基于傾斜攝影技術的三維建模生產與質量分析

王丙濤,王繼(江蘇省測繪工程院,江蘇南京 210013)

基于傾斜攝影技術的三維建模生產與質量分析

王丙濤?,王繼
(江蘇省測繪工程院,江蘇南京 210013)

摘 要:為了檢測分析傾斜攝影三維建模成果的精度與質量水平,在總結了三維建模技術流程的基礎上,依據CH/ T 9015-2012《三維城市基礎地理信息模型產品規范》對三維模型表達、產品類級等技術指標進行檢測和分析,高程精度檢測主要采用全站儀極坐標法對建筑物高度進行套合檢測,平面精度和地形精度則使用GPS RTK接收機動態觀測法進行套合檢測,檢查認為丹陽市三維場景制作成果達到二級三維模型景觀的要求,從而在一定程度上為傾斜攝影三維建模技術規范和模型數據標準提供了參考與借鑒。

關鍵詞:傾斜攝影測量；城市三維建模；數字城市；模型產品規范

1　引 言

隨著我國城市化進程的快速推進,精細化的城市三維模型作為城市規劃、建設、管理和信息化的基礎數據,得到了日益廣泛的應用并逐漸成為數字城市地理空間框架的重要內容。目前,大范圍的城市三維模型生產主要依靠攝影測量的手段進行生產。然而,傳統的航空和衛星遙感手段主要針對城市建筑物頂部進行模型重建,而對地物側面的三維重建一直缺少有效的解決方法。傾斜攝影技術是國際測繪遙感領域近年發展起來的一項高新技術,通過在同一飛行平臺上搭載多臺傳感器,同時從垂直、傾斜等不同的角度采集影像,獲取地面物體更為完整準確的信息[1,2]。應用傾斜攝影技術,結合合理的傾斜影像測量方法,可以有效解決這一難題,從而在城市三維模型生產上走出一條全新的路徑。

為了探索和研究基于傾斜攝影測量的三維建模技術在數字城市中的應用,江蘇省測繪地理信息局聯合丹陽市國土管理部門對丹陽市建成區約120 km2的范圍進行了三維數字城市模型的生產,航攝儀選用上海航遙信息技術有限公司的AMC580多視角航空照相機系統,從航空攝影到城市三維大場景的構建完成,僅花費了三個月左右的時間[3]。該項目的實施相較于常規三維數字城市模型的生產,在效率上有了極大的提高。但是,模型的質量和精度水平才最終決定該成果是否為合格的產品并滿足項目要求,因此,為確定此次模型成果的質量,本文依據CH/ T 9015-2012《三維城市基礎地理信息模型產品規范》[4],對三維模型表達、產品類級等技術指標進行檢測和評定,并在此基礎上進行分析,從而為傾斜攝影三維建模產品的生產和利用提供參考和借鑒。

2　項目實施

2．1航攝概況

本項目實施區域為丹陽市,地處長江下游南岸,江蘇省南部,隸屬于江蘇省鎮江市。施測范圍涵蓋丹陽市主要城區及周邊,建筑物密集,能夠反映丹陽市的主要社會經濟發展面貌。項目設計實施區域約為88 km2,實際航攝及建模區域面積約為120 km2。具體航攝范圍如圖1所示。本項目傾斜航空攝影由上海航遙信息技術有限公司承擔,航攝比例尺為1∶13 500,航線布設為東西方向。像片航向重疊度大于72%,旁向重疊度大于80%。本次攝影獲取了3 540個有效曝光時刻,5個鏡頭總計17 700片有效航空影像,其中垂直鏡頭地面分辨率為0．08 m。

圖1　丹陽市傾斜航空攝影范圍示意圖

本次航攝任務使用AMC580多視角航空照相機系統,AMC580多視角航空照相機系統是上海航遙信息技術有限公司自主研發的多視角數碼航空照相機系統,該系統集成了5臺8 000萬像素的大幅面量測型專業航空相機,包括1臺垂直和4臺傾斜照相機。AMC580多視角數碼航攝儀集成了Applanix公司的POS AV510系統。通過該系統可以對垂直鏡頭和4個傾斜鏡頭的影像進行快速直接定向,并結合其配套后處理軟件POSpac MMS 6．2軟件進行后處理解算,直接獲取每個鏡頭影像的外方位元素。

2．2空中三角測量

傾斜航空攝影測量由于攝影傾角大,影像變形嚴重;分辨率變化大,尺度無法統一;重疊數多,需要多視處理等特點,使其空中三角測量異于常規數碼航空攝影測量方式。本項目的空三處理使用的是Acute3D公司的Smart3D Capture(簡稱S3C)軟件來實施。其AT模塊采用光束法局域網平差空中三角測量,支持垂直影像和傾斜影像同時導入參與空三計算。系統也支持將已有空三解算成果導入以供模型生產使用。

2．3三維模型生產

本項目Mesh三維建模流程仍然使用S3C軟件來實施。生產工序包括:模型預處理、模型編輯、模型后處理等3個子流程。S3C軟件無需人工干預便可運算生成基于傾斜攝影真實影像的超高密度點云,并以此生成基于真實影像的高分辨率實景真三維模型。由于模型生成的自動化,難免會存在模型匹配錯誤、瑕疵、漏洞等,其后通過人工干預的方式修正這些模型錯誤,最后將這些修正后的模型進行紋理映射,生產出最終符合要求的Mesh三維模型數據。Mesh三維建模數據生產技術流程如圖2所示。

圖2　三維建模數據生產技術流程圖

3　建模精度檢測與分析

3．1檢測工作概況

三維建模數據生產完成之后,為檢查成果的產品精度和質量,項目組隨即安排了相關的精度檢測和評價工作。三維建模數據主要檢查三維建模數據的完整性、位置精度、表現精度、屬性精度、現勢性和邏輯一致性等。檢查方法主要是:(1)采用人機交互檢查,在軟件系統環境下,將要檢查的數據可視化,以圖形、圖像、文件等形式顯示在計算機的屏幕上,通過人工判斷其完整性、模型紋理的協調性、場景表現效果、屬性的準確性與完整性、數據存儲格式和空間位置的一致性等。(2)通過外業實地抽樣巡查的方法,檢查模型要素的完整性,檢查模型精細度和紋理的準確性、協調性,檢查場景效果的符合性、現勢性;使用全站儀極坐標法對建筑物高度進行套合檢測,檢查模型高度精度的準確性;使用同精度地形圖比較的方法和GPS RTK接收機動態觀測法進行套合檢測,檢查模型平面和地形精度的準確性。

3．2精度統計與質量綜述

在控制網野外像控點布設上考慮到本次航攝對于垂直像片,在航向重疊度大于72%,旁向重疊度大于80%,像片的重疊度大,且除垂直影像外,還有數量眾多的傾斜影像參與空三,采用了:航線在旁向跨度為4條航線,航向跨度不超過24條基線布設一個平高控制點,考慮到高程精度的控制,在該控制點網的布設基礎上,在網間旁向16條航線,航向12條基線加密布設平高點的布設方式。共計轉刺外業平高控制點101個,空三處理后共有2 564 144個像對,平均每張像片上提取39 262個特征點,平均每張像片有298個連接點,投影中誤差為0．469 652個像素,平差解算精度約合平面中誤差:0．038 m(像素中誤差?像素大小),滿足1∶1 000平面測圖精度要求。

三維模型數據生產是空三解算的后續流程,生產軟件仍然采用S3C,按照測繪產品檢查驗收規定,依據CH/ T 9015-2012《三維城市基礎地理信息模型產品規范》[4],對三維模型的幾何精度等進行了抽樣檢測。檢測情況如下:

(1)位置精度統計

①平面精度:共檢測了14個區域,共654個點,平面中誤差在0．27 m～0．47 m之間,小于0．5 m,達Ⅱ級。

②高度精度:共檢測了10個區域,共672個點,高度中誤差在0．15 m～0．38 m之間,小于0．5 m,達Ⅰ級。

③地形精度:共檢測了17個區域,共1 184個點,高程中誤差在0．28 m～0．63 m之間,大于0．37 m小于0．75 m,達Ⅲ級。

(2)質量綜述①影像地面分辨率為0．08 m,影像精度為Ⅱ級。②地形模型:反映地形起伏特征和地表影像,檢測精度優于0．75 m,達Ⅲ級要求。

③建筑要素模型:主要對房屋建筑頂部和樓體采用主體建模表現,及基本輪廓和外結構進行幾何建模表現,外立面采用能基本反映地物色調、細節特征結構的影像,屋檐、開放陽臺、下穿結構、門廊、女兒墻等突出物和重點裝飾表現不完整,一般用貼圖表示。(Ⅲ級);

④植被要素模型:對帶狀綠化樹、綠化林地、苗圃等采用主體建模表現,及采用多面片的方式表現,外立面采用能基本反映樹木色調和特征的影像(Ⅱ級);花圃(壇)、草地一般用地形表現(Ⅱ級);護樹設施與綠地護欄一般未表現(Ⅲ級)。

⑤交通要素模型:地面道路、路基、橋梁、鐵路等用主體建模表現,紋理基本能反映路面材質和交通標線(Ⅱ級)。

3．3數據分析

通過以上精度檢測和評定我們可以發現:

①利用該工藝流程生產的模型數據在幾何精度方面,平面精度完全可以滿足1∶1 000比例尺要求,高程精度達不到1∶1 000比例尺要求。

②地形精度相對較低,達不到1∶1 000成圖要求,可以通過合理增加像控密度來提高地形精度。相較于常規航空攝影測量,傾斜攝影測量并不能明顯改善數據的地形精度水平。

③常規模型因建模數據和紋理數據的獲取時相不一致,從而影響了模型的表現效果。而基于傾斜攝影測量的三維建模方式通過多視影像同時獲取地面建筑物的頂面和側面紋理信息,完全是根據影像上的信息進行建模,即“所見即所得”,因此建立的模型場景更貼合實際,因此也叫“實景建模”。與傳統技術工藝生產出的模型數據相比,本項目生產出的模型數據,整體性更強,表現上更加貼近真實場景,能增強人的現場感。

④該建模工藝流程所建模型的缺陷主要表現在: (a)少數模型的房角與地面結合處變形較大:這主要集中在建筑物密集及樓間距狹小區域,由于建筑物的遮擋,傾斜攝影獲取的同名像點數過少,造成影像匹配的有效檢核數據不足;(b)個別建筑物側面紋理缺失:此類建筑物側面均屬于玻璃幕墻或具有較強光反射效果的材料,造成計算機無法識別和建模;(c)部分廣告牌、電力塔架等的破缺:引起此類錯誤與影像數據的分辨率以及計算機進行影像匹配的辨析能力有關;(d)部分道路起伏變形,與實地不符:該問題是由于該路面的紋理單一,局部影像相似度大,造成計算機視覺識別困難以及數據濾波不充分;(e)一些水面的缺失和變形:由于水的流動、光的反射、及紋理的單一都是造成計算機識別錯誤,從而建模失敗或變形的因素。以上這些模型錯誤都是在自動建模階段形成,需通過第三方建模軟件進行修測處理后再回S3C軟件進行紋理重新映射處理進行解決。

4　結 語

本文依托丹陽市數字城市建設項目,通過實踐總結了利用傾斜攝影測量技術進行三維建模的技術流程,并實施精度檢測和相關技術分析。綜合模型的平面精度、高度精度、地形精度、影像分辨率、模型精細度以及紋理精細度等各項技術指標達到的等級,檢查認為丹陽市三維場景制作成果達到二級三維模型景觀的要求。

參考文獻

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Production and Quality Analysis of 3D City Modeling Using Oblique Photogrametric Technology

Wang Bingtao,Wang Ji
(Jiangsu Province Surveying & Mapping Engineering Institute,Nanjing 210013,China)

Abstract:In order to detect and analyze the accuracy and quality level of 3D city modeling in Danyang using oblique photogrammetric technology,after summarizing the technical process of 3D modeling,a comprehensive accuracy assessment and analysis of the three-dimensional modeling results was made with a reference of the specifications coded CH/ T 9015-2012 for the digital products of three-dimensional model on geographic information,elevation accuracy detection was made mainly using the polar coordinate method of total station,planar and terrain precision was detected using GPS-TRK receiver,thus providing an important reference of specification and model data standard for 3D modeling of oblique photogrammetry in the construction of digital cities．

Key words:oblique photogrammetry;3D city modeling;digital city;specifications for model products

文章編號:1672-8262(2015)05-80-04中圖分類號:P231

文獻標識碼:A

收稿日期:?2015—06—23

作者簡介:王丙濤(1978—),男,碩士,工程師,主要從事工作為數字城市和天地圖建設。

基金項目:江蘇省測繪地理信息科研項目(JSCHKY201419)