傾斜攝影測量三維重建在城市規劃管理中的應用

張 奇 徐 斌 張 冬 徐以泱

（1.揚州市邗江測量服務所，江蘇揚州 225000；2.揚州市自然資源和規劃局邗江分局，江蘇揚州 225000）

隨著計算機技術及傳感器的不斷發展，城市的數字化表達由二維逐漸過渡到三維，城市發展和建設逐漸趨于規模化和立體化。與二維數據相比，三維數據具有信息量豐富、感官真實等優勢，使得動態交互的方式成為可能，在城市規劃建設、應急管理等方面意義重大，如何建立高效、準確的城市數字三維模型是一個重要的研究方向。

傳統的手工建模方式需要大量的人力參與且獲取的數據受到儀器安放位置的限制，難以對結構復雜的場景精確建模，同時成本高且效率低下。三維激光掃描技術的引入有效改善了手工方式的不足，精度和準確性大幅度提高，但掃描點云數據冗余量大，處理效率較低，算法復雜，同時激光掃描設備價格昂貴，不適用于大范圍城市三維數據的獲取。傾斜攝影測量技術的發展解決了以上方法的不足，具有人工干預少、范圍廣、紋理影像真實度高等優勢，能夠快速、高效、準確地獲取城市三維立體模型，是城市規劃管理中不可或缺的重要技術手段。

1 傾斜攝影測量三維重建

1.1 傾斜攝影測量

傳統攝影測量主要采取測量地形地物頂部的方式來獲取地面高程信息和地物地貌信息，對有明顯輪廓的地形地物具有較好的測量效果[1]。但傳統的攝影測量無法獲取目標的立面紋理信息，在地形起伏較大的地區難以獲取地物的立體結構數據，在建筑物密集區存在遮掩等限制。近年來，隨著傳感器的更新換代及相關理論技術的發展，航空攝影測量從僅搭載垂直相機轉變為搭載垂直相機和多個傾斜相機的組合，傾斜相機能夠獲取地物的側面紋理，簡化了影像解譯，降低了三維重建的成本，提高了三維重建的效率和效果[2]。

隨著傾斜攝影測量技術的快速發展，其低成本、高分辨率、受天氣影響小等特點使其成為三維重建中重要的數據獲取方式，傾斜攝影測量技術應用于城市三維建模具備測繪級精度且具有高真實感，能夠快速實現自動化建模工作，在城市規劃建設等眾多領域具有十分廣泛的應用。

1.2 三維重建

三維重建是指對某些三維物體或者三維場景的恢復重構，基于一個視圖或者多個視圖所獲得的物體圖像實現三維重建。單視圖信息單一，三維重建需要非常復雜的算法和過程，基于單幅圖像三維重建最廣泛和最實用的方法，利用幾何投影的原理進行重建，即利用圖像的幾何約束進行相機的參數估算，然后通過測量目標的幾何形狀或計算高度估算必需的深度信息，最后通過幾何投影數字化三維模型，步驟煩瑣且誤差較大。多視圖的方式模仿人類觀察世界的方式，增加了信息量，尤其是立面紋理信息，故三維重建的實現相比之下較為輕松。

2 傾斜攝影測量關鍵技術

2.1 傾斜影像匹配

三維建模中傾斜影像的匹配有兩種，一種是用于定向的稀疏匹配，另一種是用于三維重建的稠密匹配。

稀疏匹配要求匹配點分布均勻、誤匹配少，如何提高匹配精度是重要的研究方向。以無人機、飛艇等搭載平臺進行傾斜攝影測量因平臺輕、氣流不穩定等原因會造成姿態信息不穩定，在復雜地形下影像的幾何變形尤為突出且地物尺度變化大。為獲取影像的同名點，傳統的方式使用現成的特征匹配算法如SIFT算法等，沒有考慮大傾斜視角變化引起的尺度不一致問題，固定窗口獲取的特征描述無法反映真實的地物信息，容易造成誤匹配且精度不高。為解決此問題，提出了多種算法。姚國標等[2-3]基于最大穩定極值區域提出一種融合互補仿射不變特征的傾斜影像高精度匹配方法，地面近景傾斜立體影像和無人機傾斜立體影像試驗結果良好。

近年來，隨著計算機硬件設備的發展，極大支持了深層次神經網絡的構建，深度學習在二維圖像領域的應用已取得巨大成功[4]。深層次語義特征可以通過卷積神經網絡提取，打破了人工設計特征的局限性，可獲得極高的匹配精度。南軻等[5]為實現多模態遙感影像間的高精度匹配，基于Siamese網絡進行特征完整性保留的改進，取消池化層的特征表達來保留所有抽象語義特征，多組試驗結果均取得了95%以上的匹配正確率。安譜陽等[6]通過建立金字塔多尺度空間構建了基于Siamese深度網絡的多尺度影像匹配模型，結合粗差點剔除和由粗到精的匹配策略實現了長間隔多時相衛星遙感影像的高精度匹配。

2.2 多視影像區域網平差

多視傾斜影像進行聯合平差時需要考慮由視角變化引起的幾何變形和地物遮擋問題，先通過影像匹配算法找到傾斜影像的初始特征點，再利用最小二乘、相似性測度、核線約束等約束條件匹配特征點，最后進行光束發區域聯合平差。目前傾斜航攝系統一般配備POS系統用來獲取姿態的多相機系統，區域網平差有三種方式：

（1）無約束聯合定向法：每幅影像使用獨立的外方位元素，同一相機拍攝的影像使用共同的內方位元素。這種方法未知數較多，計算量較大。

（2）附加相對約束定向法：同一攝站的多個相機整體作為一個單元進行平差，相機之間的相互關系作為約束信息加入光束法平差中。這類方法的優勢在于降低了未知數的數量且網型更加穩定。

（3）直接定向法：空三解算出下視影像的方位元素，利用已檢校過的傾斜相機與下視相機之間的旋轉平移參數解算出傾斜影像的方位元素。這種方式最為簡單，但精度較低，沒有充分利用多傳感器的信息。根據這些平差方法的特點，在實際應用中一般采取組合的方式以達到更好的效果。

3 三維重建關鍵技術

3.1 點云三維構網

點云三維構網即構建三維白模型，是紋理映射的數據基礎。點云三維構網的方法主要有兩種，一種是基于幾何的重建，即從點云數據中提取具有幾何意義的特征表達，如特征線、特征面、幾何實體等，這種方法沒有充分利用點云數據，獲取的物體表面模型較為粗糙。另一種方式針對點云數據的坐標點直接或間接構建多邊形網格模型近似物體表面，充分利用了點云數據，可獲取高質量的物體表面模型，是應用廣泛的重建方法。該方法的研究重點在于三角格網的構建和隱式函數的構建。網格的模型定義為一個二元組(K,V)，其中K表示網格的連接拓撲信息，如網格頂點、邊、面等鄰接信息，V={v1,v2,…,vn}表示頂點的集合，確定了網格在空間中的幾何形狀和位置。

比較著名的基于泊松方程表面重構法對點云的密度和噪聲具有較好的魯棒性，但獲得的三角網過于平滑，對地物結構邊緣無法保留，而城市中存在大量建筑物和人工結構，邊緣特征非常明顯，故不適用于城市地區。

基于Delaunay的三角網構建方法則具有較強的適用性。Delaunay三角格網是由連接Voronoi圖中具有公共邊相鄰多邊形的中心形成的格網，具有空外接圓特性，即任何一個三角形的外接圓均不包含其他數據點，最小角之和最大特性是在所有形成的三角格網中，Delaunay三角網中的所有三角形的最小角之和是最大的。

這兩個特性是建立Delaunay三角格網的算法依據，可以有效保證格網中的三角形是接近等角或等邊的三角形。根據點云數據的密度及計算復雜度等因素又可將Delaunay構網分為三類。分治法即遞歸等分點云后對子集點云構網，再逐級合并子三角網，消耗內存較大，效率較低。

增量插值構網法即將所有點云標記為一個超三角形的頂點，遍歷所有點通過不斷引入新的點找出包含該點的三角形構建格網，最后再剔除含有一定數量頂點的超三角形。該方法具有較好的穩健性且內存消耗少，但時間效率較低。三角增長法即通過隨機選取種子點，建立鄰域點的定向基線，依據Delaunay準則生成三角網，效率較低。

鄭順義等[7]將三維空間的構網轉換為二維平面的三角構網，采用人工選取范圍、種子點的方式實現了Delaunay三角網構建的無縫拼接。基于Delaunay三角增長法引入邊、角等約束條件，在保證細節的前提下滿足了精度要求。

3.2 點云紋理映射

三維網格模型無法表達真實地物，缺乏可辨識性，紋理映射指將紋理影像構成的紋理空間和表面參數構成的三維模型空間意義對應的映射，即將紋理映射到三維網格模型上以增強模型的識別程度，同時還可以有效覆蓋模型自身存在的小缺陷。

紋理映射處理過程中主要解決兩個問題：一是配準問題，即最佳相片的選擇，一般采用某種衡量指標來進行選擇，如周曉敏等[8]采用模型表面的每個三角形面片的法線方程與二維圖像之間的角度關系衡量合適的相片，夾角越小則紋理質量越高。

目前廣泛應用的是對于每一個需要進行映射紋理的面片，根據具體情況采用某種衡量指標為每一相片計算一個得分，將得分最高的相片作為紋理候選片。另一個問題是色彩過渡問題，一般采用不需要大范圍重疊區域且效果較好的標準泊松融合方法。魏凌飛等[9]利用共線關系匹配空間點并對傾斜影像進行重采樣，提出一種航片-模型自動紋理映射方法，簡單高效且適用于大范圍三維模型紋理重建。

4 三維模型在城市規劃管理中的應用

傾斜攝影測量三維重建可快速建立真實、可量測且紋理清晰的三維城市模型，為城市規劃工作提供了良好的數據支持。具體應用主要集中在以下幾個方面：

（1）城市風貌展示及古建筑保護。

三維城市模型可真實、詳細地展示地理風貌，打破了傳統方式中類似挑選具有代表性的場景并配以解說這些不直觀的展示手段，為規劃管理人員、旅游服務業及房地產開發業等帶來了便捷。我國歷史悠久，文化底蘊深厚，古建筑保護工作對延續城市歷史風貌意義重大，三維城市模型對古建筑物日常保養、修繕甚至毀后重建可以提供精確的數字資料。

（2）城市交通設計。

三維城市模型打破了以往二維交通圖的限制，對于城市交通路線規劃意義重大，如一些大型城市人口數量多，交通流量大，存在高架橋、立交橋等交通要素，傳統的二維模型無法進行具有空間結構的交通要素規劃，同時可將二維三維數據聯合使用，優化城市道路交通網的設計，避免不協調，提高規劃設計的科學性。

（3）規劃分析。

在城市規劃中可利用GIS中的日照分析、視域分析、天際線分析、限高分析、緩沖區分析等空間分析方法對城市建設進行規劃。如日照分析可為房地產建設確定建筑物的間隔，在良好采光的條件下合理設計建筑物分布，視域分析可為旅游景點設計提供數據支撐，緩沖區分析可為學校、醫院、消防站等城市重要標志選址提供支持。

（4）城市管理及竣工核實。

精確的三維模型對城市管理同樣具有巨大的幫助，比如對于違章建筑物搭建排查、危險地區三維形變監測等。采用傳統人工調查、人工量測的方式耗時耗力，傾斜攝影測量三維重建在效率上遠超人工手段，便于管理人員及時了解城市的變化情況并制定相應的舉措，如組織人力物力拆除違章搭建，排除風險隱患，安排三維形變較大的危險區附近居民轉移等。

對于城市建設的竣工核實，傳統提交的成果多為平面圖、文檔等資料，對于非規則性人工建筑物無法有效核實，采用傾斜攝影測量三維重建，可將規劃階段的三維模型與竣工后的三維模型進行比對，精確得出城市建設情況，大幅度減少竣工核實的工作量。

5 結語

基于傾斜攝影測量的三維重建技術是城市三維可視化的主流途徑，在傾斜影像匹配、三維模型重建等關鍵技術領域的研究已取得了良好的進展，計算機視覺領域的深度學習影像匹配方法屬于前沿技術的融合，其智能化、高精度、高效率的處理方式將是傾斜攝影測量領域的發展趨勢。利用傾斜攝影測量技術實現城市的三維自動化建模，其生產周期短、具備測繪級精度、高效率、高真實感、低成本的特點為獲取城市多層次基礎地理信息數據并實現規劃建設管理帶來了便利。