利用航空攝影數據進行城市三維模型制作

程 壘

(中科遙感科技集團有限公司，北京100080)

一、引 言

三維城市模型的構建，一直是測繪領域的主要發展趨勢和熱門研究課題，在城市規劃、國土管理、通信、房地產、城市應急減災、虛擬現實等行業領域具有極為重要的應用價值［1］。

目前業內針對城市三維建筑模型還沒有一個建模標準，筆者基于近兩年的項目與技術實踐，認為構筑數字城市中的模型數據應該至少包含以下要素:高精度的地形數據、準確的建筑模型以及真實的城市紋理和真實的要素模型等，這是城市最真實化的展示。

基于最真實的城市模型數據，才可以實現三維視角下的城市空間信息管理、查詢和分析，使普通用戶不僅能有接近現實世界真實的感受，也為專業用戶提供城市空間現狀更為真實、客觀和準確的數據分析。

二、A3航空攝影技術介紹

1．硬件簡介

2011年以色列VisionMap公司推出了大幅面A3數字航攝儀，將傳統框幅式與推掃式優點結合起來，并且配備300 mm超長焦距，可以高效率同步獲取正射和傾斜高分辨率影像。

A3數字航攝儀由存儲器、小型計算機、GPS、電源、控制終端接口及旋轉雙鏡頭組成，如圖1所示。

圖1 A3數字航攝儀硬件

主要技術參數見表1。

表1 A3數字航攝儀主要技術參數表

2．主要技術特點

1)300 mm 超長焦距在相同航高下可以獲取超高分辨率影像數據，保證城市影像分辨率質量和效果。

2)109°超大視場角可以獲取超大幅面影像數據，不但采集效率高，還可以同步采集不同角度的影像。

3)70%以上超高重疊度可獲取同一地物的多角度觀測影像，保證航帶間影像加密點數量，提高空三精度。

4)LightSpeed全自動數據處理系統，可以保證數據的生產效率。

三、三維模型制作方法

1．技術路線

基于A3航空攝影數據特點，同時吸收了傳統建模方法中手工制作的優點，形成了一套較完整的解決方案，可以有效解決傳統城市三維建模的不足。

該方案利用A3數字航攝儀提供的超大幅面立體像對(supor large format，SLF)同步采集建筑物矢量模型、地形，并利用大角度傾斜影像映射建筑模型側面紋理。另外，為了彌補航空采集不足，地面底商、樓宇遮擋以及小品等區域，通過地面拍照方式進行采集制作，如圖2所示。

圖2 三維場景制作路線圖

該技術路線具有如下特點:

1)利用A3高空航空攝影的作業方式，可以進行大面積、高效率的采集，特別適合大范圍、快速的城市建模需求。

2)超大幅面立體像對(SLF)可以用于采集準確的建筑物輪廓幾何信息，并同步提取高分辨率的紋理，節省紋理單獨制作環節。

3)A3長焦距影像可以制作城市準真正射影像，保證城市密集區的視覺效果，與三維模型整合的三維場景更真實。

4)此種方式建立的建筑物模型為單體的、對象化的模型，可以對各個模型進行單獨的加工、修改、編輯，甚至添加各種屬性信息。

5)實景模型數據精確，三維GIS分析結果準確度更高，可以滿足規劃、國土、城市管理等領域的應用需求。

2．三維模型制作

利用超大幅面立體像對(SLF)進行三維模型的制作。在立體采集環境的支持下，類似傳統DLG采集模式，采集建筑物幾何信息。較傳統航攝相機，SLF立體像對由于視場角度大，可以最大可能采集到建筑物側面幾何信息，如圖3所示。

圖3 建筑矢量白模

3．實景紋理制作

(1)傾斜影像空間定位

經過空三加密輸出的SLF立體像對具有精確的影像外方位元素，可以準確恢復每張影像的空間位置，具有精確的三維坐標信息，如圖4所示。

圖4 SLF傾斜影像

(2)紋理制作

在制作出高精度的體框模型后，基于定位后傾斜影像本身的特點，結合數字三維及空間幾何投影技術選取每個模型面，獲得其角點的物方坐標(X，Y，Z)，已知傾斜影像的外方位元素及傾斜影像本身的投影框物方坐標(X，Y，Z)，通過判斷每張傾斜影像與該模型面是否相交篩選出與之模型面對應的所有影像集，然后利用共線方程，計算出所選模型面在每張像片上的投影像點坐標(x，y)，通過篩選算法按照影像質量及影像投影面最優原則將相應影像集排序，挑選最優影像稍作編輯，最后將所選像片紋理部分截取并計算出紋理坐標自動映射到模型面上，從而實現實景三維模型的自動化紋理提取映射功能［2］，如圖5所示。

圖5 模型紋理映射

四、應用案例

2014年4月，在北京市選取了約50 km2建成區進行A3影像數據采集，為了更好采集側面紋理，測區采用雙向交叉飛行方式，如圖6所示，測區技術參數見表2。

圖6 試驗區域航線設計

該項目制作完成1∶1000數字高程模型(DEM)、數字正射影像(DOM)，并針對核心區進行了實景城市模型制作，如圖7所示。

表2 測區技術參數表

圖7 三維模型效果

五、三維建模技術探討

1．精細的模型不一定真實

在傳統三維模型制作中，為了三維可視化效果的需要，模型數據在制作與認識上偏離了三維應用的根本需求。模型制作的精細、精美并不等于數據的真實、可靠。

傳統精細模型的制作多數依靠人工拍照方式進行結構細化，受制于地面拍照范圍限制，多數模型結構只能靠經驗估算。在缺少準確數據的支撐前提下，一味地追求模型精細度，最終導致的是人為制造的精細，增加了大量冗余數據，降低了數據使用效率。同時因為真實度不高，在實際數據應用中無法體現三維的價值。

以數碼航攝、激光雷達等為代表的新技術中，可以保證建筑模型的相對與絕對精度，另外利用傾斜影像作為紋理源，保證了每個模型面都具備唯一的真實紋理，杜絕虛假紋理，增加了模型的真實度。

2．模型可對象化操作

隨著傾斜攝影技術快速發展，基于大重疊度傾斜影像可以快速重建城市三維，提高了用戶瀏覽地圖時的城市三維體驗。但是，在近距離瀏覽該數據時，可以發現在建筑細節方面還有較大缺陷，不能進行精細化三維應用。另外，該數據不同于傳統的三維數據，在成果格式和應用平臺均有特殊要求，只能以特定的格式和平臺進行瀏覽展示。

模型的可對象化操作與目前地理信息平臺數據三維分析需求相對應。只有可對象化操作的模型才方便進行編輯、更新和關聯相關屬性信息，進行城市精細化管理應用。如在建筑方案規劃對比中，可以進行單體模型替換，多方案綜合對比。在城市拆遷分析中，關聯建筑年代、住戶人口等相關信息，準確分析拆遷成本等重要數據。

3．城市級三維數據的考驗

傳統三維建模受作業效率限制，基本以小場景景觀建模為主，數據量對三維平臺考驗不大。在傾斜攝影技術出現后，城市量級的快速建模需求得以解決。隨之而來是城市三維整體數據量的激增，對三維應用平臺帶來了巨大的考驗。因此，一方面在分析應用需求的同時，制定適宜的模型制作標準，控制模型數據量;另一方面三維應用平臺還需要不斷完善承載能力，提高大數據的加載流暢度和紋理顯示效果。只有在三維數據和平臺相互促進不斷提高時，才能真正展現出城市真實的三維場景，將三維數據服務于城市管理和決策。

六、總 結

A3作為一種新型航空攝影系統，在數據采集中具備高效率、高分辨率、高精度的特點，同時還能采集真正射和傾斜影像數據，在城市三維建模中具有獨特的技術優勢。

基于A3航攝數據制作三維模型，在傳統建模路線上進行了局部創新，新建了一套新的建模方法和技術流程，充分利用A3數據優勢，提高模型質量和生產效率。

城市三維模型只有在滿足現勢性、真實性和準確性的基礎上，且能結合現有三維GIS平臺進行單體化操作、城市級大數據分析，才能發揮三維數據價值，為城市智慧決策提供分析依據。

［1］ 陳倬，王丹，李成名，等．數字城市與城市信息化建設［J］．地理信息世界，2004(5):23-27．

［2］ 程向斌，闞曉云，王博，等．基于傾斜影像技術的自動紋理映射［J］．測繪與空間地理信息，2013(S1):56-58．