基于傾斜攝影建模的三維測(cè)圖要點(diǎn)研究

摘要：由于現(xiàn)有的測(cè)圖精度低，因此，研究基于傾斜攝影建模的三維測(cè)圖要點(diǎn)。配準(zhǔn)多站點(diǎn)云數(shù)據(jù)，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，采用Studio軟件平臺(tái)進(jìn)行曲面重建，以完成點(diǎn)云數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。運(yùn)用傾斜攝影技術(shù)獲取大量地物單元圖像，提取圖像邊界，構(gòu)建三維地物單元表達(dá)模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)地物單元空間特征的全面展示。利用EPS軟件應(yīng)用平臺(tái)自動(dòng)完成標(biāo)高線的生成。將提取的地物數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合整理，并導(dǎo)入TREE軟件平臺(tái)中完成圖廓的繪制。測(cè)試結(jié)果表明，計(jì)算得到三維激光掃描數(shù)據(jù)的高程與實(shí)際值誤差為0.3 mm，符合成圖規(guī)范的相應(yīng)要求，還原了真實(shí)地表信息，高精度提取了地表特征點(diǎn)，達(dá)到了良好的測(cè)試效果。

關(guān)鍵詞：傾斜攝影 建模 三維測(cè)圖 測(cè)試與分析

Research on Key Points of 3D Mapping Based on Oblique Photographic Modeling

GU Chenqian

Nantong Surveying and Mapping Institute Co.， Ltd， Nantong， Jiangsu Province， 226006 China

Abstract： Due to the low accuracy of existing mapping， the main points of 3D mapping based on oblique photographic modeling are studied. Multi-site cloud data is registered， the point cloud data is filtered， and the Studio software platform is used for surface reconstruction to complete the point cloud data preparation. A large number of surface object unit images are obtained by oblique photography technology， and the image boundary is extracted. The three-dimensional surface object unit expression model is constructed， and the spatial characteristics of surface object unit are fully displayed. The elevation line is generated automatically by EPS software application platform. The extracted surface object data is comprehensively sorted out and imported into the TREE software platform to complete the drawing of the map outline. The test results show that the error between the calculated 3D laser scanning data and the actual value is 0.3 mm， which conforms to the corresponding requirements of the mapping specification， restores the real surface information， extracts the surface feature points with high precision， and achieves good test results.

Key Words： Oblique photography; Modeling; Three-dimensional mapping; Testing and analysis

隨著遙感技術(shù)的飛速發(fā)展，三維測(cè)圖技術(shù)不僅極大地提升了測(cè)繪作業(yè)的精度與效率，更實(shí)現(xiàn)了對(duì)復(fù)雜地形地貌與城市環(huán)境的精細(xì)化重構(gòu)。通過(guò)多源數(shù)據(jù)融合，構(gòu)建出具有真實(shí)感、可量測(cè)的三維空間模型，為城市規(guī)劃等領(lǐng)域提供了有力的數(shù)據(jù)支撐。三維測(cè)圖技術(shù)為各行各業(yè)提供了更加直觀、精準(zhǔn)的空間信息解決方案。在分析過(guò)程中，趙文普等人[1]提出衛(wèi)星搭載了雙線陣有效載荷，利用立體像對(duì)進(jìn)行合理匹配，生成三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，將生成的三維地形圖。何進(jìn)榮等人[2]提出輸入隨機(jī)噪聲向量到運(yùn)行器，運(yùn)行器輸出一張假圖像，在訓(xùn)練完成后，可以使用生成器生成大量的逼真圖像，這些圖像可以用于模擬真實(shí)的測(cè)圖環(huán)境或作為測(cè)圖數(shù)據(jù)的補(bǔ)充。但上述兩種方法都有一定局限性，因此，本文以三維測(cè)圖要點(diǎn)為研究對(duì)象，運(yùn)用傾斜攝影建模，結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行詳細(xì)測(cè)試與分析。

1 三維測(cè)圖要點(diǎn)

1.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

根據(jù)研究區(qū)地形地貌特征，結(jié)合前期部署的施工控制網(wǎng)，安裝了GPS接收機(jī)，獲取研究站的實(shí)時(shí)坐標(biāo)?，F(xiàn)場(chǎng)掃描過(guò)程中，相鄰測(cè)量站點(diǎn)云重疊度超過(guò)40%，保證下一步點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)的高精度。其次，需要注冊(cè)多域云數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換獨(dú)立站模型之間的空間坐標(biāo)，通過(guò)支持THKIE軟件的掃描儀將相鄰站數(shù)據(jù)注冊(cè)到地面站坐標(biāo)系中，并對(duì)相鄰站進(jìn)行比較和配對(duì)，以確保處理和配對(duì)，直到所有測(cè)量站的數(shù)據(jù)登記完成，以檢查是否符合標(biāo)準(zhǔn)。在條件平差中所運(yùn)用的公式為

式（1）中：為條件方程的系數(shù)矩陣；為觀測(cè)值向量；為常數(shù)向量。通過(guò)平差運(yùn)算，可以消除觀測(cè)過(guò)程中的誤差，達(dá)到高質(zhì)量的數(shù)據(jù)配準(zhǔn)。當(dāng)逐站配準(zhǔn)效果沒(méi)有滿足要求時(shí)，可以通過(guò)手動(dòng)干預(yù)，利用特征地物進(jìn)行同名點(diǎn)對(duì)或面的配準(zhǔn)，以實(shí)現(xiàn)測(cè)區(qū)的精確配準(zhǔn)。在三維激光掃描過(guò)程中，由于周?chē)h(huán)境的影響，所以獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)常包含噪聲點(diǎn)。預(yù)處理階段，需對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，去除噪聲點(diǎn)，以保證后期三維曲面構(gòu)建的質(zhì)量?；邳c(diǎn)云數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分布，利用高斯分布的特性，使用準(zhǔn)則進(jìn)行過(guò)濾。其公式為

式（2）中：為平均距離；為距離平均值；為標(biāo)準(zhǔn)差。數(shù)據(jù)點(diǎn)應(yīng)主要集中在均值附近，遠(yuǎn)離均值的數(shù)據(jù)點(diǎn)可能是噪聲。針對(duì)不同類(lèi)型的噪聲，將點(diǎn)云數(shù)據(jù)裁剪分塊處理，必要時(shí)，輔以人工手動(dòng)去除噪聲點(diǎn)。由于濾波處理中點(diǎn)云數(shù)據(jù)中易形成空洞[3]，因此，對(duì)于復(fù)雜地形區(qū)域，采用Studio軟件平臺(tái)進(jìn)行曲面重建，以完成點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理過(guò)程。

1.2 提取傾斜攝影地物邊界信息

在三維測(cè)圖過(guò)程中，運(yùn)用傾斜攝影技術(shù)獲取的大量地物單元圖像，根據(jù)固定順序提取圖像邊界。因此，通過(guò)構(gòu)建貼片模型，該模型作為地理平面，具有中心點(diǎn)、法向量，為圖像的匹配提供了有效框架。在圖像匹配過(guò)程中，需要確保光影一致性。采用共軛算法來(lái)優(yōu)化光影值，從而計(jì)算出最佳光影數(shù)值，其公式為

式（3）中：為參照?qǐng)D像的子集；為與圖像匹配的最佳聚光數(shù)；為貼片模型；為整體圖像集。在圖像處理中，貼片模型的可見(jiàn)性主要受參照?qǐng)D像集的一個(gè)子集和計(jì)算得到光影最佳數(shù)值影響。因此，需要針對(duì)稀疏匹配后較為緊密的地物單元圖像，利用深度圖像進(jìn)行膨脹處理，以獲取更新后的參照?qǐng)D像子集估計(jì)值。將圖像坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為極坐標(biāo)系統(tǒng)，從而在坐標(biāo)軸上針對(duì)圖像的邊界信息進(jìn)行查找與提取[4]。根據(jù)估計(jì)更新后的參照?qǐng)D像子集，對(duì)貼片模型進(jìn)行調(diào)整，以達(dá)到最佳的圖像匹配效果。將匹配后的地物單元圖像整合為集合，并再次將圖像坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為極坐標(biāo)，確保邊界信息的提取過(guò)程更加高效。為了滿足地物單元表達(dá)模型的構(gòu)建需求，根據(jù)與提取三維地物單元的邊界信息。選擇具體像素點(diǎn)的數(shù)量，設(shè)定極值點(diǎn)作為初始搜索基準(zhǔn)點(diǎn)，通過(guò)迭代搜索，最終輸出地物單元的邊界點(diǎn)。

式（4）中：為估計(jì)閾值。通過(guò)閾值與邊界值的比較選擇，完成地物單元邊界信息的提取。

1.3 地物三維建模

基于這些邊界信息，構(gòu)建出清晰展示地物單元信息的三維實(shí)體，實(shí)現(xiàn)對(duì)地物單元空間特征進(jìn)行三維展示。得到的模型如圖1所示。

在創(chuàng)建三維特征單元的過(guò)程中，必須滿足目前特征單元1：1000比例尺的映射要求。其次，三維物體可以從不同角度全面顯示地物單元的空間信息，從而構(gòu)建高度逼真的三維平面圖。在利用平滑后的地貌關(guān)鍵點(diǎn)自動(dòng)生成高程線的過(guò)程中，由于提取的地貌關(guān)鍵點(diǎn)密度大且分布不均勻，如果直接利用這些平滑后的關(guān)鍵點(diǎn)來(lái)追蹤高程線，則會(huì)表達(dá)過(guò)多的細(xì)節(jié)，導(dǎo)致鋸齒狀和不規(guī)則的高程線。因此，在描高程線之前，需要根據(jù)圖紙要求，對(duì)這些關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行合理均勻的劃分。然后，利用EPS軟件應(yīng)用平臺(tái)自動(dòng)完成高程線的生成[5]，提取的特征數(shù)據(jù)將被徹底組織并導(dǎo)入TREE軟件中，在TREE平臺(tái)中添加文字注釋并完成輪廓繪制。通過(guò)野外地形測(cè)繪工作，對(duì)3D激光掃描儀點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成的地圖進(jìn)行徹底檢查，對(duì)地表特征進(jìn)行識(shí)別和分類(lèi)，以確保測(cè)繪精度。將采集到的地形圖結(jié)果劃分為標(biāo)準(zhǔn)段，按照特定標(biāo)準(zhǔn)輸出地形圖結(jié)果。

2 測(cè)試與分析

2.1 搭建測(cè)試環(huán)境

采用區(qū)域網(wǎng)布點(diǎn)策略，在研究區(qū)范圍內(nèi)，每隔150 m設(shè)置一個(gè)像控點(diǎn)，并在其間穿插布置少量檢查點(diǎn)。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)RTK進(jìn)行作業(yè)，每個(gè)點(diǎn)位均進(jìn)行了2次不間斷觀測(cè)，以確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。在觀測(cè)過(guò)程中，確保衛(wèi)星高度角為12°，觀測(cè)歷元數(shù)設(shè)定為30個(gè)，以確保數(shù)據(jù)的多樣性。此外，將控制點(diǎn)的標(biāo)高精確到0.01 m，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入EPS中，以完成1∶1000比例尺的DLG的采集和繪制，并最終將成果入庫(kù)。

2.2 結(jié)果與分析

通過(guò)GPS獲得測(cè)點(diǎn)信息，將測(cè)量的高程與地物三維掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的高程情況進(jìn)行了對(duì)比分析，當(dāng)誤差在0.3mm以內(nèi)時(shí)能夠滿足繪圖要求。因此，在此次測(cè)試過(guò)程中，共檢查了100個(gè)點(diǎn)位。結(jié)合不同測(cè)點(diǎn)，得到測(cè)量高程云圖結(jié)果如圖2所示。

由圖2中結(jié)果可知，根據(jù)云圖中不同點(diǎn)位分布，通過(guò)計(jì)算得到的三維激光掃描數(shù)據(jù)的高程與實(shí)際值誤差為0.3 mm，在誤差可允許范圍內(nèi)，符合成圖規(guī)范的相應(yīng)要求。這說(shuō)明運(yùn)用本文三維測(cè)圖技術(shù)能夠較好地進(jìn)行繪圖，還原真實(shí)地表信息，高精度地提取地表特征點(diǎn)，為三維測(cè)圖提供更加合理化的手段，提升了測(cè)圖的精準(zhǔn)程度。

3 結(jié)語(yǔ)

本次研究從三維測(cè)圖入手，深入分析傾斜攝影技術(shù)的應(yīng)用，探究了基于傾斜攝影建模的三維測(cè)圖要點(diǎn)問(wèn)題。傾斜攝影得到的圖像通常需要進(jìn)行校正，以消除圖像的畸變和旋轉(zhuǎn)偏差。為了提高三維模型的真實(shí)感，需要對(duì)模型進(jìn)行紋理映射。將傾斜攝影得到的影像數(shù)據(jù)作為紋理貼圖應(yīng)用到三維模型上，使模型更加逼真。但是，本文方法中還存在著不足，如地物的動(dòng)態(tài)效果等，今后應(yīng)更加完善此方法，根據(jù)實(shí)際情況對(duì)三維模型進(jìn)行光照模擬，使模型在不同光照條件下的表現(xiàn)更加真實(shí)。

參考文獻(xiàn)

[1] 趙文普，劉鈺，吳曉春，等.利用高分七號(hào)衛(wèi)星開(kāi)展1∶10000立體測(cè)圖精度驗(yàn)證[J].測(cè)繪科學(xué)，2022，47（1）：165-171，180.

[2] 何進(jìn)榮，孫婭妮.基于生成對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)的色盲測(cè)試圖像自動(dòng)生成方法研究[J].電視技術(shù)，2023，47（2）：9-11.

[3] 朱思奧，李國(guó)元，郭金權(quán)，等.國(guó)產(chǎn)立體測(cè)圖衛(wèi)星典型冰川區(qū)高精度DEM生產(chǎn)及質(zhì)量對(duì)比[J].紅外與激光工程，2023，52（10）：194-210.

[4] 任鏷，孫曉敏，李源，等.FR-ICP算法在傾斜攝影測(cè)量點(diǎn)云配準(zhǔn)中的應(yīng)用[J].航天返回與遙感，2023，44（1）：13-22.

[5] 唐亮，吳桐，劉一軍，等.融合加速度的橋梁位移響應(yīng)傾斜攝影監(jiān)測(cè)方法[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2022，43（10）：152-164.