大重疊航攝技術在地質遺跡三維建模中的應用

孫鐵軍，董勝光

（1.湖南省第二測繪院，湖南 長沙 410119）

大重疊航攝技術在地質遺跡三維建模中的應用

孫鐵軍1，董勝光1

（1.湖南省第二測繪院，湖南 長沙 410119）

在全面分析三維建模所需基礎數據常用獲取方法各自特性的基礎上，提出了基于大重疊度航空攝影進行地質遺跡三維精細建模的技術思路，選取了崀山國家地質公園中的辣椒峰地質遺跡點開展三維建模試驗，快速制作了辣椒峰地質遺跡點的三維精細模型，驗證了該技術思路的實用性與可行性。

大重疊度航空攝影；地質遺跡；三維精細模型；三維地理信息

目前，各地城市三維建模工作開展得如火如荼，但對于地質遺跡或自然景觀的規?；S建模鮮有報道，究其原因在于地質遺跡很不規則，奇形怪狀，凹凸不平，地質遺跡三維建模所需的空間基礎數據和紋理數據難以獲取[1-3]。目前，國內外眾多學者就復雜自然景觀三維建模基礎數據的獲取開展研究，且提出了普通航空攝影測量、機載激光雷達、地面激光雷達、傾斜攝影測量、近景攝影測量等眾多新型三維建模原始數據獲取技術，各有優劣[4-6]。相比之下，利用大重疊度航攝影像具有同時獲取地質遺跡三維建模所需幾何框架數據和紋理數據的可能，從而解決了地質遺跡規?；S精細建?；A數據獲取的難題。

1 應用思路

綜合考慮當前數碼航空攝影和三維建模技術的特點, 大重疊度航空攝影技術應用于地質遺跡三維精細建模中的應用思路如圖1所示[7,8]。

2 應用試驗

為了驗證上述技術思路的可行性，探索大重疊度航空攝影技術在地質遺跡規模化三維建模中應用的可行性，在崀山國家地質公園數字三維建模項目中，嘗試應用了該技術，并選取了地質公園內的“辣椒峰”地質遺跡點，進行了地質遺跡三維建模試驗。

2.1 試驗區概況

圖1 應用思路圖

崀山國家地質公園位于湖南省西南部新寧縣境內，地處湘桂邊境。地質公園內丹霞地貌類型發育齊全、發育過程清晰，形態結構完整，尤其以壯年期丹霞地貌最為雄偉壯觀，極富震撼力，是我國乃至世界稀有的最為奇特的大面積丹霞地貌景觀區。公園自北向南依次由紫霞峒、扶夷江、辣椒峰、天一巷、天生橋及八角寨等6個相互聯系的景區組成，寬約4~8 km，長約18 km，總面積約138 km2。公園內大部分地區植被茂密，地形復雜，難以深入。平均海拔約500 m，最高峰八角寨海拔818 m。地質遺跡三維建模試驗點辣椒峰是崀山丹霞象形景觀密集區，是密集丹霞峰叢的杰出代表，完美地展示了崀山丹霞地貌發育演化過程以及非同尋常的丹霞自然美。辣椒峰拔地而起，凌空突兀，直上直下，傲視群峰，絕對高度180 m，上大下小，石頂周長約100 m，石腳周長約40 m，呈赤紅色，遠觀像碩大無比的紅辣椒。

2.2 試驗過程

2.2.1 航空攝影

2011年11月湖南省第二測繪院采用IMU/DGPS輔助數碼航空攝影技術獲取整個地質公園0.1 m分辨率的高清數碼影像，影像的航向平均重疊率80%（常規航攝為60%~65%），旁向平均重疊率60%（常規航攝為30%~35%），共飛行航線36條。航攝基本技術參數為：攝區名稱：湘西州；攝區編碼/代號：12095；面積：138 km2；地面分辨率：優于0.1 m；飛行高度：1 400 m；飛行方向：南北；航向重疊：60%；旁向重疊：80%；航攝儀類型/編號： UCLp；焦距：70.4 mm；像幅大小：11 704×7 920 像素；飛行時間：2011年11月；攝區困難類型：困難；飛機類型/編號：運5/B8754；使用機場：衡陽機場；像元大?。?.006 mm。航線分布如圖2所示。

圖2 航線分布圖

2.2.2 影像預處理與空三加密

首先按照常規航攝內業數據處理方法，對航攝影像進行整體勻光勻色、角度旋轉、格式轉換等預處理，然后利用均勻布設的外業像控點，在PixelGrid軟件下，設置相機參數，提取連接點，調用PATB進行連接點交互式編輯和區域網平差，實現整個測區像片的空三加密。

2.2.3 特征點線采集與DEM制作

將空三加密的結果導入MapMartix，建立各像對的立體模型，定義核線范圍，生成核線影像；在立體環境下采集特征點、特征線，并構建三角網，按1 m格網間距內插生成DEM?？紤]到本項目采用了大重疊度航攝，降低了基高比，如果直接采用相鄰像片組成的立體像對進行特征點、特征線采集，將影響高程的精度，為了保證DEM的精度，在進行DEM特征點、線采集時采用“抽片”的方法，即利用隔航片組成立體像對進行特征點和特征線采集。

2.2.4 DOM制作

基于空三加密成果，調用§2.2.3中的DEM成果，對數碼航拍影像進行數字微分糾正，并調整航片之間的鑲嵌線。

2.2.5 格式轉換

為了確保DEM數據能夠被3DSMax支持，使用Global Mapper軟件，將DEM轉換成STDS或USGS DSM格式；也可使用FME、ArcGIS等軟件實現。

2.2.6 3DSMax下模型編輯

將DEM導入到3DSMax中，并將導入的DEM轉化為可編輯多邊形。在多邊形建模模式下，參照航攝影像、特征點和特征線，靈活地對頂點、邊、邊界、多邊形和元素等5個對象進行編輯[9,10]。

2.2.7 紋理粘貼

首先從DOM上選取地質遺跡點的頂部紋理，從大重疊度的航片上選取地質遺跡點不同側面的紋理數據，并使用PhotoShop對選取的影像進行處理，然后按照明顯的構造邊線，將地質遺跡模型的紋理劃分成毗鄰的幾塊，最后通過3DSMax的“展UV”功能對編輯后的模型進行貼圖?？紤]到目前三維地理信息系統的限制，要求紋理數據的尺寸均為2的N次方，且貼圖尺寸最大不超過2 048×2 048像素。在“展UV時”也可使用UVLayout、Unfold3D等專業工具來提高工作效率。對于少數攝影死角，通過周邊的影像作為標準材質填充。

2.3 試驗結果

圖3為大重疊度IMU/DGPS輔助航空攝影技術支持下辣椒峰地質遺跡點的三維建模試驗成果圖。試驗表明，大重疊度IMU/DGPS輔助航空攝影能在獲取地質遺跡點三維建模所需的幾何框架數據的同時，獲取三維建模所需的大部分紋理數據，并應用于地質遺跡三維精細模型的快速建立。

3 結 語

圖3 辣椒峰地質遺跡點三維建模試驗成果圖

與LiDAR、傾斜攝影等新技術相比，大重疊度航空攝影不但能獲取三維建模所需要的幾何框架數據，而且能獲取三維建模所需的絕大部分紋理數據，同時也彌補了普通航攝側面紋理數據獲取不足的弊端，具有特有的優勢。在崀山國家地質公園數字三維建模項目的后續建設中，成功地應用該技術對地質公園內將軍石、天一巷、駱駝峰等其他核心地質遺跡點建立了三維精細模型，建模面積達10 km2。本項目建設的技術成果將應用到湖南省乃至國內其他地質公園或自然景觀的三維建模中。此外，大重疊度航攝數據也可嘗試使用SAMRT 3D諸類的高性能自動化軟件進行三維建模，這將進一步提高大重疊度航攝技術在地質遺跡三維建模中的效率，從而更加凸顯大重疊度航攝技術在地質遺跡三維建模中的應用價值。

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Application of Large Overlap Aerial Photography Technology in 3D Modeling of Geological Relics

bySUN Tiejun

Based on comprehensively and comparatively analysis their characteristics of data acquisition methods for 3D modeling, this paper proposed technical route for building 3D precise model of geological relics using large overlap aerial photography technology. Lajiaofeng Geological Relics in Langshan National Geological Park was built 3D precise model. The results verify that this technology is practical and feasible to build 3D precise model of geological relics.

large overlap aerial photography,geological relics,3D precise model,3D geographic information

P231

B

1672-4623（2014）02-0035-03

10.11709/j.issn.1672-4623.2014.02.013

2013-08-14。

項目來源：國家自然科學基金資助項目（41171397）；湖南省國土資源廳科技支撐計劃資助項目（2012-30）。

孫鐵軍，高級工程師，碩士，主要從事攝影測量與遙感工程化應用研究。