傾斜攝影測量技術(shù)在數(shù)字城市三維重建中的應(yīng)用研究

曹小朋王強輝

（1.廣州科測空間信息技術(shù)有限公司，廣東 廣州 510630；2.廣州建通測繪地理信息技術(shù)股份有限公司，廣東 廣州 510000）

0.引言

當(dāng)前，數(shù)字城市對三維實景模型的需求越來越迫切，建設(shè)城市大規(guī)模三維模型數(shù)據(jù)庫對于實景三維中國的推進具有重要意義。國內(nèi)外諸多學(xué)者對城市實景三維重建進行了研究，王雙美、何原榮等基于點云數(shù)據(jù)對大型或復(fù)雜建筑體進行三維重建研究[1，2]，陳健 等提出基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的SAR建筑目標(biāo)三維重建方法[3]，并取得較好效果。當(dāng)前大規(guī)模城市建筑物三維重建的主要數(shù)據(jù)源來自傾斜攝影，原因在于傾斜攝影技術(shù)相較于傳統(tǒng)人工方式更高效、經(jīng)濟。傳統(tǒng)三維建模方法存在成本高、周期長、紋理失真、精度低等缺點。當(dāng)前主流的城市三維重建方法主要利用機載五鏡頭傾斜攝影相機獲取一個下視和多個側(cè)視的影像數(shù)據(jù)，導(dǎo)入三維重建軟件，快速生成城市的全要素三維場景。通過這種方式生成的三維模型無法對建筑物進行屬性掛接，模型數(shù)據(jù)缺乏語義，由于主要的應(yīng)用場景是三維場景匯報、演示，故在數(shù)字城市項目中無法發(fā)揮“可計算、可推理、可預(yù)測”的數(shù)字三維底座，難以產(chǎn)生實際的應(yīng)用價值。本文提出的城市三維實景單體化建模方法在解決以上問題的基礎(chǔ)上，滿足實際生產(chǎn)精度高、效果好、標(biāo)準(zhǔn)化和單體化等要求，在數(shù)字城市發(fā)展中具有廣闊的應(yīng)用前景。

1.傾斜攝影測量技術(shù)概述

傾斜攝影測量技術(shù)是國際測繪遙感行業(yè)發(fā)展起來的一項高新技術(shù)，通過放置在飛行平臺上的多個傳感器從下視和4個傾斜方向捕獲圖像。該技術(shù)具有全面、客觀、真實、成本低、效率高等特點[4]。

長期以來，基于傾斜攝影測量技術(shù)獲取的傾斜圖像通常用于軍事偵察、可視化和解譯。因此，傾斜圖像通常遠(yuǎn)離研究人員和公眾的關(guān)注視野，導(dǎo)致數(shù)字城市項目建設(shè)者普遍采用標(biāo)準(zhǔn)垂直正射影像作為數(shù)字底圖，政府、企業(yè)和公眾也習(xí)慣使用Google地球或其他類似服務(wù)中的正射影像數(shù)據(jù)進行選定地物的定向和目視檢查。然而，垂直正射影像是從單一方向進行目標(biāo)觀測，為充分利用多個視角的信息，必須從不同方向獲取和管理多張圖像。這些傾斜圖像可讓人全方位觀測地物，其對政府和公眾越來越有吸引力。

主流的傾斜攝影測量平臺包括?？怂箍导瘓F的CityMapper-2和Leica RCD30 Oblique航攝儀[5]、瑞典Pictometry公司的Pictometry、美國微軟的UltraCam Osprey 4.1航攝儀、北京四維遠(yuǎn)見信息技術(shù)有限公司的SWDC-5、大疆經(jīng)緯M300RTK等。主流的三維重建軟件包括美國Bentley旗下的Context Capture、俄羅斯Agisoft Metashape、Skyline PhotoMesh、我國的大疆智圖、大勢智慧等。

傾斜攝影測量技術(shù)主要應(yīng)用在以下方面：

（1）城市和基礎(chǔ)設(shè)施測量、規(guī)劃、分析，包括地籍采集和管理、建筑物和結(jié)構(gòu)的對比測量、景觀建筑和城市規(guī)劃、三維視線計算、不動產(chǎn)的面積、立面和結(jié)構(gòu)測量；

（2）管理軍事和安全行動，包括關(guān)鍵位置的信息的快速獲取、關(guān)鍵位置的準(zhǔn)確可視化、周邊地區(qū)和基礎(chǔ)設(shè)施識別、軍事路線規(guī)劃；

（3）關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施保護，包括政府大樓、醫(yī)院、監(jiān)獄、機場、港口、火車站、商場、電力、軍事和警察設(shè)施。

2.城市三維重建方法

本文基于機載五鏡頭傾斜航攝儀獲取不同視角的影像數(shù)據(jù)（包括1個下視和4個側(cè)視）進行城市建筑物三維重建。與Context Capture等不同，通過該方法生成的建筑物為單體化模型。主要技術(shù)流程：全自動空三定向、全自動點云生產(chǎn)、建筑物三維矢量面收集與整理、自動構(gòu)建框架模型、自動紋理映射。最終可快速生成城市大面積單體化三維實景模型數(shù)據(jù)，建模流程如圖1所示。

圖1 %三維重建技術(shù)流程圖

2.1 空中三角測量

數(shù)據(jù)處理的一個重要步驟是消除外定向中的任何系統(tǒng)誤差和隨機誤差，即空中三角測量。該過程高度自動化，唯一需要人工交互的步驟是手動量測地面控制點以計算基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換。自動點匹配(APM)技術(shù)極大加快了空三處理速度，為大型數(shù)字?jǐn)z影測量項目的傾斜攝影提供嚴(yán)密的空中三角測量解決方案。光束法空中三角測量系統(tǒng)具有成熟、可靠、嚴(yán)密的平差數(shù)學(xué)模型等先進技術(shù)，為帶有GNSS/Inertial Measurement Unit（IMU）慣導(dǎo)定位定向數(shù)據(jù)的攝影測量項目提供完善的工作流，在保證精度的前提下，大大減少對外業(yè)地面控制點的需求數(shù)量，具有高效高質(zhì)的優(yōu)勢。

2.2 傾斜點云自動提取

利用立體像對自動提取高密度點云數(shù)據(jù)，其點云匹配算法為SGM（Semi-Global Matching,半全局匹配），其附帶工具可對點云數(shù)據(jù)進行稀疏和平滑處理。利用SGM算法直接從影像中產(chǎn)生高密度點云。這些點云不僅為每個點提供X,Y,Z坐標(biāo)信息，還包含從原始影像中獲取的輻射信息。點云的密度與原始影像一致，因此點云可顯示為數(shù)字表面模型。

2.3 建筑物三維矢量面收集與整理

收集城市規(guī)劃及建設(shè)部門現(xiàn)有的建筑物數(shù)字線劃圖或房屋普查數(shù)據(jù)，利用工具轉(zhuǎn)換為相應(yīng)格式（如，Shapefile,dxf,dwg）,作為建筑物三維輪廓線。

2.4 自動構(gòu)建房屋框架模型

在框架模型生產(chǎn)工具中，導(dǎo)入建筑物三維輪廓線、建筑物所在區(qū)域的DEM數(shù)據(jù)、高密度點云（或激光點云），快速生成建筑物三維框架模型，以完成城市三維重建。

2.5 自動紋理映射

將五個鏡頭的影像文件、定向文件，以及上一步構(gòu)建的建筑物框架模型導(dǎo)入紋理映射工具中，程序自動檢測所有可用的立體像對，并給提取的建筑物屋頂及側(cè)面兩部分自動賦予紋理如圖2所示。

圖2紋理遮擋原理圖

由圖2可知：紋理映射工具采用紋理遮擋原理。紋理映射主要流程如下：

（1）從航片中自動提取模型紋理；

（2）從點云數(shù)據(jù)中自動提取建筑物模型；

（3）自動提取屋頂及立面顏色；

（4）使用最好的匹配影像并考慮遮擋；

（5）逐像素的貼立面紋理。

3.試驗評定

在某城市劃定25 km2測區(qū)作為試驗區(qū)，使用UltraCam Osprey 4.1傾斜相機采集該測區(qū)的傾斜影像數(shù)據(jù)，并利用以上技術(shù)路線對該測區(qū)的建筑物進行三維重建。

3.1 UltraCam Osprey 4.1傾斜相機介紹

UltraCam Osprey 4.1大幅面航空相機可同時采集攝影測量級別的下視和傾斜圖像，以業(yè)界領(lǐng)先的圖像和數(shù)據(jù)質(zhì)量實現(xiàn)航空圖形采集效率，結(jié)合業(yè)界領(lǐng)先的定制鏡頭系統(tǒng)，在細(xì)節(jié)分辨率、清晰度和動態(tài)范圍方面提供極高的圖像質(zhì)量。

采用自適應(yīng)運動補償（AMC）方法補償多向運動誘導(dǎo)的圖像模糊，并額外補償傾斜圖像中的地面采樣距離變化，以獲得高質(zhì)量的清晰度和逼真度。航攝速度高達(dá)60m/s，80%的前向重疊，每0.7s收集120億像素，并且旁向上具備20544個像素，從而減少了飛行路線、提高了飛行收集效率。在困難的交通管制區(qū)域可采集的影像數(shù)據(jù)地面分辨率可達(dá)2.5cm。相機物理參數(shù)如表1所示。

表1 UltraCam Osprey 4.1參數(shù)表

3.2 試驗過程

采用賽斯納208 B飛機，在相對航高900 m情況下，南北向豎直飛行47條航線（其中6條航線用于檢校場飛行），總航線長450 km，搭載UltraCam Osprey 4.1相機，設(shè)置2977×5個曝光點，以下視分辨率為0.08 m、航向重疊度為70%、旁向重疊度為70%獲取面積約25 km2的傾斜影像。共飛行1個架次，同時實測10個地面控制點和6個檢查點，其精度滿足1∶1 000大比例尺成圖要求。測區(qū)航線設(shè)計如圖3所示。

圖3測區(qū)航線設(shè)計圖

以UltraCam Osprey 4.1相機獲取的傾斜影像、GNSS/IMU提供的外方位元素及相機參數(shù)作為數(shù)據(jù)源，在攝影測量軟件中進行空中三角測量時，利用前方交會計算下視和傾斜影像每個像元的物方坐標(biāo)，使用APM算法生成大量連接點，對連接點進行平差，結(jié)合人工調(diào)整、自動粗差剔除等操作，構(gòu)建較高精度的區(qū)域網(wǎng)。

將控制點引入已構(gòu)建的區(qū)域網(wǎng)，并根據(jù)其在影像上的布設(shè)情況合理分布。將布設(shè)控制點進行單獨平差測試，在確保控制點精確性的基礎(chǔ)上，結(jié)合連接點進行整體區(qū)域網(wǎng)平差，將整個區(qū)域網(wǎng)歸化至項目定義的投影坐標(biāo)系下。

3.3 試驗結(jié)果

本測區(qū)控制點在x、y、z方向的中誤差分別為0.071 6 m、0.0845 m、0.089 2 m，最大誤差為0.153 1 m、0.180 5 m、0.184 0 m，精度結(jié)果如表2所示。

表2三維重建精度 單位：m

基于以上結(jié)果，開展SGM匹配，生成高密度點云；同時收集范圍內(nèi)房屋普查dwg矢量數(shù)據(jù)，利用三維重建軟件進行三維單體建模，總體耗時為4小時30分，利用傳統(tǒng)3dMAX進行重建則需1個多月的時間。由此可見：采用本文方法進行三維重建的效率較高。

將建立好的單體模型及DEM、DOM等數(shù)據(jù)導(dǎo)入三維瀏覽器中，可對成果進行三維可視化。三維重建成果真實，效果美觀。局部效果如圖4所示。

圖4三維重建局部效果圖

4.結(jié)束語

基于以上研究得出以下結(jié)論：

基于傾斜攝影測量技術(shù)的數(shù)字城市三維重建方法相對于傳統(tǒng)三維重建方法而言，自動化程度高，三維建模效果好，提高了項目生產(chǎn)效率，總體上為數(shù)字城市項目降低了成本。同時，由于本文三維重建后的單體模型是對象化成果，故不僅可量測，還可滿足數(shù)字城市項目中對不動產(chǎn)房屋幢的屬性查詢、分析等需求，具有較高的應(yīng)用價值。

下一步，為提高三維重建的精度和效果，還可融合激光 點云數(shù)據(jù)和地面照片等數(shù)據(jù)進行深入研究。