基于傾斜攝影測量技術(shù)的三維數(shù)字城市建模研究

鄒 磊，曾 強，武 瑩，胡成玉

（1.江西省地質(zhì)局第二地質(zhì)大隊，江西九江 332000；2.江西建工第一建筑有限責任公司,江西南昌 330000；3.江西金潯有色工程技術(shù)有限公司，江西九江 332000）

前言

現(xiàn)階段，數(shù)字理念在城市規(guī)劃中的應(yīng)用，對城市建模技術(shù)發(fā)展作出有益貢獻。通過對現(xiàn)代化信息技術(shù)的應(yīng)用，如傾斜攝影測量技術(shù)，能夠為城市規(guī)劃、建設(shè)與管理助力，提高政府與管理人員的服務(wù)、管理水平。研究指出，將傾斜攝影測量技術(shù)應(yīng)用在城市建模設(shè)計中，也能夠最大程度節(jié)約資源，推動數(shù)字化技術(shù)朝向縱深領(lǐng)域發(fā)展，并發(fā)揮城市管理工作的內(nèi)在價值，進而為人們提供更加優(yōu)質(zhì)、便捷服務(wù)。作為新型測繪技術(shù)之一，傾斜航空攝影與正射影像的區(qū)別，主要體現(xiàn)在以下方面：正射影像僅能對地形、物體進行垂直拍攝，后者則有效彌補了正射影像的不足，可利用飛行器所布設(shè)傳感器，對地形、物體進行多層次、多角度拍攝，從而獲得更加完整的測繪影像。通過實踐能夠發(fā)現(xiàn)，該技術(shù)的優(yōu)勢可被歸納為四點，首先是該技術(shù)能夠做到如實展示被測物體情況，其次是使單張影像測量的設(shè)想成為現(xiàn)實，再次是其可被用來采集建筑正面、側(cè)面的紋理，最后是能夠壓縮測量所獲得數(shù)據(jù)體積，確保測量數(shù)據(jù)能夠被直接發(fā)布在互聯(lián)網(wǎng)上[1-2]。

1 三維建模技術(shù)要點

1.1 采集數(shù)據(jù)

以實際需求為依據(jù)，設(shè)計測區(qū)航線，通過無人機、具有傾斜攝影功能的飛行器完成航攝，酌情調(diào)整攝影時間、影像數(shù)據(jù)。待外業(yè)飛行告一段落，利用現(xiàn)有軟件轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)格式，保證經(jīng)過轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)，其內(nèi)部包含POS 初始數(shù)據(jù)、曝光點參數(shù)和相機文件等。隨后，解算POS 數(shù)據(jù)，得到精度符合要求的文件（文件格式為.sol），對解算所得到文件、phone ID 還有Event 參數(shù)進行融合，同時對相機進行檢校，得到具有實際意義的外方位元素，確?；谕夥轿辉厮⒛Ｐ团c實際情況高度契合。

1.2 三維建模

1.2.1 自動匹配 獲得建模所需數(shù)據(jù)后，利用管理模塊提取有效數(shù)據(jù)，仔細檢查影像質(zhì)量，對影像光色進行均勻。隨后，匹配同名點并提取APM 文件內(nèi)容，通過提高定向精度的方式，降低建模難度，為模型最終呈現(xiàn)出的效果提供保證。

1.2.2 空三處理 該環(huán)節(jié)需要有關(guān)人員以工作需求為依據(jù)，調(diào)整攝影所用相機參數(shù)，將APM 文件導(dǎo)入軟件，由軟件對拍攝區(qū)域進行分析，明確每張相片所對應(yīng)外方位元素，并自動生成相應(yīng)的文件資料。

1.2.3 建立模型 第一步，采集建筑屋頂線，基于現(xiàn)有軟件對屋頂做矢量處理。有關(guān)人員既可以選擇軟件內(nèi)置屋頂類型，同時也可以對屋頂進行自定義，視情況選擇房屋線并繪制建筑。第二步，以所導(dǎo)出DEM 模型為基礎(chǔ)，有序開展實體建模等工作，利用軟件所提供功能，計算建筑高度，并根據(jù)計算結(jié)果拉伸模型。第三步，由軟件自行提取圈定區(qū)域紋理信息，確定高精度紋理，用該紋理覆蓋白模[3]。通過實踐所積累經(jīng)驗?zāi)軌虬l(fā)現(xiàn)，該環(huán)節(jié)較易出現(xiàn)樹木紋理、地面紋理覆蓋建筑的情況，要想避免該問題發(fā)生，有關(guān)人員應(yīng)先對已粘貼紋理的模型進行瀏覽，再對模型進行優(yōu)化，保證所獲得模型精度符合要求且紋理覆蓋位置正確。

1.3 立體建模

要想對建筑結(jié)構(gòu)進行立體測量，關(guān)鍵是要先分析建筑結(jié)構(gòu)和外觀，根據(jù)分析所掌握信息，對相機方位元素加以確定，保證經(jīng)過檢校的相機能夠滿足測量要求，再以共線方程為依據(jù)，判斷建筑、影像間所存在幾何關(guān)聯(lián)。確定坐標后，借助3ds 軟件對坐標系、具體坐標進行展示，達到重構(gòu)幾何體的目的，最后一步，結(jié)合幾何體情況，調(diào)整工作方案，杜絕交互操作或類似問題發(fā)生。通過對某高級住宅數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)化能夠發(fā)現(xiàn)，立體模型（如圖1所示）的輪廓更加清晰，與傳統(tǒng)模型相比，立體模型在展示網(wǎng)格圖方面具有極為突出的優(yōu)勢，可降低有關(guān)人員掌握建筑、其他地面物體和影像間關(guān)系的難度，并使其形成更加深刻的印象。

圖1 建筑三維模型

1.4 提高精度

1.4.1 平面精度 對影像數(shù)據(jù)進行研究期間，有關(guān)人員先要提煉出有效坐標，再用不同顏色區(qū)分測量所得到坐標、實際坐標。某項目計劃利用多旋翼無人機完成傾斜攝影測量工作，無人機內(nèi)置多個鏡頭模塊，可將飛行高度控制在100 m，保證航向重疊度達到70%、旁向重疊度達到45%，同時攝影所獲得相片的分辨率為0.02 m。受電池續(xù)航能力影響，需要飛行2 次才能獲得完整圖像，其中，首次飛行線路為4 條，第二次飛行線路改為6條。物體坐標見表1，對測試平面誤差進行計算的公式如下

表1 物體測量偏差

通過計算可知，其側(cè)、橫坐標偏差均沒有超過允許范圍，由此可見，日后開展航測相關(guān)工作時，可對傾斜攝影測量加以運用。

1.4.2 DEM 精度 待航測工作告一段落，有關(guān)人員應(yīng)盡快對DEM 參數(shù)進行檢測，確定拍攝區(qū)域的最高點及誤差。例如，某地測量所得到最高點高度是41.02 m，經(jīng)過校正所得到高度是41.00 m，二者間存在一定誤差，為確保該參數(shù)具備應(yīng)有代表性，有關(guān)人員決定重新選擇兩個點并進行測量，測量結(jié)果分別是43.70 m、42.51 m，校正所得到的數(shù)據(jù)分別是43.70 m、42.52 m，誤差在可控范圍內(nèi)。這表示將該技術(shù)用于三維建模可取得理想效果，利用現(xiàn)有軟件對圖像進行拼接，能夠獲得和實際情況基本相同的影像及相關(guān)數(shù)據(jù)。

1.4.3 改進方法 對三維建模進行試驗期間有關(guān)人員發(fā)現(xiàn)，即使已經(jīng)引入了先進的設(shè)備和技術(shù)，但仍無法保證測試完全不存在誤差，導(dǎo)致該情況出現(xiàn)的原因，主要是設(shè)備自身存在誤差，加之在飛行過程中，地形、天氣條件均會給設(shè)備造成影響，要想盡量減小誤差，一方面要對設(shè)備精度進行提高，另一方面要深入分析航拍的模式與比例，靈活運用現(xiàn)有技術(shù)，對圖像、影像信息進行快速且準確的提取，使基礎(chǔ)測量等工作得到有序開展，為城市建設(shè)與發(fā)展助力[4]。

1.5 注意事項

利用該技術(shù)進行建模的關(guān)鍵，在于借助無人機、飛行器采集圖像，基于現(xiàn)有軟件對所采集數(shù)據(jù)、信息進行處理，確保各項數(shù)據(jù)均能夠得到充分利用[5]。校驗操作期間，應(yīng)重點關(guān)注布設(shè)信息情況，通過強化處理等方式，提高元素獲取效率和準確性，降低日后繪制圖紙等工作的難度。某縣城便計劃利用該技術(shù)建立城市三維模型，模型面積在12 km2左右，由于項目性質(zhì)較為特殊，客戶對設(shè)計實施情況、控制點和影像質(zhì)量提出了較為嚴格的要求，在工作過程中，有關(guān)人員遇到了較多難題，但均結(jié)合自身經(jīng)驗對問題進行了解決。例如，前期收集照片信息時，受氣候條件制約，少數(shù)照片的明度不理想，隨后，有關(guān)人員對存在上述問題的照片所覆蓋的范圍進行了補拍，補拍期間重點關(guān)注照片明度、光線，保證補拍所得到照片清晰。再例如，導(dǎo)入模型的格式不符合要求，無法利用現(xiàn)有軟件打開分塊模型、分區(qū)模型，同時模型存在絕對坐標，導(dǎo)致問題出現(xiàn)的原因，主要是像控點位置不合理，需要更改像控點位置，并重新建立相應(yīng)模型。

2 三維建模中傾斜攝影測量的應(yīng)用方向

新時期，城市發(fā)展速度明顯提升，不僅城市環(huán)境出現(xiàn)明顯變化，既有建筑外觀和風格也變得更加多樣化。對城市進行規(guī)劃期間，應(yīng)堅持以實際情況為依據(jù)，確保所制定規(guī)劃具有實際意義，以往所使用圖像編輯、人工攝影等方法，既不具備理想的針對性，又不具備較高的工作效率，現(xiàn)已逐漸被社會所淘汰，對傾斜攝影測量加以運用勢在必行。此舉一方面能夠縮短獲取信息的時間，另一方面可使物相集合關(guān)系得到直觀展示，通過優(yōu)化測量效果的方式，為城市規(guī)劃、建設(shè)等工作的開展提供便利。在三維建模期間，該技術(shù)的作用主要體現(xiàn)在以下方面：

2.1 虛擬漫游

利用傾斜攝影測量進行建模，可獲得更加逼真且形象的三維模型，為工作人員掌握城市景觀、既有建筑外觀特征提供便利。此外，該技術(shù)的加入，還使城市虛擬漫游成為可能，在條件允許的情況下，有關(guān)部門可以選擇開放三維模型，鼓勵人們通過互聯(lián)網(wǎng)瀏覽模型。相對于觀看二維地圖，瀏覽三維模型更有利于人們了解城市面貌，通過身臨其境的方式，使其對所觀看到的信息產(chǎn)生深刻印象。

2.2 實施設(shè)計方案

實施設(shè)計方案的流程如下：第一步，確定對城市進行網(wǎng)絡(luò)化管理的方案，將工業(yè)區(qū)、主城區(qū)作為分界線，對各個區(qū)域進行合理劃分。第二步，以現(xiàn)場情況為依據(jù)，結(jié)合布點要求選擇控制點，保證控制點所在位置對空視角良好，不存在陽光遮擋或類似問題，盡量縮小旁向重疊中心與控制點的距離，確保二者距離在3 cm 以內(nèi)。其中，市級數(shù)據(jù)尺主要包括1:500、1:1000 還有1:2000 三種；數(shù)字線劃圖應(yīng)采用矩形分幅，根據(jù)實際情況將分幅尺寸定位40×50 cm 或是50×50 cm；模型格網(wǎng)間距以2.5 m 為最佳；航空影像的地面分辨率應(yīng)控制在0.2 m左右，遙感影像分辨率則需要視情況進行調(diào)整，一般情況下，分辨率均應(yīng)處于0.5 m～30 m 之間。

2.3 建立三維景觀模型

對數(shù)據(jù)進行提取時，應(yīng)重點關(guān)注大比例數(shù)據(jù)圖所提供信息，嚴格按照：高度→地面邊界→地面高度這一順序?qū)Ｋ钄?shù)據(jù)信息進行獲取，與此同時，通過DXF對所提取景觀信息加以呈現(xiàn)。隨后，酌情修改DXF 文件，將修改后文件寫入數(shù)據(jù)庫，確保文件內(nèi)容和主機信息完全匹配，三維模型精度滿足表2 的要求，并將文件轉(zhuǎn)變成TAB 格式并存儲在對應(yīng)數(shù)據(jù)庫內(nèi)。待上述工作告一段落，便可對所建立模型進行全方位展示，確保模型價值能夠得到最大程度實現(xiàn)。

表2 三維模型精度（單位：m）

2.4 采集并粘貼不同紋理

2.4.1 選擇紋理 要想使傾斜攝影測量優(yōu)勢得到充分發(fā)揮，還應(yīng)對建立可視模型需要用到的紋理引起重視，保證所建立模型與城市情況相符。建模前，先要對紋理進行選擇，若不同影像所展示紋理夾角未超過90°，代表墻體影像滿足可視化要求，相關(guān)判定依據(jù)見表3。

表3 選擇紋理的依據(jù)

2.4.2 采集紋理 采集紋理需要有關(guān)人員利用數(shù)碼相機拍攝物體紋理，將拍攝所得到照片轉(zhuǎn)換成數(shù)字地形圖，從而確定其平面坐標，如果條件允許，還可以借助無人機等設(shè)備進行拍攝，這樣做能夠使拍攝角度更加自由、覆蓋更加全面。獲得照片后，靈活運用激光掃描、傾斜攝影等技術(shù)，對物體表面紋理加以確定。

2.4.3 粘貼紋理 粘貼紋理的步驟較為復(fù)雜，待采集紋理的工作告一段落，有關(guān)人員就應(yīng)當著手進行建模，確保模型能夠如實反映物體、建筑特征，在此基礎(chǔ)上，通過粘貼紋理的方式，使物體得到形象且直觀的展示，為日后數(shù)字化成圖等工作的開展提供便利。在此過程中，應(yīng)重點關(guān)注兩方面內(nèi)容，一是以建筑面積、體積為依據(jù)，通過分塊拍攝等方法，為照片內(nèi)容所具有飽和度提供保證，使照片質(zhì)量達到預(yù)期水平，二是結(jié)合實際地形，對建模理念加以確定，以建模理念為導(dǎo)向，選擇后續(xù)工作所使用的軟件，降低粘貼紋理的難度。

無論是在選擇紋理、采集紋理還是粘貼紋理期間，均要對建模需求加以考慮，增強所使用技術(shù)的針對性，無縫銜接數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)點，盡量縮小模型、實體建筑的差異，確保三維模型能夠發(fā)揮出應(yīng)有作用（見圖2）。

圖2 建筑模型成品

2.5 實驗驗證

建模的最后一步，便是通過實驗驗證模型有效性、科學性。實際工作中，應(yīng)借助SWDC-5 獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，分別拍攝各條航帶的照片，保證拍攝點和地面高度差在800 m 左右，避免出現(xiàn)照片覆蓋不全面的情況。另外，考慮到不同城市的建筑布局、種類和數(shù)量均有所區(qū)別，在圈定實驗范圍時，先要了解實際情況，例如，某地計劃對中層建筑模型進行建立，保證模型能夠準確反映中層建筑布局，為實現(xiàn)該目標，有關(guān)人員花費近5 h 建立了250個模型，建模速度和最終呈現(xiàn)出的效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)方法。

3 結(jié)論

綜上，研究了傾斜攝影測量技術(shù)在城市建模中的應(yīng)用?；谠摷夹g(shù)的應(yīng)用，能夠最大程度利用空間資源，多角度呈現(xiàn)城市面貌，對人們形象了解地理實際形態(tài)產(chǎn)生正面作用。綜上對三維建模要點進行分析，明確數(shù)據(jù)采集、立體建模在建模技術(shù)應(yīng)用中的價值，并且對虛擬漫游、線路景觀與貼圖紋理的關(guān)鍵點進行論述，通過對上述技術(shù)方案的應(yīng)用、使得建模速度明顯提升，并且能夠在數(shù)據(jù)資源較少的情況下完成建模，為數(shù)字化城市建模技術(shù)的發(fā)展提供有力支持。