無人機(jī)搭載五鏡頭像機(jī)在同一時(shí)刻能獲取多角度地物信息，得到地物豐富的側(cè)面紋理信息和超高分辨率的影像[5-6]。

當(dāng)今的三維建模效率大概在8千米/（人·天），是人工建模的400倍，其中，利用Smart3D自動(dòng)建模是目前主要研究方向[7]。Smart3D是一款功能豐富的三維建模軟件，從簡(jiǎn)單連續(xù)影像中無需人工干預(yù)生成逼真的實(shí)景真三維模型，具有高效、快捷、智能的特點(diǎn)。本文在介紹傾斜攝影測(cè)量主要技術(shù)的基礎(chǔ)上，以某市三維建模項(xiàng)目為例，探討基于傾斜攝影測(cè)量數(shù)據(jù)采用Smart3D軟件生成實(shí)景三維模型的方法。

一、傾斜攝影測(cè)量主要技術(shù)

1.數(shù)據(jù)采集

（1）基于空中平臺(tái)數(shù)據(jù)采集

傾斜攝影通過在同一平臺(tái)搭載多臺(tái)傳感器，同時(shí)從垂直、側(cè)視等不同的角度采集影像。傾斜攝影測(cè)量的本質(zhì)是通過大氣將地表特征和地貌信息傳送到像機(jī)的物鏡和航空攝影底片上[8-9]，航空底片不僅記錄了地面特征、地貌特征和地面特征之間的關(guān)系詳細(xì)，還記錄了像機(jī)在拍攝瞬間裝載的各種儀器的信息。

（2）地面控制點(diǎn)采集

在進(jìn)行空三加密前需要對(duì)航攝影像進(jìn)行刺點(diǎn)以獲得精確的外方位元素。傾斜攝影測(cè)量的控制點(diǎn)刺點(diǎn)與傳統(tǒng)影像的刺點(diǎn)有所不同，需要在5個(gè)方向的影像上進(jìn)行刺點(diǎn)，因此在選擇控制點(diǎn)時(shí)對(duì)通視的要求較高[10]?？刂泣c(diǎn)的獲取有兩種方法，分別是GNSS靜態(tài)測(cè)量和GNSS RTK動(dòng)態(tài)測(cè)量，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)采用GNSS RTK實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量技術(shù)獲取地面控制點(diǎn)。GNSS RTK由移動(dòng)站、基準(zhǔn)站和無線電數(shù)據(jù)鏈組成，基準(zhǔn)站通過無線電數(shù)據(jù)鏈向移動(dòng)站發(fā)送載波相位觀測(cè)值和測(cè)站信息，移動(dòng)站接收衛(wèi)星和基準(zhǔn)站的信號(hào)，通過數(shù)據(jù)處理模塊計(jì)算出移動(dòng)站相對(duì)于基準(zhǔn)站的坐標(biāo)增量，通過坐標(biāo)增量確定移動(dòng)站的位置。所以，接收機(jī)能夠一邊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，一邊立刻解算并輸出定位結(jié)果。

2.數(shù)據(jù)處理

（1）SIFT特征提取

SIFT特征提取方法是對(duì)尺度空間的高斯差分函數(shù)進(jìn)行曲線擬合，以提高特征點(diǎn)的穩(wěn)定性[11]。此階段的影像匹配可理解為粗匹配或稀疏匹配，主要是為推算影像之間的連接點(diǎn)，得到每一個(gè)像素點(diǎn)的位置。SIFT特征提取時(shí)，首先需要統(tǒng)一固定斑點(diǎn)的大小，即改變尺度圖層的大小，以便實(shí)現(xiàn)特征提取和比對(duì)。檢測(cè)圖像中的特征點(diǎn)，實(shí)質(zhì)上是在不同尺度空間中尋找特征點(diǎn)，并計(jì)算特征點(diǎn)的方向[12]，通常是以一張像片的某一特征點(diǎn)為基準(zhǔn)查找與另一張像片對(duì)應(yīng)的同名點(diǎn)。

（2）構(gòu)建影像金字塔

構(gòu)建影像金字塔能很好地解決圖像特征的尺度不變性問題，可以高效地提取不同尺度的特征，并且在時(shí)間復(fù)雜度和空間復(fù)雜度上只是常數(shù)的變化[13]。圖像金字塔是由多個(gè)不同分辨率來解釋圖像的一種方法，其特點(diǎn)是有利于圖像在縮放和移動(dòng)的過程中快速顯示[14]。

3.多視影像聯(lián)合平差

對(duì)獲取的多視影像采用光束法區(qū)域網(wǎng)聯(lián)合平差技術(shù)進(jìn)行平差，以解決部分地區(qū)的遮擋問題和影像之間的幾何變形[15]。根據(jù)金字塔匹配策略，對(duì)每一層影像都進(jìn)行聯(lián)合平差，再根據(jù)POS系統(tǒng)自帶的數(shù)據(jù)進(jìn)行同名點(diǎn)匹配，建立點(diǎn)線之間的誤差方程。通過聯(lián)合平差能得到更為精確的匹配結(jié)果，獲取高精度的外方位元素?？紤]到傾斜影像中的地物變形和遮擋問題，多視影像聯(lián)合平差可通過多匹配基元的冗余信息進(jìn)行修正[16]。

二、基于傾斜攝影測(cè)量的建模方法

本測(cè)區(qū)的地形為平地和丘陵，地表植被覆蓋較少，便于航空影像數(shù)據(jù)的獲取。本文選取有代表性的區(qū)域?qū)趦A斜攝影測(cè)量的建模方法的可行性進(jìn)行驗(yàn)證。試驗(yàn)采用P550無人機(jī)搭載睿鉑D2數(shù)碼像機(jī)進(jìn)行航空拍攝，根據(jù)比例尺、主距確定合適的航高，根據(jù)測(cè)區(qū)規(guī)劃航帶數(shù)量，最后獲取影像。獲取影像的水平分辨率是350DPI、垂直分辨率是350DPI、影像分辨率是6000×4000個(gè)像素，分辨率單位為2英寸（1英寸≈2.54厘米）；相對(duì)航高120米，航向重疊率85%，旁向重疊率70%，飛行航帶10條，共獲取了2830張像片。試驗(yàn)中，利用無人機(jī)獲取傾斜影像，并在近地面環(huán)繞建筑物四周獲取建筑物的側(cè)面紋理信息。

建模方法：首先，通過傾斜攝影測(cè)量技術(shù)獲取多視影像，采用RTK實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量技術(shù)采集控制點(diǎn)坐標(biāo)；其次，利用POS數(shù)據(jù)與多視影像進(jìn)行空三加密，主要采用光束法區(qū)域網(wǎng)平差，解算姿態(tài)信息，再利用姿態(tài)信息確定影像之間的連接點(diǎn)從而確定影像之間的關(guān)系；再次，采用多視影像密集匹配方法生成地物超高密度三維點(diǎn)云，構(gòu)建TIN模型，基于多視影像全自動(dòng)提取紋理信息，生成三維模型；最后，將實(shí)地獲取的控制點(diǎn)及地物點(diǎn)數(shù)據(jù)與基于三維模型獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，評(píng)估三維模型的精度。

1.光束法空中三角測(cè)量

（1）空中三角測(cè)量

目前空中三角測(cè)量主要指解析空三測(cè)量，它是攝影測(cè)量?jī)?nèi)業(yè)測(cè)圖和數(shù)字成果生成的第一道工序，其核心內(nèi)容是以像片上的像點(diǎn)坐標(biāo)為依據(jù)，用攝影測(cè)量的方法求解測(cè)區(qū)中所有影像的外方位元素，并基于攝影過程的幾何反轉(zhuǎn)，重建可量測(cè)的幾何立體模型，然后解求出地面點(diǎn)的空間坐標(biāo)。其中，構(gòu)建空三加密區(qū)域網(wǎng)和聯(lián)合平差等由Smart3D軟件自動(dòng)完成。為保證精度，刺點(diǎn)時(shí)至少需要刺3個(gè)以上控制點(diǎn)，且每個(gè)控制點(diǎn)至少刺在3張影像上，再進(jìn)行空三加密，生成區(qū)域內(nèi)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)（圖1）。

圖1 刺控制點(diǎn)

（2）POS數(shù)據(jù)輔助空中三角測(cè)量

由IMU/GNSS組合的POS系統(tǒng)擺脫了傾斜攝影測(cè)量對(duì)地面控制點(diǎn)的依賴，利用POS提供的影像姿態(tài)數(shù)據(jù)和空間位置可自動(dòng)確立影像初始關(guān)系[17]。對(duì)于沒有POS數(shù)據(jù)的，如果一次性將大量影像導(dǎo)入Smart3D軟件，就會(huì)出現(xiàn)內(nèi)存不足而無法進(jìn)行有序處理的狀況，為了提高匹配的可靠性，可在數(shù)據(jù)處理前，通過特征描述得到同名像點(diǎn)，建立影像之間的幾何關(guān)系，再自動(dòng)完成匹配（圖2）。

圖2 空中三角測(cè)量成果

2.影像密集匹配，構(gòu)建TIN白模

（1）多視影像密集匹配

多視影像具有覆蓋范圍大、分辨率高等特點(diǎn)，為了獲取足夠的同名點(diǎn)像對(duì)，生成超高密度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，需要進(jìn)行密集匹配。匹配過程就是尋找連接點(diǎn)構(gòu)網(wǎng)的過程，同時(shí)消除冗余數(shù)據(jù)?？罩腥菧y(cè)量完成后，得到圖像之間稀疏的特征點(diǎn)和圖像的像機(jī)矩陣，利用高精度密集匹配軟件Smart3D可以快速準(zhǔn)確獲取多視影像上的同名點(diǎn)坐標(biāo)，進(jìn)而獲取地物的三維信息，自動(dòng)完成匹配[18]。

（2）基于點(diǎn)云構(gòu)建三角網(wǎng)

多視影像密集匹配可獲取大量高密度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成TIN構(gòu)建三維模型，其優(yōu)點(diǎn)是容易表達(dá)復(fù)雜的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和幾何特征，而且算法簡(jiǎn)單，結(jié)果穩(wěn)定。點(diǎn)云構(gòu)建TIN模型的方法有很多種，如直接利用點(diǎn)云構(gòu)建TIN模型或者利用三角網(wǎng)格對(duì)原始點(diǎn)云進(jìn)行最佳逼近等。本項(xiàng)目采用直接基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)按三維重建的密集算法進(jìn)行TIN模型構(gòu)建[19]。

3.實(shí)景三維模型生成

為了使生成的三維模型更自然、更貼近實(shí)際，真實(shí)地反映地物的紋理信息，需要對(duì)模型進(jìn)行紋理映射。紋理映射的本質(zhì)是坐標(biāo)系之間的變換，建立三維物體表面空間點(diǎn)（x，y，z）與紋理空間點(diǎn)(u，v)之間一一對(duì)應(yīng)的映射函數(shù)關(guān)系。在進(jìn)行紋理映射時(shí)，Smart3D軟件會(huì)自動(dòng)計(jì)算TIN模型中的三角網(wǎng)格與影像的對(duì)應(yīng)關(guān)系，然后將對(duì)應(yīng)的紋理相關(guān)信息與模型中的三角網(wǎng)進(jìn)行配準(zhǔn)，再利用分辨率高的二維影像對(duì)所構(gòu)建的模型進(jìn)行紋理貼圖，最后通過區(qū)塊重建，生成實(shí)景三維模型（圖3）。

圖3 重建區(qū)塊三維模型成果

4.精度分析

為了對(duì)基于傾斜攝影測(cè)量的建模方法得到的成果數(shù)據(jù)進(jìn)行精度評(píng)估，可將實(shí)地測(cè)量的控制點(diǎn)坐標(biāo)與通過三維模型得到的控制點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算模型的誤差。本次試驗(yàn)在區(qū)域內(nèi)布設(shè)了8個(gè)控制點(diǎn)，分別為道路交叉口、房角點(diǎn)、斑馬線等明顯地物點(diǎn)，利用這些點(diǎn)對(duì)三維模型的平面位置精度和高程精度進(jìn)行評(píng)定（表1）。

從表1可知，基于傾斜攝影測(cè)量的建模方法構(gòu)建的三維模型的平面位置誤差和高程誤差都在規(guī)范允許范圍之內(nèi)，完全能夠滿足精度要求。表明Smart3d軟件的三維建模效果較好。

表1 三維模型的平面位置精度和高程精度統(tǒng)計(jì)

三、結(jié)語

隨著城市化進(jìn)程的加快，利用無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量進(jìn)行三維建模已經(jīng)成為了一種主要技術(shù)，不僅能提高城市三維建模的效率，而且在降低成本的同時(shí)還能提高建模質(zhì)量。本文將無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量與三維建模技術(shù)相結(jié)合應(yīng)用于城市的三維建模。通過對(duì)所建立的模型精度進(jìn)行評(píng)估，結(jié)果表明，基于傾斜攝影測(cè)量的建模方法所構(gòu)建的實(shí)景三維模型質(zhì)量較高，完全滿足三維建模精度要求。