傾斜攝影三維模型與大場景地形的數據融合

馬道鳴

傾斜攝影三維模型與大場景地形的數據融合

馬道鳴

在三維地理信息系統中，大場景地形作為一種較經典的數據備受關注。對現有的研究文獻進行分析，發現相關研究并不少見，但是無法有效解決傾斜攝影三維模型與大場景地形的數據融合問題，需要對數據融合算法進行創新。

一、傾斜攝影的概念

傾斜攝影屬于一種全新的測繪技術，其基本原理，是在相應的平臺上架設多臺傳感裝置，從五個不同的角度（一個垂直、四個傾斜）來進行影像的采集，從而得到更加符合人眼視覺的圖像。傾斜攝影可以實現單張影像兩側，可以對建筑側面的紋理進行采集，其本身的數據量較小，通過成熟的技術實現快速發展，保證了數據的高度共享與合理應用。

二、數據融合算法

1.算法流程

首先需要對數據進行預處理，然后在現有的軟件平臺下，將傾斜攝影三維模型中的建筑和地形進行分別存儲，前者采用不規則三角網存儲，后者則采用點云存儲。由于預處理并不會改變頂點坐標，因此在分離后，地形和建筑的空間位置并不會發生變化。預處理完成后，應該建立統一的基準面和坐標系，實現傾斜攝影三維模型基準面向大場景地形基準面的轉換。同時，構建融合緩沖區，在緩沖區采樣，生成地形點云，將之前存儲的傾斜攝影地形點云與之合并，生成TIN瓦片金字塔，就能夠實現傾斜攝影地形與大場景地形的融合。

2.基準面與坐標系統一

一般情況下，在傾斜攝影地形和大場景地形中，采用基準面和坐標系并不相同，因此從方便數據融合分析的角度，需要首先對數據的基準面和坐標系進行統一。考慮到大場景地形數量巨大、數據技術成熟、坐標系和基準面相對統一的特點，這里將傾斜攝影地形向大場景地形靠攏。基準面的轉換選擇布爾莎7參數轉換方法，從相應的地形中選擇N（N＞3）個地物點，傾斜攝影地形采用的是投影坐標性，大場景地形采用的則是地理坐標系，將選擇的同名地物點轉換到空間直角坐標系，以最小二乘法計算轉換參數，然后實現基準變的轉換。同樣的方法，可以完成傾斜攝影建筑基準面和坐標系的轉換。

3.融合緩沖區采樣

基準面和坐標系的統一并不意味著傾斜攝影地形與大場景地形的完全融合，其在接邊區域可能會存在較大的差異。對此，可以建立相應的融合緩沖區，在緩沖區內，保證數據過渡的平滑性。考慮到數據精度問題，將緩沖區設置在傾斜攝影地形的外部。

緩沖區建立后，需要在其內部進行采樣，為了提升采樣密度，摒棄了傳統的等間距采樣和隨機采樣，在靠近傾斜攝影地形區域一側（分辨率高）進行高密度采樣，在靠近大場景地形一側則適當降低采樣密度。

緩沖區采樣完成后，可以利用插值算法來對采樣高程值進行計算，不過考慮到緩沖區的位置，存在于傾斜攝影地形中的采樣點無法利用傳統的差值算法計算高程。對此，提出了一種全新的插值方法，在緩沖區靠近傾斜攝影地形的一側逐步向外擴展，對緩沖區邊界線上的采樣點高程進行逐一計算，選擇來自內側相鄰緩沖區和大場景地形的采樣高程作為插值，保證了高程計算的順利完成。

4.TIN瓦片金字塔建立

完成緩沖區采樣后，可以將采樣結果與傾斜攝影地形點云合并，然后利用合并后產生的地形點云構建相應的TIN。不過，在合并后，地形點云的數據量相當龐大，單純依靠一張TIN可能會出現無法載入內存的問題，影響數據的調度和使用。針對這個問題，本文提出了一種全新的解決方法，即將合并后的地形點云輸入，構建TIN瓦片金字塔，以確保數據的正常調度。TIN瓦片金字塔的構建需要解決三個問題：一是層數，在TIN瓦片金字塔中，采用的是全球頂層分塊，而每一塊構建相應的四叉樹，頂層層號0，之后依次增加。應該盡量選擇數目接近的點來構建瓦片的TIN目，以實現瓦片數量的有效控制。經分析研究，可以將用于確定瓦片金字塔層次、生成瓦片TIN的閾值設置為64。二是最精細瓦片TIN的生成。針對常規算法中存在的缺陷，本文提出的算法首先對每一個瓦片點云邊界進行了計算，然后結合層內相鄰瓦片的點云邊界，計算瓦片的中心TIN，之后進行插值處理。通過這樣的方式，在很大程度上提高了計算效率，也避免了相鄰瓦片間裂縫的存在。三是上一層瓦片TIN的依次生成，可以從相鄰下一層中，得到瓦片范圍內的點云，抽希后作為該層點云，點云的數目與之前提到的閾值相同，為64，而除最下兩層，其他層次在經過抽希后，點云的數目為原本的1/4，瓦片頂點數相同，也保證了數據傳輸的流暢性。

三、算法結果

在Top-World三維地理信息系統中加載融合后的數據，結合生成的圖像進行分析，發現融合算法可以實現傾斜攝影地形與大場景地形的有效融合，也能夠支持不同距離和層次的數據調度。融合的最終結果如圖1、2所示。

圖1 融合效果對比

圖2 小區域融合結果

圖1（a）是在完成數據基準面和坐標系的統一后直接疊加得到的結果，圖1（b）則是依照本文提到的算法處理后得到的結果。經對比可以發現，在圖1（a）中，建筑底部被大場景地形遮擋，而在圖1（b）中，由于TIN瓦片金字塔的存在，建筑底部并沒有被大場景地形遮擋，表明融合的效果更好。

圖2（a）采用的是網格顯示，圖2（b）采用的則是面片顯示，可以看出，結合本文提到的數據融合算法，傾斜攝影的三維模型與大數據地形可以實現較好的融合，避免了差異的存在。

本文采用的Top-World三維系統使用的是Windows7操縱系統，搭配i5處理器和AMD RADEON HD6450顯卡，系統運行內存4G，顯示器分辨率達到1920×1080。在融合數據加載完成后，系統的數據刷新頻率在32-55幀/s，不存在卡頓、掉幀問題，無論是數據的調度操作還是用戶的交互操作，都能夠保持流暢性。

四、結語

本文提出了一種新的數據融合算法，利用緩沖區實現傾斜攝影三維數據與大場景地形數據的平滑過渡，TIN瓦片金字塔的構建保證了融合后數據調度的流暢性，也為數據的共享和使用提供了良好的保障。

（作者單位：河南省航空物探遙感中心）