基于傾斜攝影測量技術的城市三維建模方法研究

牛鵬濤NIU Peng-tao

（河南工業職業技術學院，南陽 473009）

（Henan Polytechnic Institute，Nanyang 473009，China）

0 引言

近年來，國際地理信息領域將傳統航空攝影技術和數字地面采集技術結合起來，發展了一種稱為機載多角度傾斜攝影的高新技術，簡稱傾斜攝影技術。傾斜攝影技術通過在同一飛行平臺上搭載多臺或多種傳感器，同時從多個角度采集地面影像，從而克服了傳統航空攝影技術只能從垂直角度進行拍攝的局限性，能夠更加真實地反映地物的實際情況，彌補了正射影像的不足，通過整合POS、DSM及矢量等數據，進行基于影像的各種三維測量。基于人眼視覺適合于觀察傾斜透視像片的特點，傾斜影像測量技術更適合于網絡環境應用。針對傾斜攝影數據的特點，人們進行了多方面的研究探討。該技術可廣泛應用于測繪、國土安全、城市管理等領域。

1 傾斜攝影測量技術

基于多角度觀測的傾斜攝影測量技術（Oblique Photography Technique）是新一代的攝影測量技術。它主要包括傾斜攝影數據獲取技術和數據處理技術。傾斜攝影測量技術的數據獲取部分一般由四個個傾斜攝影相機和一個垂直攝影相機構成，與GPS 接收機、高精度IMU 進行高度集成。攝影相機用來提供影像信息，而GPS、IMU 則分別提供位置和狀態信息。在后續的數據處理過程中，一般通過在系統中集成定位、定姿設備或進行空中三角測量處理為拍攝的每張影像提供位置姿態信息。傾斜攝影測量技術使得“非現場”測量和分析可以在傾斜航片上進行，這—突破取決于它通過攝影測量方式獲得的垂直正射像片和傾斜正射像片被整合到一個“場景文件”中，而“場景文件”則能夠提供對任一構筑物及特征物的多視向、多維度的觀察，將地物的觀測引入符合人眼視覺的真實直觀世界。

2 傾斜攝影測量技術在國內外的發展現狀

國外對傾斜攝影測量技術的研究起始于上世紀90 年代，目前該技術的應用已經逐漸推廣，并在北美、歐洲得到廣泛的應用。世界上最早研究傾斜攝影技術的公司是美國的PICTOMETRY 公司。目前PICTOMETRY 公司的傾斜攝影系統對人們使用地理空間信息的方式產生了很大的影響。美國微軟公司開發的Bing Maps 的使用也引發了Google Earth 的高度關注。2005 年，歐洲的Blom 集團與PICTOMETRY 公司簽署了協議，以利用其傾斜攝影測量技術對覆蓋西歐人口超過5 萬的所有城鎮、大約1000 個城市，十萬余平方公里的地域提供圖像分辨率為10cm-12cm、位置精度約0.5m 的數據服務。

國內測繪行業于2010 年首次引進傾斜攝影技術。國內方面，劉先林院士研制的SWDC-5 傾斜攝影系統在河南省平頂山市新城區成功完成了試驗，該系統通過同一飛行平臺用5 個視角對地面進行拍攝，通過集成POS 系統獲取影像的位置、姿態信息。位于武大科技園空間信息產業基地的華正空間（武漢）軟件技術有限公司在機載多鏡頭傾斜攝影測量系統的基礎上自主研發了地理空間信息和應用平臺系統“3DRealWorld”，該系統軟件是具有世界領先水平的基于航空傾斜影像的地理空間信息和應用平臺系統。北京天下圖公司則作為全國首次引進斜攝影技術的航攝單位，將美國PICTOMETRY 公司的機載傾斜攝影設備及相關解決方案引入中國，結合北京天下圖在國內航攝領域的技術優勢和市場資源，形成了自有的傾斜攝影影像獲取及應用技術。

3 基于傾斜攝影成果的三維測量技術

使用常規基于垂直攝影像片的攝影測量技術進行三維建模，只能夠處理屋頂等平面上和部分立面紋理，而大部分的立面紋理需要費時費力的地面攝影來提供。由于傾斜攝影測量能夠直接觀測到地面建筑物的立面并能夠在影像上直接測量物體的高度、長度，或參考激光雷達獲取的DSM 建立建筑物的幾何模型。建筑物幾何模型的紋理由傾斜攝影像片提供，甚至可以通過傾斜航空像片技術與三維塊狀模型技術組合得到具有真實圖像紋理細節的三維建筑物模型。

傾斜攝影測量系統進行三維建模的主要過程是，基于多角度傾斜相機攝影數據獲取系統飛行拍攝的影像、拍攝時同步記錄的POS 數據、該區域DSM 數據、DLG 數據等資料，進行必要的加工處理，建立基于機載多角度傾斜攝影影像的三維測量系統。其主要過程如圖1 所示。

圖1

4 利用傾斜攝影測量技術的城市三維建模方法

在三維建模過程中，我們一般將簡單建筑物視為一個多面體，將復雜的建筑物視為多個多面體的組合。城市中的建筑物隨著近年來建筑科學的發展，外形越來越復雜，要建立建筑物三維模型，多個多邊形模塊組成的建筑物模型是我們城市三維建模遇見的基本問題。而另一方面，三維建模還需要根據建筑物的幾何信息和建筑物表面的真實紋理進行貼圖。

目前建筑物的三維建模方法主要有模擬建模、半模擬建模和測量建模，前面兩種方法的思路為：通過地物的平面輪廓模型與地物的高程模型結合，方法簡單，但是與實際模型比較差距較大。城市三維建模的方法主要是測量建模，可通過航空攝影測量的方案實現，主要方法包括基于航空影像的交互式獲取和基于航空影像及地面攝影對建筑物特征線特點進行自動提取這兩種方法。前者能夠真實地獲取建筑物信息，但是整個過程中需人工干預，數據處理緩慢，后者則可以滿足大批量數據處理，但是需要整合的信息量大，目前應用較為困難。綜上所述，目前較為合適的方法為：從測區DLG 數據中提取建筑平面邊界數據。以傾斜攝影測量的立體像對為基礎，將平面邊界數據與攝影測量預處理的產品（DSM、DEM）進行配準、套合，繼而進行建筑物幾何模型的建立。具體的建模思路如下：

由機載傾斜攝影系統實施航空傾斜攝影，對航攝后獲取的原始影像及POS 數據進行處理，包括亮度、飽和度等視覺方面的統一；垂直和傾斜影像的篩選甄別；根據已有檢校數據對POS 系統進行改正，確實精確的方位元素。然后根據以上成果，利用垂直影像、傾斜影像數據和空三測量加密成果，進行影像密集匹配，生產出基于真實影像超高密度點云的DSM 數據，初步制作全要素的三維數字城市模型場景，最后利用模型編輯軟件進行后處理，生產出全要素的三維數字城市模型及場景。

5 結論

通過以上內容的論述和分析，可以看出，運用傾斜攝影測量技術實施的三維數字城市建模方法與原有三維建模方法有很大區別，初步實現了批量化數據處理，對于不規則的地物（例如路燈桿、旗桿等建筑附屬物）也能進行區分（但是由于匹配截面小，暫未能實現批量處理）、進行剔除，故該方案相對原有方法有著較大的優勢。

當然傾斜攝影技術也會有一定的不足，如在建筑物底部造成模型扭曲、變形；個別地方提取紋理困難，進而產生空洞（后期模型修補時可以完善），總之，該技術無論是對于數據采集數據的后處理有較大的進步，但是該技術存在的不足還需在今后的三維城市建模中不斷改進和完善。

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