傾斜攝影測量技術(shù)在城區(qū)實(shí)景三維模型建設(shè)中的應(yīng)用探討

張治木

摘要：針對目前城區(qū)建設(shè)實(shí)景三維模型作業(yè)方案不成熟，自動化生產(chǎn)的三維模型存在建筑物變形、拉花嚴(yán)重、水面空洞、懸浮物等問題。文章在深入分析傾斜攝影測量技術(shù)后，提出將傾斜攝影技術(shù)用于實(shí)景三維模型生產(chǎn)。文章首先介紹了傾斜攝影測量技術(shù)。以實(shí)際項(xiàng)目為例，對自動化實(shí)景三維模型生產(chǎn)流程進(jìn)行了詳細(xì)說明，并對實(shí)景三維模型存在的問題進(jìn)行了優(yōu)化處理。研究可以為城區(qū)實(shí)景三維模型生產(chǎn)帶來借鑒，也可以為精細(xì)化模型制作提供參考。

關(guān)鍵詞：傾斜攝影；實(shí)景三維模型；單體化；模型修飾

中圖分類號：P231 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2024）10-0120-04

0 引言

實(shí)景三維中國建設(shè)要求全國市縣在一定時間內(nèi)完成建成城鎮(zhèn)范圍線內(nèi)實(shí)景三維模型的生產(chǎn)。目前針對實(shí)景三維模型的生產(chǎn)，主流的作業(yè)方式是采用傾斜攝影測量技術(shù)[1-3]。然而由于作業(yè)方式不同、數(shù)據(jù)解算軟件算法不同等原因，在實(shí)際作業(yè)過程中，數(shù)據(jù)解算存在諸多問題，比如空三加密解算失敗，模型接邊精度超限，自動化生產(chǎn)的模型建筑物變形嚴(yán)重、懸浮物多、水域易出現(xiàn)空洞等[4-6]。針對目前存在的問題，筆者在分析了傾斜攝影測量技術(shù)后，提出采用無人機(jī)完成高分辨率傾斜數(shù)據(jù)的采集工作，利用瞰景Smart3D軟件完成高精度空三數(shù)據(jù)的解算和自動化實(shí)景三維模型的生產(chǎn)，并使用智覺空間的SVSGeoModeler軟件解決建筑物變形拉花問題，并基于SVSMeshEditor軟件完成懸浮物刪除、水面空洞的修補(bǔ)，最后對刪除的懸浮物，將模板庫中的路燈、樹木植入實(shí)景三維場景中，從而得到符合實(shí)景三維中國建設(shè)要求的數(shù)據(jù)成果。

1 傾斜攝影測量技術(shù)

“傾斜”一詞是相對于“垂直”二字來說的，其主要是指在航空攝影作業(yè)過程中，航攝儀從多個角度分別獲取被攝物體的紋理信息，這樣獲取的影像紋理信息更加豐富，可以獲得的測繪產(chǎn)品種類更多，用途更廣[7-8]。針對無人機(jī)而言，目前主流搭載的傾斜相機(jī)為5個鏡頭，其由1個下視與4個側(cè)視相機(jī)組合而成，下視直接獲取目標(biāo)地物頂部紋理信息，側(cè)視則獲取目標(biāo)地物側(cè)面紋理信息。在航攝實(shí)施時，飛控控制相機(jī)按照規(guī)劃好的航線航飛，并且在指定的位置完成相機(jī)的曝光以及影像數(shù)據(jù)的采集。無人機(jī)傾斜攝影數(shù)據(jù)獲取示意圖如圖1所示。

2 自動化實(shí)景三維模型生產(chǎn)流程

自動化實(shí)景三維模型生產(chǎn)流程主要包括傾斜影像數(shù)據(jù)采集、空三加密解算及平差、多視影像密集匹配、不規(guī)則三角網(wǎng)構(gòu)建、紋理自動映射，其詳細(xì)的計(jì)算步驟和流程如圖2所示。

3 案例分析

某市區(qū)要完成建成城鎮(zhèn)范圍線內(nèi)約65 km?優(yōu)于2 cm的實(shí)景三維模型生產(chǎn)任務(wù)。在結(jié)合已有無人機(jī)設(shè)備及軟件后，決定采用傾斜攝影方式進(jìn)行實(shí)景三維模型生產(chǎn)。

3.1 傾斜影像采集

在無人機(jī)起飛前，要完成設(shè)備檢查，主要對相機(jī)作業(yè)狀態(tài)、電池電量、機(jī)翼等進(jìn)行檢查，確保固定牢固，設(shè)備均正常作業(yè)。在作業(yè)過程中，無人機(jī)的航飛高度和范圍都要依照空域批復(fù)文件中的規(guī)定執(zhí)行，而且飛控手要對飛機(jī)的飛行狀態(tài)時刻觀察，確保飛機(jī)飛行狀態(tài)受控。在影像數(shù)據(jù)采集完成后，確保降落區(qū)域安全，完成無人機(jī)的降落。將內(nèi)存卡取出，完成影像數(shù)據(jù)和POS數(shù)據(jù)的拷貝。影像質(zhì)量和數(shù)據(jù)的完整性決定后續(xù)數(shù)據(jù)的解算精度，對影像進(jìn)行概覽，影像色調(diào)基本一致，無明顯色差，對比度適中，無曝光或遮擋影像，POS數(shù)據(jù)和影像對應(yīng)完整，航攝影像成果質(zhì)量好，可直接用于后續(xù)數(shù)據(jù)的解算。

3.2 像控點(diǎn)測量

本次航攝的數(shù)據(jù)成果，其POS精度無法滿足項(xiàng)目需求，因此需要采集像控點(diǎn)對成果進(jìn)行約束，從而保證精度符合要求。像控點(diǎn)測量包括兩部分內(nèi)容，即像控點(diǎn)的布點(diǎn)和采集。傾斜攝影重疊度大，無須考慮航向和旁向重疊度，因此布點(diǎn)按照均勻間隔布設(shè)。本次按照500 m的間隔完成內(nèi)業(yè)點(diǎn)位的初始布設(shè)，然后根據(jù)實(shí)地情況，再進(jìn)行最終點(diǎn)位的選取。在選取點(diǎn)位時，可以偏離初始點(diǎn)位50 m以內(nèi)，并要確保點(diǎn)位四周盡可能空曠，提高像控點(diǎn)內(nèi)業(yè)影像轉(zhuǎn)刺的影像數(shù)量。點(diǎn)位采取噴涂油漆的方式，這樣的點(diǎn)位更加準(zhǔn)確，對于道路指示線等明確的特征地物，也可以作為點(diǎn)位采集。在采集坐標(biāo)時，為了避免偶然誤差帶來的影響，每個點(diǎn)位采集多次數(shù)據(jù)，并取多次的平均值為最終測量值。為了提升內(nèi)業(yè)點(diǎn)位的判讀，在采集的同時，要拍攝現(xiàn)場照片，這樣可以提高內(nèi)業(yè)的判斷點(diǎn)位效率，避免點(diǎn)位轉(zhuǎn)刺錯誤。照片的拍攝一般要求一張近照，體現(xiàn)點(diǎn)位的準(zhǔn)確位置；兩張遠(yuǎn)照，體現(xiàn)點(diǎn)位和周邊地物的相對關(guān)系。

3.3 傾斜影像空三加密

將獲取的影像數(shù)據(jù)和POS 數(shù)據(jù)導(dǎo)入到瞰景Smart3D軟件中，完善相機(jī)參數(shù)，然后提交空三任務(wù)，引擎一機(jī)多開，完成高效率的影像特征點(diǎn)檢測提取等，并設(shè)置高配電腦的引擎能力，完成本次空三的平差調(diào)整。對完成的空三檢查，未發(fā)現(xiàn)分層、彎曲等空三常見問題，查看空三報(bào)告，所有影像平均分辨率為1.8 cm，加密點(diǎn)重投影中誤差0.5個像素，小于規(guī)范要求的2/3個像元大小，影像分辨率和空三精度均符合作業(yè)要求。導(dǎo)入外業(yè)測量的像控點(diǎn)，并對所有點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)刺，然后完成帶像控點(diǎn)的平差調(diào)整。對像控點(diǎn)精度進(jìn)行查看，所有像控點(diǎn)平面和高程中誤差均小于0.01 m，空三精度良好，可直接用于實(shí)景三維模型的生產(chǎn)。

3.4 傾斜影像自動化建模

實(shí)景三維模型生產(chǎn)涉及的算法較多，主要包括基于空三成果完成的密集點(diǎn)云計(jì)算，基于不規(guī)則三角網(wǎng)構(gòu)網(wǎng)原則構(gòu)建的體現(xiàn)地物結(jié)構(gòu)的三角網(wǎng)，基于三角網(wǎng)構(gòu)建的白膜，然后利用三角網(wǎng)點(diǎn)和航攝影像之間的關(guān)系，對三角網(wǎng)進(jìn)行紋理自動映射。在建模設(shè)置時，首先須設(shè)置三維重建框架，然后設(shè)置瓦片的切塊方式和大小，并且導(dǎo)入范圍線，對建模范圍進(jìn)行約束，導(dǎo)入水域范圍線，對水面進(jìn)行約束建模。設(shè)置瓦塊切塊原點(diǎn)和模型輸出原點(diǎn)，并且在本次生產(chǎn)中，輸出OSGB和OBJ兩種格式的實(shí)景三維模型。因?yàn)閷τ趩误w化，可以采用OSGB格式的模型完成，對于場景的精細(xì)化處理，由于OSGB格式金字塔層級多，在進(jìn)行精細(xì)化場景處理的過程中，容易出現(xiàn)三角網(wǎng)疊加而引起的閃面問題，因此在作業(yè)中須采用OBJ格式的模型進(jìn)行精細(xì)化場景處理。

4 精細(xì)化三維模型制作

采用瀏覽軟件查看自動化方式得到的模型，發(fā)現(xiàn)模型中部分建筑物變形拉花嚴(yán)重，水域部分存在空洞，樹木、路燈、指示牌等建模不完整，易出現(xiàn)懸浮物。為了解決這些問題，本次采用智覺空間的SVSGeo?Modeler 和SVSMeshEditor 兩款軟件進(jìn)行模型問題處理及場景修飾。

4.1 單體化模型制作

單體化模型制作其關(guān)鍵點(diǎn)是獲取建筑物的結(jié)構(gòu)框架。從這個方向出發(fā)，就可以采用兩種方式對建筑物結(jié)構(gòu)進(jìn)行采集，即基于模型的采集和基于虛擬立體像對的采集，其具體的作業(yè)流程如圖3所示。

在進(jìn)行單體化模型制作時，首先將去除畸變后的影像、平差得到的精確外方位元素和優(yōu)化后的相機(jī)參數(shù)導(dǎo)入到SVSGeoModeler軟件中，添加OSGB格式的模型數(shù)據(jù)，構(gòu)建影像金字塔，完成虛擬立體像對的恢復(fù)?；诳杖用艹晒?，在采集建筑物時，可以直接在虛擬立體環(huán)境下采集建筑物的頂點(diǎn)及邊，然后通過拉伸、擠壓等操作，獲取準(zhǔn)確的建筑物結(jié)構(gòu)。在沒有立體設(shè)備的電腦上，也可以直接在模型上采集建筑物的結(jié)構(gòu)，但是有時因模型變形嚴(yán)重，通過模型采集的建筑物結(jié)構(gòu)精度易超限。本次基于虛擬立體像對對變形建筑物進(jìn)行單體化建模，得到某一建筑單體化前后的對比如圖4所示。

4.2 精細(xì)化場景制作

實(shí)景三維模型是一種典型的“一張皮”模型，它是由無數(shù)個三角網(wǎng)構(gòu)成的。實(shí)景模型場景出現(xiàn)水域空洞、路燈、樹木、指示牌等的懸浮物，主要是因?yàn)樵谏擅芗c(diǎn)云時，生成的點(diǎn)云數(shù)量少，達(dá)不到構(gòu)建三角網(wǎng)的要求，因此才會出現(xiàn)上述問題。

4.2.1 水域空洞問題處理

水域空洞問題處理，目前主要有兩種方案：一是在建模前對水域進(jìn)行約束建模；二是基于實(shí)景三維模型完成水域空洞的編輯。

1） 對水域進(jìn)行約束建模。由于水面信息相似，屬于典型的弱紋理信息，因此在進(jìn)行同名點(diǎn)提取時，無法準(zhǔn)確獲取水域部分的同名點(diǎn)。因此在后期生成密集點(diǎn)云時，不能基于空三成果而得到水域的點(diǎn)云，從而導(dǎo)致水域無法構(gòu)建三角網(wǎng)。正常情況下，水面高程是一致的。從這個角度出發(fā)，將水域范圍及其高程賦值到約束范圍線上，導(dǎo)入建模軟件中，對水面進(jìn)行約束建模，可以得到?jīng)]有空洞的水面模型。

2） 基于實(shí)景三維模型完成水域空洞的編輯。水域空洞是因?yàn)闆]有三角網(wǎng)而產(chǎn)生的，因此可以對水域空洞進(jìn)行內(nèi)插，即利用周邊三角網(wǎng)頂點(diǎn)的坐標(biāo)信息，對水域空洞區(qū)域進(jìn)行坐標(biāo)的內(nèi)插以及三角網(wǎng)的構(gòu)建。

然后基于傾斜影像完成紋理的自動映射。對于映射錯位及效果不好的區(qū)域，聯(lián)動Photoshop軟件進(jìn)行紋理修飾。由于水面的特殊性，也可以在模型上將水域部分的范圍及高程信息量取，然后利用3D Max等軟件構(gòu)建一個水面，再將場景和水面進(jìn)行合并，從而完成水域空洞的修補(bǔ)。

本次采用對水域進(jìn)行約束建模的方法，得到水域處理前后的對比如圖5所示。

4.2.2 懸浮物刪除及地物植入

路燈、樹木、廣告牌等因?yàn)槠渲螚U較細(xì)，在影像解算過程中，無法獲取密集的點(diǎn)構(gòu)建三角網(wǎng)，因此出現(xiàn)了空中懸浮這一問題，一般稱為懸浮物。對于懸浮物的處理，如果全部進(jìn)行單體化，工作量就會特別大，且缺乏實(shí)際意義，一般不采用這種作業(yè)方式。處理懸浮物的主要原因是為了美觀，因此在實(shí)際作業(yè)過程中，一般都是對懸浮物進(jìn)行刪除，然后將場景壓平，再將模板庫中類似的小品（模板庫中的各類地物統(tǒng)稱為小品）植入原有的位置上，從而實(shí)現(xiàn)場景的精細(xì)化制作修飾。本次實(shí)際作業(yè)就采用上述方法，得到的對比如圖6所示。

5 結(jié)束語

文章首先介紹了傾斜攝影技術(shù)，并以實(shí)際生產(chǎn)項(xiàng)目為例，探討了傾斜攝影技術(shù)在城區(qū)實(shí)景三維模型制作中的應(yīng)用，并針對自動化構(gòu)建的實(shí)景三維模型存在的問題，提出了一些解決方案，從而得到了精細(xì)化實(shí)景三維模型。本文的研究可以為城區(qū)精細(xì)化實(shí)景三維模型的構(gòu)建帶來借鑒。

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【通聯(lián)編輯：梁書】