傾斜攝影及實景建模技術在城鎮(zhèn)改造中的應用

林呀 洪乾坤 沈興調(diào)

摘? 要：傾斜攝影測量作為一種能夠觀測多方位的攝影測量技術，目前被廣泛用于國土安全、城市管理等行業(yè)。本文主要闡述了傾斜攝影技術的數(shù)據(jù)采集和處理、實景模型還原及單體化處理過程中的技巧和方法，分析實景建模步驟，并將該技術成功應用到小城鎮(zhèn)改造項目中，對于促進該技術在城鎮(zhèn)改造項目中的應用具有一定的借鑒意義。

關鍵詞：傾斜攝影技術;實景建模;GIS;虛擬仿真

中圖分類號：P231? ?文獻標識碼：A? ? 文章編號：2096-6903（2019）05-0000-00

0 引言

隨著我國社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，國內(nèi)各城鎮(zhèn)有機提升、美麗鄉(xiāng)村等改造建設項目在加速推進[1]。然而，基于傳統(tǒng)的人工建模、現(xiàn)場攝像以及電子地形等基礎資料的城鎮(zhèn)改造設計手段，存在效率低、人力物力浪費嚴重、溝通困難、設計無端反復等問題。而且，城鎮(zhèn)改造包括道路提升改造類型項目，其存在目標體量大、原始數(shù)據(jù)缺失、勘查困難等特點，因此無法滿足大范圍城鎮(zhèn)改造項目的快速建設要求[2]。傾斜攝影測量作為一種新型的智能數(shù)字化勘查手段，能夠從多方位獲得地物不同角度的影像，為構建城鎮(zhèn)三維模型提供豐富的紋理信息[3-4]，很好地解決了上述各種問題。

1 傾斜攝影技術

1.1傾斜航測基本原理

傾斜攝影作為新近發(fā)展的航測新技術，通過多鏡頭獲取目標相同位置不同角度高分辨率影像，收集地物各方位表面紋理以及地理位置信息[5]。在詳細的航測數(shù)據(jù)基礎上，進行采集圖像的處理、數(shù)據(jù)計算等操作，建立可視化、可量測三維實景模型。

1.2航測數(shù)據(jù)采集及處理

1.2.1航測范圍確定

了解航測地貌，規(guī)劃航測路線，需先在Google Earth中確定該項目的航測范圍（如圖1），以便在劃分飛行架次、確定航拍方案、提高作業(yè)效率等方面進行合理優(yōu)化。

圖1 航測范圍

1.2.2航線規(guī)劃及參數(shù)設定

飛行參數(shù)值（拍攝間隔、旁向間距、高度、航向間距、速度等）的設定是傾斜攝影的主要組成，直接關系到航測的精度和效率。作業(yè)開始前，需綜合考慮測量精度、建筑物分布、飛控距離、電池消耗、地形地貌等因素，并在設定航線和參數(shù)值后，須使飛行高度、地面分辨率及物理像元尺寸滿足三角比例關系。

1.2.3無人機航測作業(yè)

航測作業(yè)前的準備工作主要是完成地面站的設置和無人機的組裝工作。然后無人機在設定的路線及參數(shù)下進行攝影，操作人員的主要任務為觀察無人機位置以及飛行的實時參數(shù)，平均每天可以完成3平方公里左右的航測任務。

1.2.4航測作業(yè)

傾斜攝影主要將各拍攝點的不同方位影像信息和相應的pos數(shù)據(jù)進行采集。影像信息由置于無人機上的多鏡頭相機完成，在勻速狀態(tài)下對地面進行等距離拍攝，獲取具有70%重疊率的照片;與相片對應的pos數(shù)據(jù)則由飛控系統(tǒng)在拍照時同步生成，此時相片具有經(jīng)緯度、海拔、高度、飛行姿態(tài)、飛行方向等大量的信息。

1.3數(shù)據(jù)處理

傾斜攝影后期GIS的數(shù)據(jù)主要是通過使用實景建模軟件ContextCapture進行處理。ContextCapture作為一種高效的構建三維模型的軟件系統(tǒng)，通過影像自動化技術對靜態(tài)物體進行建模，并疊加相機傳感器屬性、照片位置姿態(tài)參數(shù)、控制點等信息進行空中三角測量計算、模型重建計算，最后將輸出對應的GIS成果用以瀏覽或后期加工。常見的輸出格式包括OSGB、OBJ、S3C、3MX等。

1.3.1 pos數(shù)據(jù)整合

飛控系統(tǒng)生成的pos數(shù)據(jù)包格式與后期處理軟件不符，而且包含了很多后處理不需要的信息，影響后處理工作。需要對原始數(shù)據(jù)進行篩選后分類處理，再用于相應數(shù)據(jù)處理軟件（如圖2）。

（a）原始數(shù)據(jù)? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（b）整理后的數(shù)據(jù)

1.3.2空間三角測量計算

空間三角測量缺失的照片數(shù)量會同步在運算過程的信息面板上。若缺失太多，則應取消此區(qū)塊的計算，重新選擇不同設置進行空三測量（如圖3）。

若某些參數(shù)設置不正確或者照片的重疊率不足，都會影響空三測量操作的結(jié)果。

（a）空中三角計算? ? ? ? ? ? ? ? ?（b）空三計算過程的三維視圖

1.3.3三維重建計算

由于拍攝量大，獲取數(shù)據(jù)多，對完成重建工作的計算機內(nèi)存要求非常高，可能達上百G，普通計算機無法滿足要求，故需根據(jù)計算機實際情況重新建立框架，將原來的框架拆為若干個大小相同的分塊，分別進行計算。

1.3.4數(shù)據(jù)集群處理

集群處理可搭建一個局域網(wǎng)，網(wǎng)內(nèi)除一臺作為服務器的計算機外，其他計算機均作為節(jié)點連接到服務器而組建成群組，提交任務后，服務器將子任務分配到各節(jié)點。子任務完成后，由各節(jié)點將結(jié)果反饋到服務器，并接受新一輪的任務直到完成所有任務。

集群處理數(shù)據(jù)比單機處理，可靠性與容錯率均有提升，若群組中一個節(jié)點出現(xiàn)故障，其所負責的子任務就自動分配到其他節(jié)點;而且集群處理成本較低，對于龐大數(shù)據(jù)量的處理，單機無法滿足儲存空間和處理速度的要求，集群之后，就能發(fā)揮高性能處理器的運算能力，大大降低了硬件成本。

1.3.5模型精修及單體化處理

采用ContextCapture軟件生成的三維模型，由于存在影像采集時不理想的地物姿態(tài)或者影像匹配錯誤從而造成地物變形、部件缺失、懸空物體等情況。運用單體化軟件對三維模型進行精修并重建，使實景模型更準確、完整，達到后期三維GIS應用。智慧城市等互聯(lián)網(wǎng)平臺有對區(qū)域內(nèi)部分建筑個體進行單獨賦予特性、單獨編輯、查詢以及數(shù)據(jù)查詢等需求，故需對模型進行單體化處理。

2 工程項目應用

2.1工程概況

項目位于柳州城中區(qū)環(huán)江村區(qū)，由山地、農(nóng)田、林地、農(nóng)村建筑等構建而成，根據(jù)衛(wèi)星地圖和圖紙判斷，該項目區(qū)域，總面積為15平方公里左右，從衛(wèi)星底圖和照片狀況分析，建筑大部分為低層建筑;且以農(nóng)田、山體、林地為主較多。

主要采用無人機航空攝影的技術方式對柳州城中區(qū)環(huán)江村區(qū)面積約15平方公里進行影像調(diào)繪、三維重建1：1000矢量出圖。以完成整個區(qū)域的正射攝影像圖、數(shù)字線劃圖、高精度DEM的生產(chǎn)，完善整個區(qū)域的基礎測繪資料與成果，并結(jié)合智慧城市建設的背景，完成柳州市地理信息測繪行業(yè)的發(fā)展。

2.2數(shù)據(jù)采集

采用DJI GS Pro對飛行路線做了詳細規(guī)劃，主要滿足以下幾點：照片的重合率不小于70%;飛行高度高于建筑物高度;采集的影像均包含目標位置的高度、經(jīng)緯度信息。

采集包括高重疊度的多視角數(shù)據(jù)、像控測量成果和POS數(shù)據(jù)等原始資料。

航測結(jié)束后，連接相機，獲取飛行數(shù)據(jù)，用于數(shù)據(jù)后處理。

2.3數(shù)據(jù)修復

2.3.1操作平臺及流程

篩選符合要求的照片并導入建模軟件ContextCapture。

數(shù)據(jù)后處理流程如圖4所示：

2.3.2修復軟件

模型修復軟件的功能直接影響模型最后呈現(xiàn)的效果。目前類似軟件有： 3DMax、DPModeler、Geomagic、Meshmixer、PhotoMesh和RealityPaint等。此類軟件可以對模型進行精細的修整。

2.3.3修復數(shù)據(jù)

俯視角度一般可以很好地呈現(xiàn)實景還原的視覺效果，但實際操作中可能會受其他因素的影響，比如拍攝盲區(qū)或目標物特征點匹配的誤差等，數(shù)據(jù)后處理生成的模型會產(chǎn)生空洞的現(xiàn)象。如果項目的模型質(zhì)量要求高，則需要對這些空洞進行修復。

圖5a即為本案例中某區(qū)域的原始軟件生成模型圖，圖5b則為使用DP-modeler對空洞或殘缺部分重新構面后，再進行貼圖得到的效果。

在DP-modeler中，繪制基底面，再根據(jù)建筑物高度拉伸基底面，就可以得到效果較好的模型紋理，對于還存在缺點的部位，再進行人工重新構面貼圖進行修整。如圖6（a）即為案例中的建筑物原始模型，圖6（b）則為修整后的模型圖。

2.4數(shù)據(jù)展示及更新

2.4.1數(shù)據(jù)分析展示

2.4.2數(shù)據(jù)更新

（1）二次采集。根據(jù)已有的實景模型，對其進行規(guī)劃設計，然后進行二次采集，重新生成實景模型。

（2）數(shù)據(jù)比對。模型改造前后對比展示（如圖8）。

3 結(jié)語

本文采用的傾斜攝影的影像采集分析方法，具有低成本、高靈活性等特點，通過與三維實景建模、虛擬現(xiàn)實仿真和其他輔助技術等關鍵技術相結(jié)合，進一步在工程設計、方案比選和綜合評價中提高效率、準確度，進而降低設計成本，以期用于市政設計院、建筑設計院等單位的實際工作中。

參考文獻

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[4]胡天明，馮磊，吉長東，等.基于機載LiDAR的傾斜攝影在三維建模中的應用研究[J].測繪與空間地理信息，2019（8）：219-221+224.

[5]宋碧波.傾斜航空實景影像系統(tǒng)構建關鍵技術研究[D].河南理工大學，2012.

收稿日期：2019-08-10

基金項目：2018年浙江省教育廳一般科研項目（Y201840619）

作者簡介：林呀（1982—），女，浙江杭州人，工學碩士，講師，研究方向：市政工程。

The Application of Tilt Photography and Real Scene Modeling in the Reconstruction of Towns

LIN Ya，HONG Qiankun，SHEN Xingtiao

（Zhejiang Tongji Vocational College of Science and Technology，Hangzhou? Zhejiang? 311231）

Abstract：Tilt photogrammetry is a kind of photogrammetry technology which can observe multi-direction. It is widely used in the fields of homeland security and urban management. This article mainly expounds the photography of the tilt data acquisition and processing， real model restoration and monomer in the process of processing techniques and methods， analyzes the steps of the modeling of real， and this technology has been successfully applied to the small towns in the renovation project， to promote the technology application in urban renovation project has a certain reference significance.

Key words：Tilt photography technology;Real scene modeling;GIS;Virtual simulation