基于傾斜攝影測量技術的三維數字城市建模

■徐紅

（遼寧省地理信息院遼寧沈陽110034）

基于傾斜攝影測量技術的三維數字城市建模

■徐紅

（遼寧省地理信息院遼寧沈陽110034）

傾斜攝影測量技術是國際測繪領域近年來倡導使用的一項高新技術。它顛覆了以往影像只能從正攝角度拍攝影像的局限，它通過在同一飛行器上搭載多臺傳感器，同時從一個正攝、四個傾斜等五個不同的角度采集影像數據，將用戶引入了符合人眼視覺習慣的真實且直觀的世界。利用傾斜攝影測量技術，可以快速建立城市三維模型，節省了模型細部分析時間，簡化了模型紋理采集和處理方法，縮短了項目周期，提高了工作效率，降低了成本。

傾斜攝影測量三維

1　傳統建立城市三維模型的方法和弊端

傳統建立城市三維模型的方法是，先要將需要建立模型的區域劃分為若干個測區，采用外業人員手工拍照的方法，結合正攝影像，得到建筑物的結構和紋理；然后通過內業人員的處理，結合正攝影像、測區平面矢量圖、屋頂矢量圖等數據，建立白模，通過拍攝的紋理分析模型的細部結構，最后將拍攝的紋理處理后貼在白模上。

傳統建立三維城市模型的弊端在于，外業人員工作量大，拍攝時間長，存在漏拍等問題，導致內業人員只能靠猜測來分析部分建筑物的細部結構；由于拍攝角度的原因，內業人員往往看不清屋頂的細節，照片的拍攝順序也不一定符合內業人員的觀察習慣，照片順序凌亂，浪費了很多建模的時間；紋理拍攝的傾角不同，導致內業人員制作紋理時遇到困難。

2　傾斜攝影測量的技術特點

相對于正射影像，傾斜影像能讓用戶從多個角度觀察被制作建筑，更加真實地反映地物的實際情況，極大地彌補了基于正射影像分析應用的不足；通過配套軟件的應用，可直接利用成果影像進行包括高度、長度、面積、角度、坡度等屬性的量測，擴展了傾斜攝影技術在行業中的應用；針對各種三維數字城市應用，利用航空攝影大規模成圖的特點，加上從傾斜影像批量提取及貼紋理的方式，能夠有效地降低城市3維建模成本。

3　傾斜攝影測量的意義

傾斜攝影測量不僅能夠真實地反應地物情況，而且可通過先進的定位技術，嵌入精確的地理信息、更豐富的影像信息、更高級的用戶體驗，極大地提高了航攝影像處理的速度。傾斜影像技術的應用，使目前高昂的三維城市建模成本大幅降低，大大提高三維城市建模的速度。

4　傾斜攝影測量原理

通過傳統攝影測量的飛機飛行方式，增加向前、后、左、右四個方向的傳感器鏡頭，同時拍攝一組正攝和四個傾斜等五個不同角度的相片。拍攝相片時，同時記錄航高、航速、航向重疊、旁向重疊、坐標等參數，然后對傾斜影像進行分析和整理。在某時段，飛機連續拍攝幾組影像重疊的照片同一地物最多能夠在8張相片上被找到，這樣內業人員可以比較輕松地分析建筑物的結構，并且可以選擇最為清晰的一張照片制作細部紋理，同一地物的四個側面的傾斜影像。

5　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。

6　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。

7　結語

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。

［1］林琿，張宏.虛擬城市建設原理與方法［M］.北京：科學出版社，2003.

［2］陳干，呂國年，劉曉艷.數字城市與虛擬城市關系研究［J］.江蘇城市規劃，2000 （4）：30-34.

P2［文獻碼］ B

1000-405X（2016）-8-247-1