基于航空攝影測量的數字城市快速三維建模技術研究

王娟娟

摘 ? 要：本文以北京某開發區三維建模為工程背景，探討了基于航空攝影技術的數字城市快速三維建模方法，本文首先分析了三維建模技術的原理和特點，進而分析了三維建模技術的生產流程，在此基礎上，本文結合具體工程實例，探討了DEM、DOM、TDOM制作方法和三維建模方法，結果證明本項目獲取成果完全滿足城市三維建模精度的要求，制作的城市實景三維模型紋理清晰自然、精確度高，符合人眼視覺感受，能客觀反映現實世界。

關鍵詞：航空攝影測量 ?數字城市 ?三維建模 ?DEM ?DOM ?TDOM

中圖分類號：P231 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2019）08（a）-0001-02

當前，三維數字城市的研究與實踐已經十分廣泛，國內各大中小城市都基于自身應用需求開展了城市級三維模型建設，并在相關領域開展了應用，這些成果不同程度地促進了城市規劃、建設和管理水平的提高，并推動了國內三維數字城市建設的熱潮。

在三維數字城市制作中，建模的主體包括三大部分：地面模型、建筑物模型、地物要素模型，其中三維重建建筑物模型是最主要的工作。根據建模采用的技術手段和表現方式的不同，建模方法又分為三大類：模擬建模、半模擬建模和測量建模。目前，大區域三維數字城市模型生產一般采用測量建模的方法，而航空影像是建筑物三維重建的主要數據源，它是三維城市數據獲取最經濟快捷的方法之一，其生產技術方案主要是通過航空攝影測量來實現。

1 ?航空攝影測量三維建模技術簡述

1.1 航空攝影測量三維建模技術原理和特點

航空攝影測量是通過飛行器攜帶航攝相機對地面連續攝取具有一定重疊度的像片，結合像控測量、調繪以及立體測圖等步驟，為三維建模工作提供以下重要數據：建筑物三維重建模型（DLG）、數字高程模型（DEM）、數字正射影像（DOM）、數字真正射影像圖（TDOM）。這些數據經過專業軟件處理加工，就能得到建筑物三維模型的位置、形狀和高度信息，并能快速重建三維場景中的地形數據，再加以正射影像屋頂信息提取和外業建筑物紋理采集即可構建三維建筑模型。其相比其他的建模方法具有以下優勢：

（1）航空攝影測量已有100多年的發展歷史，在三維建模方面的應用也有10多年的時間，技術思路成熟，可使用的軟件和工具較多，可完全自動化操作。

（2）航空影像的數據源種類比較多，能快速獲取地形和建筑物的空間幾何和高程數據，精度可以達到厘米級別，能同時解決三維模型的紋理問題，且三維場景真實，工作人員容易轉變角色，從攝影測量過渡為三維建模。

（3）可以購買現成的航測資料，實現較為容易，成本相對較低，可應用于大區域內的數據采集，且影像數據較容易更新，可為數字城市甚至數字地球提供基礎數據框架。

1.2 航空攝影測量三維建模技術生產流程

航空攝影測量三維建模技術生產流程如圖1所示。

2 ?項目實例

2.1 項目簡介

北京某精細三維數字城市模型建設項目主要采用航空攝影測量得到航空影像，在適普VirtuoZo全數字攝影測量系統下生產數字高程模型DEM、數字正射影像圖DOM、真正射影像圖TDOM，采集城市建筑物的幾何高程矢量數據，利用計算機圖像自動識別技術創建三維基礎模型，結合外業采集照片進行人工貼圖的仿真建模方法制作建筑物三維數據產品，再疊加DEM、TDOM、建筑物三維模型創建數字城市三維場景。

2.2 航空攝影測量

本次航空攝影測量采用北京四維遠見信息技術有限公司生產的SWDC全數字航攝儀，航攝得到地面分辨率為0.06m、航攝比例尺為1：5000的影像資料，在適普VirtuoZo全數字攝影測量系統下進行空三計算，求得加密控制點的坐標，同時得到外方位元素，為制作數字線劃圖產品和正射影像產品提供所需的立體模型定向參數。

2.2.1 數字高程模型DEM制作

根據空三加密后的數據，在適普VirtuoZo全數字攝影測量系統下定向創建立體模型，制作時，使用VirtuoZo的IGS（Interactive Graphics System 交互式數字影像測圖系統） 測圖模塊采集特征線，檢查相對定向、絕對定向精度，自動生成5m格網的DEM文件。編輯DEM矩形格網點的要求所有的點必須嚴格按照精度要求進行，每一個點都要嚴格落到地面上，DEM接邊檢查與處理通過直接查看DEM立體格網點是否緊帖在影像立體模型上，再針對單個格網點高程進行精確調整，最后導出DEM文件并進行格式轉換。

2.2.2 數字正射影像圖DOM 制作

根據空中三角測量結果和接邊處理后的DEM，采用適普VirtuoZo全數字攝影測量系統，逐像元進行投影差改正，糾正后的航片再經過勻色、勻光、調整編輯拼接線并鑲嵌影像，最后按一定圖幅范圍進行裁切生成DOM。

2.2.3 真正射影像圖TDOM制作

三維建模區背景圖是數字正射影像（DOM）產品的一種真正射影像（TDOM），TDOM是所有物體的傾斜均被糾正的一種鑲嵌影像，影像上每點都是完全垂直視角，保證所有建筑物無投影差。本項目利用適普VirtuoZo全數字攝影測量系統，在立體環境下采集建筑物屋頂矢量數據，利用此數據對正射影像數據進行再次精糾正，以消除建筑物的投影差。在正射糾正過程中通過選取地面點在影像上的最佳像素進行灰度重采樣，同時對陰影進行處理和影像勻光，以像素為單位組合生成真正射影像，并根據標準分幅進行裁切。

2.3 三維建模

2.3.1 基礎模型制作

利用空三加密后的數據，在適普航測法建模技術（DiBud）的立體環境下采集建筑物幾何特征信息，結合DEM將建筑物矢量數據自動生成建筑物三維基礎模型。

2.3.2 模型屋頂貼圖

結合生成的基礎模型數據與調色后的原始影像數據，進行相對定向后，對建筑模型頂部紋理信息進行準確裁切，并自動提取，可直接附著在建筑物三維模型數據上。

2.3.3 外業紋理采集

參照《數字城市3D模型物體外立面紋理采集規范》，利用高像素數碼相機采集建筑物外立面紋理信息。拍攝時，根據照片貼圖的要求對測區范圍內所有建筑物立面特征進行分塊采集，并保證相鄰建筑物的紋理接邊，采取先整體后局部的拍攝順序，對特征建筑物以及建筑物的局部特征細節均要給出特寫，每一建筑物都要有對應的拍照記錄，具體的記錄方式按照設計要求做出數據標記，要求標記清晰、分區清楚詳細。

2.3.4 三維場景整合

采用適普Stamp三維GIS平臺應用軟件，對DOM、DEM、模型、精細場景等進行優化、發布，最后整合生成數字城市三維場景。

2.4 成果應用

該項目采用航空攝影測量三維建模技術，最終完成了開發區內10km2的精細三維數字城市模型建設，順利通過該市國土資源局的驗收，并一致評定：本項目獲取成果完全滿足城市三維建模精度的要求，制作的城市實景三維模型紋理清晰自然、精確度高，符合人眼視覺感受，能客觀反映現實世界。該項目的建成將有效推動國土資源、智慧社區、公安消防等三維數字城市的示范應用，成為政府科學決策、高效管理和宏觀調控城市建設發展的重要手段。

3 ?結語

航空攝影測量三維建模技術為數字城市建設快速獲取三維模型提供了可靠的方法和技術手段。隨著數字城市建設的不斷發展和智慧城市建設的不斷深入，以及我國城鎮化建設的不斷加快，三維城市模型數據的現勢性成為決定其可用性的關鍵因素，因此，航空攝影測量快速三維建模技術的作用將更加突出。

在航空攝影測量三維建模中，由于航空攝影測量本身的特點和局限性，使得地物特別是高層建筑物的遮擋現象比較嚴重，建筑物的側面紋理和三維坐標信息提取受到影像制約，隨著地基立面三維測量技術（一種能快速獲取立面三維信息的技術）的發展成熟，結合當前流行的無人機航空攝影測量，可以更加快速地獲取小區域和應急三維立體模型，為數字城市的快速發展開辟了一條新的途徑。

參考文獻

[1] 侯生輝.航空攝影測量及其在數字礦山建設中的應用[J].華北國土資源，2018（8）：33-36.

[2] 李集亮.無人機航空攝影測量技術在地形測量中的應用與實踐[J].西部資源，2018（6）：21-23.

[3] 李楓.低空無人機航空攝影高度自動測量方法研究[J].計算機測量與控制，2017（12）：44-47.

[4] 葉威.CMOS傳感器在航空攝影測量中的應用[J].測繪通報，2017（8）：66-67.

[5] 滕惠忠.海島礁航空攝影測量技術應用研究[J].海洋測繪，2016（11）：55-58.