基于傾斜航空攝影技術的三維實景建模研究

趙 坤，張海軍，田 騫

(河南省資源環(huán)境調查二院，河南 洛陽 471000)

對于三維實景建模，國內外學者進行很多研究，文獻[1]采用多視航空影像技術，對城市進行了三維建模，通過傾斜攝影測量數(shù)據(jù)的預處理，把多視影像中提取的建筑物墻面紋理映射進入相應的模型，建立建模區(qū)域的三維模型。文獻[2]從實景測量中提取道路三維線形數(shù)據(jù)，采用自編程序，把數(shù)據(jù)轉化為仿真文件的新建模方法，新模型中在不同交通流情況下對車道坡度變化更敏感，與實際交通狀態(tài)的模擬精度及仿真參數(shù)的精準度更高；文獻[3]通過紋理映射技術實現(xiàn)三維模型的著色，對實地測量及三維模型精度進行了研究，采用多視影像技術，又花了影像數(shù)據(jù)的紋理布設，研究誤差符合《三維地理信息模型數(shù)據(jù)產品規(guī)范》中Ⅰ級1∶500成圖比例尺三維模型產品規(guī)定；文獻[4]從模型建模完整性及控制點點位精度2個方面，對比分析了2種不同航線建筑物三維模型的建模質量，研究可為城市三維建模時航線規(guī)劃提供輔助決策。

基于此，本文以新安縣城鄉(xiāng)規(guī)劃為例，采用傾斜航空攝影測量、實景建模技術，實現(xiàn)了三維實景建模，模型精度符合設計要求。

1 工程概況

新安地處豫西淺山丘陵區(qū)，境內地形復雜，山地、丘陵、河谷川地等各類地形齊全。地勢自西北向東南、自西向東逐漸降低。縱觀全貌，黃河橫于北，秦嶺障于南，中間四山(荊紫山、青要山、邙山、郁山)夾三川(青河川、畛河川、澗河川)?？偟奶卣魇牵骸吧礁撸瑤X多、河谷碎，七嶺、二山、一分川”。根據(jù)新安縣自然資源局及設計要求，此次三維實景建模的范圍包含新安縣城市規(guī)劃區(qū)和洛新產業(yè)聚集區(qū)(磁澗鎮(zhèn))兩部分，建?？偯娣e92 km2。具體范圍如圖1所示。

圖1 新安縣城區(qū)和洛新產業(yè)聚集區(qū)建模范圍Fig.1 Modeling range of Xin′an County urban area and Luoxin industrial cluster

2 首級控制測量

為保證測量成果的精度，在新安縣D級GPS網的基礎上新布設了22個E級GPS點作為本次測量工作的首級控制。

2.1 選點埋石

(1)選點。①所選點位便于安置接收設備和操作，視野開闊，視場內障礙物的高度角不超過15°。②點位選在地基堅實且適合GPS觀測并有利于長期保存的穩(wěn)定區(qū)域。③點位遠離大功率無線電發(fā)射源(如電視臺、微波站等)其距離不小于200 m；遠離高壓輸電線，其距離不小于50 m。附近無強烈反射衛(wèi)星信號的物件(如大型建筑物、廣告牌等)。④點位選擇在交通方便、有利于安全作業(yè)、點位附近無大面積的水域或其他強烈干擾衛(wèi)星信號接收的物體。⑤點的布設應考慮到圖形結構，均勻分布。

(2)埋石。測區(qū)E級GPS點采用鋼釘標志，圓盤標志面直徑為40 mm，標石中心設置“十”字金屬鋼釘標志，標志直徑12 mm，長度20 cm，采用電鉆在水泥路面上鉆直徑為12 mm的孔，打入鋼釘標志，鋼釘四周采用紅色油漆繪制方框。

實地繪制點之記，應確認點號、點名無誤、量取并記錄標石中心距周圍3個以上明顯地物的距離，略圖繪制與實地方位一致。

2.2 E級GPS網外業(yè)觀測

(1)儀器設備。本區(qū)控制測量采用三鼎T20T測地型GPS接收機4臺(套)進行野外數(shù)據(jù)采集，儀器設備使用前經“河南省計量科學研究院”檢校，精度精度滿足要求。

(2)外業(yè)觀測指標與方法。外業(yè)采用邊連接方式進行觀測，為了更有效地提高野外觀測效率和數(shù)據(jù)采集的準確率，外業(yè)觀測技術指標如下：衛(wèi)星高度角≥15°；有效觀測衛(wèi)星顆數(shù)≥4；觀測時段數(shù)≥1.6；時段觀測時間≥45 min；數(shù)據(jù)采集間隔5 s。

觀測人員嚴格遵守調度命令，按要求進行時段數(shù)據(jù)記錄，保證同一時段同步觀測時間充足。技術要求如下：①GPS接收機垂直架設在標石上方，使用對點器對中，其對中誤差不大于1 mm。②從接收機的3個方向各量取1次(3次誤差小于3 mm)天線高取平均值，作為1個觀測值。每個時段觀測前、后按此方法各量取1次，觀測前、后2個測段所得高度取平均值作為最終天線高。③開機后及時觀察儀器各指示燈的變化，判斷觀測數(shù)據(jù)記錄狀態(tài)是否正常。④觀測期間不在接收機附近50 m范圍內使用電臺，不在10 m范圍內使用對講機或手機。⑤當天外業(yè)工作結束，及時將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C，分時段按文件夾存放，并做好備份。

2.3 基線解算

全網共觀測總基線數(shù)90條，平均邊長3.278 km。①觀測值殘差控制在±0.25周以內。②RMS均方根誤差表明了觀測值的質量好壞，依據(jù)經驗觀測落在1.96倍RMS的范圍內的概率是95%，此次GPS基線解算RMS值控制在0.02 m以下。③RATID(置信度)反映了所確定出的包含未知數(shù)的可靠性，此次GPS基線解算RATID設置為95%。④RDOP值的大小與基線位置和衛(wèi)星在空間中的幾何分布及運行軌跡有關，當基線位置確定后，RDOP值就只與觀測條件有關的，而觀測條件又是時間的函數(shù)，因此，RDOP值只要保證足夠的觀測時間段就能夠滿足基線解算要求，本次外業(yè)觀測中，每個時段觀測量都大于50 min。⑤在基線解算時，如果觀測值的改正數(shù)大于某一個閾值，則認為該觀測值含有粗差，就需要將其刪除，此次GPS基線解算同時段數(shù)據(jù)剔除率均小于6%，符合《規(guī)程》10%的要求。

3 傾斜航空攝影測量外業(yè)

3.1 測區(qū)分區(qū)

該項目航測范圍大，區(qū)內地勢起伏較大。根據(jù)測區(qū)地形及建筑分布，在滿足設計要求及保證質量的前提下，對項目任務區(qū)進行區(qū)域劃分，逐區(qū)域進行航拍作業(yè)。具體分區(qū)情況見表1。

表1 具體分區(qū)情況Tab.1 Specific division

3.2 像控測量

(1)像控點布設。像控點測量是為了保證空三的精度、確定地物目標在空間中的絕對位置。項目像控點在E級GPS網的基礎上基于HNCORS網絡RTK技術施測。一般情況下布設均為平高點[5-9]。有差分POS數(shù)據(jù)的可以放寬到40 000個像素，沒有差分POS數(shù)據(jù)的至少20 000個像素布設一個控制點。項目采用的無人機中M300具有差分POS數(shù)據(jù)，其他兩架沒有差分POS數(shù)據(jù)，為了確?？杖木?，采用了20 000個像素1個控制點的選點間隔。

(2)像控點選點。像控點均選擇在易于判別、交角良好的細小線狀地物的交點、明顯地物拐角點等位置固定且便于量測的地方，或在地面繪制“L”形符號，符號寬度不小于15 cm，邊長不小于80 cm。點位選擇在高程變化較小的地方，易于準確定位和量測，施測時統(tǒng)一以“L”形符號外角為基準。

(3)像控點聯(lián)測。像控點聯(lián)測采用基于HNCORS的網絡RTK作業(yè)方式聯(lián)測。利用E級GPS網作為起算點。GPS網絡RTK作業(yè)時遵循以下要求：①RTK觀測前應設置平面收斂閾值不超過2 cm，垂直收斂閾值不超過3 cm；②觀測次數(shù)≥2，每次觀測重新初始化；③采用對中桿對中整平，每次觀測歷元數(shù)不少于10個；④各次測量的平面坐標分量校差不大于2 cm，高程校差不大于3 cm，各次結果取中數(shù)作為最后成果；像控點聯(lián)測結束后的坐標及時展點檢查，防止出現(xiàn)粗差，確保內業(yè)數(shù)據(jù)處理中的空三加密順利進行。像控點布設施工如圖2所示。

圖2 像控點布設施工Fig.2 Layout and construction of image control points

3.3 傾斜航空攝影

(1)航高確定。無人機傾斜攝影的航高是航線設計的基礎。航攝高度根據(jù)任務要求選擇合適的地面分辨率，并結合傾斜相機的性能。航高按式(1)計算：

H=f×GSD/a

(1)

式中，H為航攝高度；f為鏡頭焦距；a為像元尺寸；GSD為地面分辨率。

此次航攝航高最高為168 m。

(2)航攝重疊度確定。《低空數(shù)字攝影測量規(guī)范》規(guī)定“航向重疊度一般應為60%～80%，最小不小于53%；旁向重疊度一般應為15%～60%，最小不小于8%”。在無人機傾斜攝影測量中，旁向重疊度遠遠不夠，本次航攝采用航向80%和旁向70%的重疊度。

(3)攝影時間選擇。根據(jù)地形條件、氣象條件和本地特點，多選擇在9：00—16：00進行，以減小相片中陰影面積，并避免在大風、陰天、下雨及能見度不好的天氣情況下飛行。

(4)航攝質量控制與保障。項目航飛過程中，嚴格遵守以下要求：航拍前，飛手詳細了解測區(qū)的地形、氣象、交通等信息，認真學習項目實施方案，作好進場前的各項準備。外業(yè)飛手了解測區(qū)空域情況，熟悉周邊機場位置和現(xiàn)場空中管制及通信聯(lián)絡方式、要求。飛行中采用GPS導航系統(tǒng)，按照航線設計數(shù)據(jù)飛行，航攝時，飛行姿態(tài)平穩(wěn)，旋偏角、航偏角未超過規(guī)范要求。

(5)整理與質量檢查。當天外業(yè)結束后外業(yè)人員及時對航片進行整理，分鏡頭存儲、備份。并檢查影像是否曝光過度或不足、影像是否重影、散焦與噪點，確保航片清晰、反差適中、顏色飽和、色彩鮮明、色調一致，能夠清楚辨別與地面分辨率相適應的地物影像。

(6)內外業(yè)數(shù)據(jù)移交。外業(yè)移交數(shù)據(jù)包括：POS數(shù)據(jù)、原始照片、像控點坐標、像控點點之記、差分數(shù)據(jù)。如果飛機架次較多，則按日期、架次分好文件夾。內業(yè)人員在接收時，對上述數(shù)據(jù)進行核查。

4 傾斜航空攝影測量內業(yè)

4.1 數(shù)據(jù)預處理

由于傾斜攝影相機裝備了多個不同朝向的相機，造成了攝影傾角大，影像變形較大；分辨率變化大，尺度無法統(tǒng)一；重疊數(shù)多，需要多視處理等特點。在拍攝曝光的瞬間，相機所拍攝的角度不一致，就必然會出現(xiàn)光線反差、強度等的不一致；這樣就有可能導致出現(xiàn)同一地物影像在不同相機下的色彩、明暗程度出現(xiàn)差異，最終影響到三維模型的精度和效果。所以在空中三角測量前，先對原始影像進行預處理，對原始影像進行色彩、亮度和對比度的調整和勻色處理。勻色處理應縮小影像間色調差異，使色調均勻，反差適中，層次分明，保持地物色彩不失真，無明顯勻色處理的痕跡。解決測區(qū)局部反差較差等顏色問題，以減弱因為光線、陰影等因素的影像。

4.2 空三作業(yè)過程

4.2.1 相片刺點

將野外測量的控制點信息，按照實際位置刺到自動建模系統(tǒng)中。刺點時，根據(jù)影像分辨率和控制點標志的大小，估算角點所占像素，把影像縮放到合適的大小完成刺點。

4.2.2 空三計算

(1)相對定向?？杖^程中配合外業(yè)控制點文件及點之記、原始影像及相機文件，使用ContextCapture Center三維建模軟件，將相機參數(shù)、影像數(shù)據(jù)、POS數(shù)據(jù)進行多視角影像特征點密集匹配，并以此進行區(qū)域間的自由網多視影像聯(lián)合約束平差解算，建立在空間尺度可以適度自由變形的立體模型，完成相對定向。

(2)絕對定向。計算機完成自動相對定向后進行人工選點、刺點，人工刺點一般選取在距離影像邊緣超過80個像素范圍內、目標清晰的點位，減少照片邊緣畸變較大帶來的影響。利用這些點對已有區(qū)域網模型進行約束平差解算，將區(qū)域網納入到精確的大地坐標系中，完成絕對定向。空三結束后，查看精度報告，分析誤差原因并校正，直至空三成果符合精度要求，最終利用空三成果進行下一步模型重建工作。具體步驟如圖3所示。

圖3 ContextCapture Center空三流程Fig.3 ContextCapture Center aerial triangulation process

(3)空三誤差檢查標準。①相對定向精度。采用數(shù)據(jù)處理軟件，其相對定向指標采用反投影誤差來表示。連接點的反投影中誤差為需要優(yōu)于1 個像素，最大殘差3 像素。每個像對連接點分布均勻，相對定向每個像對連接點數(shù)目大于一定數(shù)量。②絕對定向精度。采用光束法區(qū)域網平差進行空中三角測量平差，區(qū)域網平差計算結束后，基本定向點殘差，檢查點誤差不大于設計要求限差及中誤差。

(4)空三報告。新安縣城市規(guī)劃區(qū)內部分測區(qū)空三報告主要內容如圖4所示。

4.3 全自動三維建模和模型修飾

采用多機多節(jié)點并行運算的ContextCapture Center軟件進行全自動三維建模。

4.3.1 三維重建

對于測區(qū)的海量數(shù)據(jù)，采用切塊分割的方式將加密數(shù)據(jù)分割成數(shù)塊。將空三后的成果數(shù)據(jù)直接提交生成三維TIN格網構建、白體三維模型創(chuàng)建、自助紋理映射和三維場景構建。由于傾斜攝影能夠獲取詳細準確的影像與地理信息，再加上先進的定位技術所獲取的影像都具有精確的坐標信息，通過紋理映射，可自動迅速地將影像紋理貼在相對應的三維模型面上，以此生成基于影像紋理的高分辨率傾斜攝影三維模型。新安縣城市規(guī)劃區(qū)內部分測區(qū)三維重建如圖5所示。

圖4 新安縣城市規(guī)劃區(qū)內部分測區(qū)空三報告主要內容Fig.4 Main contents of the aerial three report of some survey areas in the urban planning area of Xin′an County

圖5 新安縣城市規(guī)劃區(qū)內部分測區(qū)三維重建Fig.5 3D reconstruction of some surveyed areas in the urban planning area of Xin′an County

4.3.2 模型的修復與編輯

在全自動實景三維建模的過程中，由于水面、玻璃面反光，建筑物、廣告牌等一些特殊地物在空三加密時無法匹配到正確的連接點或者匹配生成的模型有較大變形時，會導致生成的三維模型出現(xiàn)漏洞或模型扭曲。模型修飾原則上只對水域空缺或模型漏洞進行修補，采用ContextCapture Center軟件和水面或補飛數(shù)據(jù)進行約束干預后重新生成模型，使模型不存在明顯漏洞。

5 展示平臺建設及功能

為更好展示項目實景三維模型成果，提升項目成果服務質量，應新安縣自然資源局要求，搭建了項目成果展示平臺。

5.1 模型數(shù)據(jù)導入

(1)數(shù)據(jù)處理。由于最終三維模型成果OSGB格式數(shù)據(jù)量為1 TB左右，針對實景模型的海量數(shù)據(jù)對平臺的承載與快速調用的問題，采用數(shù)據(jù)搭建技術對零碎的實景模型數(shù)據(jù)進行整合，轉換適宜平臺運行的數(shù)據(jù)格式，以提高其調用效率。在構建大規(guī)模場景方面，采用可見性判定與消隱技術、LOD技術和紋理映射技術、減少內存的消耗來提高系統(tǒng)的承載能力和場景漫游速度。

(2)模型融合處理。根據(jù)實際使用需求，本平臺提供了規(guī)劃仿真三維模型的導入及展示功能。為實現(xiàn)該功能，針對規(guī)劃仿真三維模型與實景三維模型融合問題，制定了統(tǒng)一的數(shù)據(jù)提交格式與要求。依據(jù)現(xiàn)實情況，采用OBJ數(shù)據(jù)格式作為規(guī)劃仿真三維模型的入庫數(shù)據(jù)標準格式，進行平臺內管理、分析功能的實現(xiàn)。

5.2 平臺主要功能

5.2.1 三維交互式瀏覽功能

平臺提供靈活、交互式的瀏覽漫游功能，包括：①靈活的運動控制模式，提供鼠標、鍵盤等進行控制，用戶可以在三維場景中前進、后退，改變行走方向，升高、降低視點。②多種瀏覽方式。提供行走、駕駛等瀏覽模式。

5.2.2 三維實體創(chuàng)建功能

平臺實現(xiàn)交互式快速三維幾何實體造型工具，利用簡單圖元或三維矢量數(shù)據(jù)構建復雜的三維實體，三維實體的修改、刪除、旋轉、縮放，對三維實體表面貼圖、設置紋理、顏色。系統(tǒng)對人工三維模型支持以*.OBJ的數(shù)據(jù)格式為標準。*.OBJ格式相比其他三維數(shù)據(jù)格式，在通用性上有較大的優(yōu)勢，這樣能使平臺得以支持很多不同的建模軟件制作的三維模型數(shù)據(jù)。

5.2.3 三維查詢分析功能

(1)搜索定位功能。在搜索對話框中輸入所要搜索的地名，系統(tǒng)將快速地搜索到該地名，并可執(zhí)行飛往或跳往到該地物，并顯示該地物。

(2)三維分析功能。根據(jù)相應功能鍵，實現(xiàn)地形等高線、地形剖面，地形通視分析、日照分析、視域(可視)分析和空間輻射分析等。

5.2.4 空間量測統(tǒng)計功能

(1)一般量測功能。測量點間的水平距離、直線距離，并計算其起點和終點間的高差和坡度，測量物體的垂直距離，測量地面面積。

(2)影像拍攝功能。系統(tǒng)還提供指定窗口內的影像拍攝，并保存、打印和輸出。

5.3 平臺未來擴展功能

(1)可視化歷史資料的瀏覽、查詢與保存。為今后研究城市的變遷與發(fā)展儲備真實的、科學的信息。利用系統(tǒng)中備份功能，可把每一階段、每一時期的城市發(fā)展變化三維立體資料加以儲存，為整個城市的發(fā)展留下寶貴的歷史演變資料。可以直觀看到建設前現(xiàn)狀、規(guī)劃成果和建成后真實景觀。

(2)可視化三維數(shù)據(jù)的應用：系統(tǒng)不僅應用于規(guī)劃的編制與實施管理，也為社會和其他政府部門提供三維地圖數(shù)據(jù)和技術支持。從而達到全市公安應急指揮調度的準確化，城管管理的網格化，電力網線區(qū)域分控的安全化，消防救災調度的及時化，電信網絡布點的程序化，水利排澇系統(tǒng)的合理化，交通狀況控制的全局化水平，從根本上實現(xiàn)城市數(shù)字一體化管理進程。依據(jù)各部門合實際業(yè)務需求，充分挖掘三維數(shù)據(jù)的使用價值。

(3)網絡發(fā)布功能。實現(xiàn)網絡發(fā)布技術，可以將海量的數(shù)據(jù)發(fā)布在政府內部網絡上運行。能通過網絡發(fā)布版本依照權限及職能進行簡單漫游、規(guī)劃查詢、行政審批與管理等多種應用功能。

6 精度統(tǒng)計及質量評價

6.1 檢查方法

外業(yè)對建模區(qū)域地面特征點進行施測，利用三維模型瀏覽平臺對比野外檢查點位置在模型上測取檢查點坐標。內業(yè)進行平面及高程精度比對分析，驗證成果能否滿足規(guī)定的技術指標要求。精度檢測時，中誤差計算按下式執(zhí)行：

(2)

式中，M為成果中誤差；n為檢測點(邊)總數(shù)。

6.2 精度統(tǒng)計

通過全測區(qū)野外測量，共抽取檢校點1 311個。其中縣城區(qū)域抽取特征檢校點265個，進行平面和高程誤差雙重檢校，抽取高程檢校點488個，進行高程誤差檢校；磁澗區(qū)域共抽取特征檢校點182個，進行平面和高程誤差雙重檢校，抽取高程檢校點376個，進行高程誤差檢校。

(1)縣城區(qū)域的精度評價分析。特征檢校點平面中誤差0.034 m，高程中誤差0.081 1 m，平面最大誤差值0.098 7 m，高程最大誤差值0.176 0 m；高程檢校點高程中誤差0.091 8 m，高程最大誤差值0.178 5 m。

(2)磁澗區(qū)域的精度評價分析。特征檢校點平面中誤差0.041 1 m，高程中誤差0.088 5 m，平面最大誤差值0.104 0 m，高程最大誤差值0.187 2 m；高程檢校點高程中誤差0.983 0 m，高程最大誤差值0.187 2 m。

7 結論

(1)運用傾斜攝影、實景建模等技術，最終完成新安縣城市規(guī)劃區(qū)及洛新產業(yè)聚集區(qū)實景三維模型重建面積92 km2。通過搭建展示平臺，實現(xiàn)了任務區(qū)內三維實景漫游與顯示。

(2)實景三維模型數(shù)據(jù)成果經三級檢查驗收，模型精度符合合同及設計要求，進一步完善了新安縣基礎地理信息數(shù)據(jù)。展示平臺的搭建，不僅全面流暢地展示了實景的三維模型，同時可接入規(guī)劃模型功能，也豐富了新安縣城市規(guī)劃管理系統(tǒng)。