傾斜攝影技術(shù)支持的實(shí)景三維模型制作DOM研究

賈夙 徐花芝 吳艷艷 張?jiān)蕽? 吳琪 任彤欣 鄭偉安

收稿日期：20240119；修訂日期：20240222；編輯：王敏

基金項(xiàng)目：山東省科學(xué)技術(shù)廳，省級自然資源監(jiān)測監(jiān)管大數(shù)據(jù)應(yīng)用服務(wù)平臺建設(shè)（2019JZZY020103）

作者簡介：賈夙（1973—），男，山東濟(jì)寧人，工程師，主要從事工程測量方面的工作；Email：2971161758@qq.com

*通訊作者：徐花芝（1983—），女，山東青島人，高級工程師，主要從事LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)、影像處理等工作；Email：93731551@qq.com

摘要：數(shù)字正射影像圖被廣泛應(yīng)用于基礎(chǔ)測繪和國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)等領(lǐng)域，不斷完善高效制作高分辨率數(shù)字正射影像的技術(shù)是十分有必要的。本文結(jié)合生產(chǎn)實(shí)踐，研究了傾斜攝影技術(shù)支持的實(shí)景三維模型制作DOM技術(shù)，將實(shí)景三維模型空三加密成果作為DOM制作所需的空三成果，并通過實(shí)景三維模型生成真數(shù)字正射影像快速替換、修補(bǔ)高大建筑物等拼接困難區(qū)域，實(shí)現(xiàn)對DOM的圖面修復(fù)。該技術(shù)相比傳統(tǒng)DOM生產(chǎn)方法，無需重復(fù)進(jìn)行大數(shù)據(jù)量無人機(jī)影像空中三角測量，充分利用實(shí)景三維模型成果數(shù)據(jù)，將實(shí)景三維模型重建與DOM制作進(jìn)行有效結(jié)合，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)高分辨率DOM的高效制作。

關(guān)鍵詞：無人機(jī)傾斜攝影；實(shí)景三維模型；空中三角測量；高分辨率；DOM

中圖分類號：P231??? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A??? doi：10.12128/j.issn.16726979.2024.05.006

引文格式：賈夙，徐花芝，吳艷艷，等.傾斜攝影技術(shù)支持的實(shí)景三維模型制作DOM研究［J］.山東國土資源，2024，40（5）：3944.JIA Su， XU Huazhi， WU Yanyan， et al. Study on DOM for Realistic 3D Model Production Supported by Oblique Photography Technology［J］.Shandong Land and Resources，2024，40（5）：3944.

0? 引言

隨著傾斜攝影測量技術(shù)的發(fā)展，三維模型已經(jīng)廣泛應(yīng)用在智慧城市建設(shè)、城市規(guī)劃、土石方計(jì)算等方面，三維模型數(shù)據(jù)具有信息豐富、更加直觀的優(yōu)勢，但其巨大的數(shù)據(jù)量以及與各專業(yè)軟件的兼容性不佳限制了其應(yīng)用。數(shù)字正射影像圖（Digital Orthophoto Map，DOM）等成果數(shù)據(jù)資料仍具有廣泛的應(yīng)用價值［1］。DOM不僅可以作為地圖分析的背景控制信息，還可以為其他基礎(chǔ)地理信息產(chǎn)品提供更多參考信息，為數(shù)字城市建設(shè)、各種規(guī)劃調(diào)查管理和災(zāi)害防治等提供現(xiàn)勢性強(qiáng)的基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)［24］。

傳統(tǒng)的大型載人飛機(jī)航空攝影測量制作DOM過程復(fù)雜、生產(chǎn)效率低、成本較高。無人機(jī)傾斜攝影作為一項(xiàng)新興的測繪手段，得到迅猛發(fā)展，具有續(xù)航時間長、成本低、機(jī)動靈活等優(yōu)點(diǎn)［56］，高效率多角度的數(shù)據(jù)采集，使得傾斜攝影測量在實(shí)景三維建設(shè)中得到了廣泛的應(yīng)用，多角度的影像能夠確立復(fù)雜的場景之間的空間相對關(guān)系，自動聯(lián)合起來進(jìn)行空中三角測量計(jì)算［78］，是目前城市場景實(shí)景三維建設(shè)的主要數(shù)據(jù)來源，采集的原始影像分辨率常常高達(dá)2～3 cm。包媛媛等人［9］研究了基于傾斜影像的DOM快速制作技術(shù)流程，并利用實(shí)測數(shù)據(jù)證明了DOM的精度符合成圖要求。陳亮［10］研究了利用已有的街景工廠空三加密成果，無縫銜接到像素工廠生產(chǎn)高分辨率正射影像的方案。李曉雙等［11］研究了已有實(shí)景三維模型的基礎(chǔ)上，利用Contextcapture軟件和Inpho軟件，快速地生產(chǎn)高精度的正射影像數(shù)據(jù)的方法，需要從實(shí)景三維模型成果的空三文件中提取相機(jī)文件和下視影像的外方位元素，再采用Inpho軟件對下視影像進(jìn)行正射糾正。

在實(shí)景三維建設(shè)中，當(dāng)成果數(shù)據(jù)只有三維模型時，想獲得正射影像數(shù)據(jù)，往往需要重新進(jìn)行空中三角測量，但是由于高分辨率無人機(jī)傾斜攝影下視影像框幅小、相片數(shù)量大，制作DOM時空中三角測量以及影像拼接、鑲嵌會耗費(fèi)大量時間，極大影響數(shù)字正射影像的生產(chǎn)效率，因此本文提出利用實(shí)景三維模型空三成果以及真數(shù)字正射影像制作DOM，無需重復(fù)生產(chǎn)大數(shù)據(jù)量無人機(jī)影像空三，利用真數(shù)字正射影像圖（True Digital Orthophoto Map，TDOM）提高圖面修復(fù)的效率和質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)高分辨率DOM的高效制作。

1? 研究思路

1.1? 技術(shù)路線

數(shù)字正射影像圖制作經(jīng)過長期發(fā)展，技術(shù)路線和工藝流程逐漸被固定下來，傳統(tǒng)的DOM生產(chǎn)流程中［1213］，空中三角測量、數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）匹配編輯以及鑲嵌調(diào)色等關(guān)鍵技術(shù)對于后續(xù)DOM制作的效率和成果質(zhì)量具有決定性的作用。當(dāng)利用無人機(jī)傾斜影像制高分辨率DOM時，由于下視影像框幅小、相片數(shù)量大，空三加密以及DEM數(shù)據(jù)生產(chǎn)環(huán)節(jié)會耗費(fèi)大量時間，嚴(yán)重影響DOM的生產(chǎn)效率和精度。

本文研究基于無人機(jī)傾斜攝影實(shí)景三維模型空三加密成果、匹配點(diǎn)云和TDOM，快速制作DOM。利用Photoscan軟件對無人機(jī)傾斜下視影像結(jié)合匹配點(diǎn)云生成的DEM進(jìn)行正射糾正，通過影像鑲嵌、勻光勻色、鑲嵌線編輯、分幅裁切、圖面修復(fù)、質(zhì)量檢查等工序，制作完成高分辨率DOM。技術(shù)路線如圖1所示：

1.2? 新建工程導(dǎo)入實(shí)景三維模型空三成果

在Photoscan中導(dǎo)入無人機(jī)傾斜攝影下視影像、初始POS，設(shè)置相機(jī)參數(shù)，完成工程建立。再直接導(dǎo)入實(shí)景三維模型的空三加密成果，并進(jìn)行優(yōu)化圖片對齊方式操作完成平差優(yōu)化，空三作業(yè)完成。

利用實(shí)景三維模型空三加密成果無需重復(fù)對大數(shù)據(jù)量無人機(jī)影像進(jìn)行空中三角測量，極大提高了影像生產(chǎn)效率。

1.3? DEM制作

（1）輸出密集匹配點(diǎn)云

利用無人機(jī)傾斜實(shí)景三維模型成果，輸出1m間距（可根據(jù)需要設(shè)置）的密集匹配點(diǎn)云數(shù)據(jù)，大大減少了利用空三成果匹配點(diǎn)云的工作量。

（2）點(diǎn)云分塊

基于軟件處理速度和計(jì)算機(jī)內(nèi)存管理的需要，設(shè)置每一次讀入的數(shù)據(jù)塊大小，如1 km×1 km，然后讀入密集匹配點(diǎn)云進(jìn)行分塊處理。

（3）噪聲點(diǎn)濾除

明顯低于地面的點(diǎn)或點(diǎn)群（低點(diǎn)）和明顯高于地表目標(biāo)的點(diǎn)或點(diǎn)群（空中點(diǎn)）被定義為噪聲點(diǎn)。在進(jìn)行地面點(diǎn)分類之前，首先采用高程比較法將這類點(diǎn)分離出來。將一個或一組點(diǎn)與周邊一定范圍內(nèi)的點(diǎn)進(jìn)行比較，若超過一定的閾值則將該點(diǎn)或該組點(diǎn)判斷為噪聲點(diǎn)進(jìn)行去除［14］。

（4）自動分類

提取地面點(diǎn)云。相對于地物點(diǎn)，地面點(diǎn)的高程是最低的。使用提取地面點(diǎn)云算法，從較低的三維點(diǎn)中提取初始地表面；基于初始地表面，設(shè)置地面坡度閾值進(jìn)行迭代運(yùn)算，直至找到合理的地面［1516］。

去除高程異常點(diǎn)。地面地形具有連續(xù)性，地形高程的陡升或陡降區(qū)可能是分類不完全或不正確所致。利用去除高程異常點(diǎn)算法，將導(dǎo)致地形陡升的點(diǎn)云從地面點(diǎn)云中去除；將導(dǎo)致地形陡降的點(diǎn)云數(shù)據(jù)從其他層中重分類為地面點(diǎn)云，保證獲取完整連續(xù)的地面。

（5）點(diǎn)云編輯

編輯修改自動分類后的點(diǎn)云，將分類錯誤的點(diǎn)進(jìn)行重分類，實(shí)現(xiàn)地面與非地面的準(zhǔn)確分類，地面點(diǎn)云。

（6）DEM輸出

將分類編輯后的地面層點(diǎn)云作為權(quán)值相同的特征點(diǎn)進(jìn)行DEM構(gòu)建。

1.4? 正射糾正

數(shù)字高程模型（DEM）是數(shù)字微分糾正的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，利用DEM數(shù)據(jù)對單片影像進(jìn)行傾斜改正及投影差改正，從而將中心投影的影像糾正為正射投影的正射影像［1718］。導(dǎo)入點(diǎn)云編輯生成的DEM進(jìn)行正射糾正，并檢查糾正后的影像是否存在失真、變形，特別是房屋、道路以及橋梁，是否有房角拉長、房屋陰影重影、道路和橋梁扭曲變形等。若有此情況，則要重新編輯DEM，重新進(jìn)行正射糾正，確保糾正無變形和錯誤。

1.5? 影像鑲嵌

對單片正射影像進(jìn)行自動化鑲嵌處理，對鑲嵌線切割建筑物或各類線狀地物等問題進(jìn)行手工編輯處理，而鑲嵌線的編輯也有一定的方法與原則［1921］。由于線性地物拼接時容易出現(xiàn)變形、錯位，因此編輯鑲嵌線應(yīng)盡量避免穿過明顯的線性地物，沿著地物的邊緣輪廓或者有明顯分界線的地方進(jìn)行編輯，確保地物影像完整、過渡自然，紋理清晰、無明顯拼接痕跡。另外，小區(qū)內(nèi)的樓房在保證建筑物完整的前提下，盡量保持投影方向一致，盡量避免建（構(gòu)）筑物反向、壓蓋、交錯等現(xiàn)象。此外，當(dāng)測區(qū)面積較大時，需要分塊進(jìn)行鑲嵌線編輯，提高鑲嵌線編輯的效率。

1.6? 影像勻色

影像勻色處理是為了消除由于天氣、光照、航攝時間的影響，影像在色彩以及亮度上產(chǎn)生的明顯差異，從而使正射影像圖整體色調(diào)保持一致［17，22］。在編輯鑲嵌線后，若有不能通過編輯鑲嵌線消除的色調(diào)差異，需要對影像進(jìn)行局部勻色，使成果色調(diào)均衡，反差適中，層次分明，保證測區(qū)內(nèi)影像整體色調(diào)趨于一致，色彩接近真實(shí)地物的顏色，避免曝光過度，造成影像細(xì)節(jié)信息的缺失。

1.7? 圖面修復(fù)

對分幅影像數(shù)據(jù)進(jìn)行滿幅檢查，確保DOM影像的視覺連續(xù)性［23］，目視檢查影像的清晰度，色彩鮮明度及連續(xù)色調(diào)變化，確保影像反差適中，色彩均勻，確保影像無變形、拉花和錯位問題，尤其不能出現(xiàn)地物丟失問題。對不可規(guī)避的變形、錯位、投影差等問題，通過修編DEM、分幅勻色、Photoshop軟件修圖等方式進(jìn)行處理修復(fù)，同時利用實(shí)景三維模型成果，自動輸出真數(shù)字正射影像（TDOM），快速替換、修補(bǔ)高大建筑物等拼接困難區(qū)域，提高影像修復(fù)效率和質(zhì)量。

2? 試驗(yàn)分析

2.1? 試驗(yàn)項(xiàng)目概況

按照《山東省自然資源廳關(guān)于全面推進(jìn)實(shí)景三維山東建設(shè)的通知》（魯自然資發(fā)〔2022〕5號），為滿足某地區(qū)國土空間規(guī)劃、用途管制、耕地保護(hù)、生態(tài)修復(fù)、審批監(jiān)管等自然資源管理、政府部門及社會行業(yè)，以及政務(wù)版、公眾版地理信息公共服務(wù)平臺的應(yīng)用需求，山東省國土測繪院承擔(dān)某地區(qū)實(shí)景三維建設(shè)項(xiàng)目。

使用HY150六旋翼航測無人機(jī)系統(tǒng)和HY300垂直起降固定翼無人機(jī)系統(tǒng)兩種無人機(jī)設(shè)備，搭載YD200傾斜攝影相機(jī)載荷獲取某地城區(qū)及鄉(xiāng)鎮(zhèn)駐地93km2傾斜影像數(shù)據(jù)，制作0.03m分辨率實(shí)景三維模型和1∶500數(shù)字正射影像圖以及基礎(chǔ)地理信息（實(shí)體）數(shù)據(jù)生產(chǎn)，建設(shè)實(shí)景三維管理系統(tǒng)，滿足可視化瀏覽、時空分析，構(gòu)建某地區(qū)實(shí)景三維，推動自然資源管理從二維向三維轉(zhuǎn)變。

2.2? 試驗(yàn)方法

本研究采用傳統(tǒng)DOM生產(chǎn)流程和新的技術(shù)路線對試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)流程見圖2所示。

圖2? DOM生產(chǎn)試驗(yàn)流程

傳統(tǒng)DOM生產(chǎn)流程首先對無人機(jī)獲取的下視影像進(jìn)行畸變改正，再用Inpho軟件新建工程，基于畸變校正影像進(jìn)行相對定向，轉(zhuǎn)刺像控點(diǎn)，聯(lián)合平差及絕對定向，完成空三加密。然后利用空三加密成果進(jìn)行點(diǎn)云匹配，經(jīng)點(diǎn)云柵格化DEM和編輯處理后輸出DEM成果。接下來利用集群系統(tǒng)，基于DEM對畸變后下視影像進(jìn)行快速正射糾正，得到單片正射影像。最后將單片正射影像導(dǎo)入像素工廠，進(jìn)行快速鑲嵌，經(jīng)鑲嵌線編輯、勻光勻色、分幅、變形修改、質(zhì)量檢查等工序，制作完成1∶500比例尺，地面分辨率為0.03m的DOM。

新的傾斜攝影技術(shù)支持的實(shí)景三維模型制作DOM的研究方法，無需對下視影像進(jìn)行畸變改正，直接將原始影像采用Photoscan軟件新建工程，導(dǎo)入模型空三成果，不用重復(fù)進(jìn)行任務(wù)繁重的無人機(jī)影像空中三角測量工作。再利用模型輸出的密集匹配點(diǎn)云制作的DEM進(jìn)行正射糾正，大大節(jié)省了利用空三加密成果匹配點(diǎn)云編輯DEM的時間。然后經(jīng)鑲嵌編輯、勻光勻色、分幅、變形修改等工序，并結(jié)合模型輸出的TDOM替換、修補(bǔ)高大建筑物等拼接困難區(qū)域，制作完成1∶500比例尺，地面分辨率為0.03m的DOM，大大提高了無人機(jī)高分辨率DOM的制作效率（圖3）。

2.3? 精度對比分析

為了獲取地面的點(diǎn)位精度，選擇試驗(yàn)區(qū)具有代表性的地物點(diǎn)，利用外業(yè)實(shí)測的平面檢查點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)檢驗(yàn)兩種方法制作的數(shù)字正射影像成果精度，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1、表2。0.03m分辨率1∶500比例尺數(shù)字正射影像圖平面位置精度以明顯地物點(diǎn)的平面位置中誤差來表示，平地測區(qū)精度不應(yīng)低于0.3m，最大誤差不超過平面位置中誤差的兩倍［2425］。由表1和表2可以看出，基于傳統(tǒng)方法生產(chǎn)的DOM中誤差為±0.168 m，而本文利用無人機(jī)傾斜實(shí)景三維模型成果制作的DOM中誤差為±0.089 m，遠(yuǎn)小于精度限差，因此，利用無人機(jī)傾斜實(shí)景三維模型成果制作DOM，完全滿足制作1∶500比例尺DOM的精度要求。

2.4? 效率對比分析

通過分別采用傳統(tǒng)方法和利用無人機(jī)傾斜實(shí)景三維成果進(jìn)行正射影像制作，各處理階段耗時如表3所示。

表3? 不同方法制作正射影像各階段耗時對比? 單位：d流程傳統(tǒng)方法本文方法畸變改正0.50建立工程0.30.1空三加密30DEM生產(chǎn)22正射糾正0.50.5鑲嵌勻色22分幅裁切0.50.5圖面修復(fù)32總耗時11.87.1

從表3可看出，在保證正射影像精度滿足于規(guī)范要求的情況下，本文方法的生產(chǎn)效率明顯要高于傳統(tǒng)的DOM制作流程，效率提升了40%，減少了工作量，極大地提高了工作效率。

3? 結(jié)論

本文研究了傾斜攝影技術(shù)支持的實(shí)景三維模型制作DOM的技術(shù)方法，將實(shí)景三維模型重建數(shù)據(jù)成果與DOM制作進(jìn)行有效結(jié)合，優(yōu)化了數(shù)字正射影像生產(chǎn)作業(yè)流程。試驗(yàn)結(jié)果表明，本文技術(shù)方法在不重復(fù)進(jìn)行空中三角測量的情況下提升了DOM的制作效率和平面精度，利用真數(shù)字正射影像對拼接困難區(qū)域進(jìn)行圖面修復(fù)，提高了數(shù)字正射影像質(zhì)量，降低了生產(chǎn)成本，為利用無人機(jī)影像快速制作高分辨率DOM提供一種新思路。

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Study on DOM for Realistic 3D Model Production Supported by Oblique Photography Technology

JIA Su1， XU Huazhi1， WU Yanyan2，ZHANG Yuntao1， WU Qi1， REN Tongxin1， ZHENG Wei'an1

（1.Shandong Provincial Institute of Land Surveying and Mapping， Shandong Ji'nan 250102， China;2. Ji'nan Explration Institute of Surveying and Mapping， Shandong Ji'nan 250101， China）

Abstract：Digital orthophoto map is widely used in the fields of basic surveying and mapping and national economic construction， so it is necessary to continuously improve the technical methods for efficient production of high-resolution DOM. Combining with the production practice， technical method of real scene 3D model making DOM supported by oblique photography technology has been studied. The results of real scene 3D model can be regarded as the required results of DOM production. True digital orthophoto map can be generated by the real scene 3D model to quickly replace and repair the difficult areas as tall buildings， so as to realize the DOM map surface repair. Comparing with traditional DOM production method， this technology does not need to carry out repeated aerial triangulation of UAV images with large data. It will make full use of real scene 3D model results， and effectively combines the reconstruction of real scene 3D model with DOM production to realize the efficient production of high-resolution DOM for UAV.

Key words：UAV oblique photography; real scene 3D model; aerial triangulation; high resolution；DOM