基于多角度影像的大比例尺3D產(chǎn)品一體化生產(chǎn)研究＊

聞彩煥 王文棟

（1.河北省地質(zhì)測繪院，河北 廊坊 065000）

0 引言

隨著經(jīng)濟社會的迅猛發(fā)展，規(guī)劃、建設(shè)、交通、環(huán)境、公眾服務(wù)等各部門對基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)的時效性和準確性需求越來越高。傳統(tǒng)的基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)生產(chǎn)中，大比例尺DLG 一般采用全站儀、GPSRTK 技術(shù)進行全野外測繪采集的方法。大比例尺DEM，DOM 采用傳統(tǒng)航空攝影測量方式基于全數(shù)字攝影測量系統(tǒng)生成[1]。同時，隨著衛(wèi)星傳感器的不斷發(fā)展，多角度觀測衛(wèi)星提供多角度觀測數(shù)據(jù)，為DEM、DOM的生產(chǎn)提供了更多選擇[2-3]。

傾斜攝影測量技術(shù)是近年發(fā)展起來的一項航空攝影測量新技術(shù)，隨著各種傾斜攝影系統(tǒng)的涌現(xiàn)，使得傾斜影像數(shù)據(jù)獲取變得非常快捷，計算機集群、GPU、三維建模的自動化[4]-[7]使得傾斜影像三維建模效率大幅度提升，并得到了廣泛的應(yīng)用。

目前，基于傾斜影像建立的三維模型數(shù)據(jù)成果已在各行各業(yè)中有了廣泛的應(yīng)用，如數(shù)字城市、規(guī)劃設(shè)計、電力選線、景區(qū)展示[8]-[12]。基于三維模型進行空間信息采集也有單位進行了深入的探索[13]-[14]。

本文利用無人機傾斜攝影技術(shù)獲取多角度影像，利用集群技術(shù)自動化建立高精度實景三維建模，在此基礎(chǔ)上進行3D 產(chǎn)品一體化生成。經(jīng)過質(zhì)量檢查，3D 產(chǎn)品均滿足規(guī)范要求，為基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)快速更新提供了保證。

1 關(guān)鍵技術(shù)

1.1 技術(shù)流程

通過無人機傾斜攝影、像控點測量獲取多角度影像信息，通過空中三角測量、三維模型建設(shè)形成實景三維模型，利用三維模型進行輸出編輯、要素采集、特征點線采集等，形成測繪3D 數(shù)字產(chǎn)品。具體技術(shù)流程如圖所示：

圖1 技術(shù)流程圖

1.2 多角度影像獲取

傾斜攝影測量技術(shù),通過在飛行平臺上搭載多臺傳感器，同時從前、后、左、右、垂直多個角度拍攝地面影像，克服了垂直攝影測量的局限性。能夠獲取更豐富的地物紋理影像信息，真實地反映地物的實際情況，而且可通過先進的定位技術(shù)嵌入精確的地理信息。

利用傾斜攝影測量技術(shù)進行海量多角度傾斜影像獲取。在傾斜攝影開展前，做好以下工作：航攝分區(qū)、航線設(shè)計、敷設(shè)航線、設(shè)計航高、確定航攝重疊度，同時，進行像控點布設(shè)與測量工作為多角度影像提供精確的空間定位信息,從而實現(xiàn)利用多角度影像建立可量測的三維模型。

影像分辨率的大小對于三維模型的精度影響至關(guān)重要，進而影響3D 產(chǎn)品精度。根據(jù)幾何關(guān)系，地面分辨率和飛行高度關(guān)系如下：

其中，f為焦距，H為飛行高度，μ為像元尺寸，GSD為地面分辨率。

因此，在一定的相機條件下，考慮實際地形情況，設(shè)計合理的飛行高度從而獲得高分辨率影像。

像控點的精度對三維模型的精度影響至為關(guān)鍵，進而影響3D 產(chǎn)品精度。利用GNSSRTK 技術(shù)開展像控點測量，觀測兩測回，測回間時間間隔超過60s，每測回觀測值在得到RTK 固定解且收斂穩(wěn)定后開始記錄，測回間的平面坐標分量較差不大于2cm，垂直坐標分量較差不大于3cm。兩測回結(jié)果取平均值作為像控點測量最終成果。

1.3 實景三維模型建設(shè)

空中三角測量利用航攝像片和目標之間的空間幾何關(guān)系，根據(jù)少量像片控制點進行像點加密，求得所有加密點的地面坐標和像片外方位元素。利用ContextCapture[15-16]軟件光束法區(qū)域網(wǎng)整體平差方法，通過相對定向，像控點量測，絕對定向完成空中三角測量工作。

首先計算出小區(qū)域內(nèi)每個相機的內(nèi)方位元素，然后導(dǎo)入到工程中進行相對定向，能達到提高相對定向精度的作用。然后在此基礎(chǔ)上進行像控點量測。每個像控點分布在不同視角，每個視角至少3 個以上像片，像控點所在像片清晰，像控點位置接近于像片中心。像控點量測后，進行平差計算，從而完成絕對定向。解算出每幅影像的精確的外方位元素，確定各個影像間的關(guān)系。需要注意的是，空中三角測量過程中，通過控制點的量測環(huán)節(jié)的優(yōu)化、調(diào)整，控制點中誤差控制在1 個像元以內(nèi)，從而提高空中三角測量精度。

在空中三角測量的基礎(chǔ)上，利用ContextCapture軟件，通過傾斜影像的密集匹配,獲取大量高密度的點云數(shù)據(jù)，構(gòu)建不規(guī)則三維網(wǎng)格模型，優(yōu)化、簡化網(wǎng)格模型進行，自動紋理映射，最后生成紋理清晰逼真的三維模型。為提高建模效率，利用多臺服務(wù)器進行集群處理，分瓦片進行三維建模。

1.4 3D產(chǎn)品生成

1.4.1 DOM生成

基于實景三維模型，自動化分塊輸出高精度的正射影像，為最大程度保存影像信息，設(shè)置分辨率為最高分辨率。在此基礎(chǔ)上，利用遙感圖像處理軟件對分塊影像進行鑲嵌，再按照生產(chǎn)要求的網(wǎng)格尺寸進行重采樣，對于個別遮擋區(qū)域、漏洞區(qū)域進行人工修補,最終生成大比例尺DOM，。

1.4.2 DLG生成

在EPS 平臺調(diào)用三維模型OSGB 瓦片數(shù)據(jù)，利用實景三維模型和DOM 進行數(shù)字化測圖，采集房屋、道路、河流、地貌等地物要素信息采集，同時賦予要素屬性，完成DLG 制作。對于模型中遮擋區(qū)域，進行野外補測。對DLG 主要地物要素，采用如下方法進行采集：4

（1）井蓋、篦子等點狀地物，如井蓋，篦子，按照中心定位法在中心位置進行采集。

（2）道路、河流等線狀地物，通過傾斜攝影三維模型結(jié)合紋理信息，采用直接法直接識別線性地物的類型及其走向，從而快速拾取道路、斜坡、陡坎等線性地物的平面位置、高程等信息。

（3）植被等面狀地物，通過識別傾斜攝影三維模型結(jié)合紋理信息，采用直接法判斷植被范圍面，通過采集范圍線完成植被的采集工作。

（4）居民地，針對實景三維模型的居民地建筑物具體情況進行采集，對獨立建筑物利用自動搜索建筑物邊緣進行識別，對密集建筑物，利用相交法、距離延長法進行采集，對于模型頂部清晰、邊緣界限不清情況，利用模型疊加DSM 進行采集。內(nèi)業(yè)識別樓層層數(shù)及建筑結(jié)構(gòu)信息。

1.4.3 DEM生成

傳統(tǒng)的航空攝影方式生成DEM，通過恢復(fù)立體像對，采用立體眼鏡、手輪腳盤等設(shè)備進行特征點、線采集，費時費力。無需佩戴立體眼鏡，采用清華山維科技公司的EPS 3DSurvey 三維測圖系統(tǒng)根據(jù)實景三維模型數(shù)據(jù)進行特征點、線采集。利用所有的特征點和特征線構(gòu)建三角網(wǎng)，完成DEM生產(chǎn)工作。

（1）根據(jù)DEM 產(chǎn)品尺寸確定格網(wǎng)間距，基于模型自動提取高程點和等高線。

（2）在模型中對提取的高程點和等高線進行檢查。同時，對遺漏的反映地貌特征的點進行特征點采集。

（3）采集時，注意貼合地面進行采集，以免造成誤差過大。

（4）遇地形變化大情況，高程點不能表達的，進行特征線采集。

2 研究實例

2.1 研究區(qū)域概況

本區(qū)域為廊坊某個縣級城市,面積為31.88km2。區(qū)域內(nèi)高速公路、國、省、縣、鄉(xiāng)級公路縱橫交錯，交通十分發(fā)達，給測繪工作帶來一定困難。

2.2 多角度影像情況

采用搭載五臺4240 萬像素傳感器傾斜相機的多旋翼無人機進行傾斜攝影，根據(jù)區(qū)域的形狀和范圍，分為9 個分區(qū)，航線按南北方向敷設(shè)。航向重疊80%，旁向重疊70%。根據(jù)測區(qū)范圍最高建筑物情況，飛行高度200米。

進行像控點提前布設(shè)，利用GNSS-RTK 技術(shù)進行像控點測量。共計完成像控點264 個，坐標系為CGCS2000，中央經(jīng)線為117 度。獲取多角度影像數(shù)量65195張。分辨率為3.9cm,最高可達2.4cm。

2.3 實景三維模型情況

對海量多角度影像根據(jù)分布情況和集群計算能力進行分區(qū)處理。本次分為6 個分區(qū)。每個分區(qū)大概片數(shù)在一萬張左右。

對6 個分區(qū)分別進行空三加密。利用Context-Capture

軟件進行原始影像、相機參數(shù)、pos 文件導(dǎo)入。軟件自動進行關(guān)鍵點提取、像對選擇、初始化外方位元素、連接點匹配、控制點參與光束法平差、色彩均衡等步驟來完成空中三角測量。6個分區(qū)，像控點的最大重投影差為0.76個像素，控制點的最大平面位置中誤差為0.012m，最大高程中誤差為0.018m。

空三加密后，利用ContextCapture 軟件自動紋理映射進行三維模型生產(chǎn)，輸出模型紋理清晰的三維瓦片。利用多節(jié)點集群計算，瓦片大小為200m，共計1570個瓦片，用時15天。

2.4 3D產(chǎn)品及質(zhì)量情況

基于實景三維模型，進行3D 產(chǎn)品的生產(chǎn)。共計生成1:2000 地形圖20 平方公里，折合標準圖幅20幅。1:500 地形圖4 平方公里，折合標準圖幅66 幅。共完成1:2000 DEM，45 平方公里，折合標準圖幅45幅。共完成1:1000 DOM，45 平方公里，折合標準圖幅156幅。投入人員9人，用時折合150人天。

隨機抽查30%左右的DLG產(chǎn)品，采用外業(yè)散點方式檢查精度。共檢查平面位置點294 個、高程點208個。經(jīng)計算，點位中誤差為13.9cm。高程中誤差為11.7cm。隨機抽查30%左右的DEM，12 個圖幅。對DEM 進行散點檢查，共檢查高程點653 個，高程中誤差為14.4cm。隨機抽查30%左右的DOM，40 個圖幅。與DLG 做套合的方式檢查幾何精度，套合精度高于2個像元，均未發(fā)現(xiàn)較大的變形和偏移。

經(jīng)質(zhì)量檢查，3D產(chǎn)品均滿足規(guī)范要求。

3 結(jié)束語

本文利用無人機傾斜攝影技術(shù)獲取海量多角度影像，利用集群技術(shù)自動化建立高精度實景三維建模，在此基礎(chǔ)上進行3D 產(chǎn)品的制作。經(jīng)過質(zhì)量檢查結(jié)果統(tǒng)計，3D產(chǎn)品均滿足規(guī)范要求。結(jié)論如下：

（1）通過傾斜攝影拍攝的多角度影像，在獲取實景三維模型的同時，能夠?qū)崿F(xiàn)3D 產(chǎn)品一體化制作，同時滿足產(chǎn)品精度要求，實現(xiàn)了一次航飛，產(chǎn)品完整，真正實現(xiàn)了效益最大化。

（2）和大比例尺DEM、DOM 傳統(tǒng)攝影測量生產(chǎn)方式相比，該方式脫離了立體眼鏡、手輪腳盤等采集設(shè)備，客服了成本高、入門困難等各種弊端；同時，DEM 的生產(chǎn)采用自動提取和人工核對相結(jié)合的方式，DOM 的生產(chǎn)采取自動輸出和人工修補相結(jié)合的方式，大大提高了生產(chǎn)效率。

（3）和大比例尺DLG 傳統(tǒng)野外采集生產(chǎn)方式相比，該方式大大減少了外業(yè)的工作時間，具有自動化水平高、測量范圍廣、效率更高、速度快的優(yōu)點。

（4）尤其對征地拆遷地區(qū)，居民敏感度過高情況，受人為因素干擾小,為高效率、高精度3D 產(chǎn)品生產(chǎn)提供有力的技術(shù)保證。