基于傾斜攝影三維重建技術(shù)的真正射影像制作研究

李玉芳

（1.中煤航測遙感集團有限公司，陜西 西安 710054）

因其具有豐富的紋理信息和地圖的幾何屬性，數(shù)字正射影像圖（DOM）被廣泛應(yīng)用于城市建設(shè)規(guī)劃、國土資源調(diào)查等領(lǐng)域。然而，DOM存在建筑物傾斜、遮擋等問題，影響了其幾何精度和視覺效果。因此，不少學(xué)者致力于研究基于數(shù)字表面模型（DSM）或數(shù)字建筑模型（DBM），通過遮擋區(qū)域和陰影區(qū)的檢測與補償制作真正射影像圖（TDOM）的方法，從而解決傳統(tǒng)DOM存在的問題[1-2]。

目前，根據(jù)幾何糾正對遮擋檢測的依賴關(guān)系，TDOM制作方法可分為間接法和直接法兩大類：①間接法的關(guān)鍵在于遮擋檢測與遮擋補償，但逐相片遮擋檢測計算量大、復(fù)雜費時，且依賴于檢測算法精度，遮擋補償需對不同成像角度鄰近影像上的可見區(qū)域紋理進行挖補式紋理采樣，易造成影像紋理的不連貫，從而增加后期影像鑲嵌與勻光等輻射處理的難度；②直接法是基于多視影像的空三加密和密集匹配生成DSM，同時記錄地面點與影像點之間一對多的可視對應(yīng)關(guān)系，在幾何糾正中選取地面點對應(yīng)的最佳可見像素，避開了間接法中復(fù)雜的遮擋檢測和遮擋補償。因此，直接法被認為是最有前途的處理方法，但仍存在以下問題：生成的DSM存在粗差，無法精確表達復(fù)雜建筑物、樹木、橋梁等物體的輪廓邊界信息，部分點云經(jīng)內(nèi)插后不能完全貼合地表，易導(dǎo)致地物邊緣模糊和局部失真。為了解決上述問題，本文利用立體模型下編輯的DSM對實景三維模型進行重建，再通過垂直投影技術(shù)獲取高質(zhì)量的TDOM。

1 傾斜攝影制作TDOM的關(guān)鍵技術(shù)

1.1 多視影像密集匹配

多視影像密集匹配和聯(lián)合平差是目前傾斜攝影測量領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)，國內(nèi)諸多學(xué)者進行了相關(guān)研究[3-6]。多視影像密集匹配的目的在于利用高精度高分辨率的DSM代替?zhèn)鹘y(tǒng)的DEM進行幾何糾正，以改正中心成像造成的幾何形變與位移。它需要采用多角度傾斜攝影技術(shù)獲取高分辨率的影像，然后基于Photomesh、Street Factory和ContextCapture Center等專業(yè)傾斜攝影三維建模軟件，在多視影像聯(lián)合空三加密的基礎(chǔ)上進行多視影像密集匹配，從而生成地物超高密度三維點云。

多視影像密集匹配生成的超高密度三維點云，其精度和效果受影像地面分辨率和重疊度影響較大，在傳統(tǒng)65%航向重疊度和30%旁向重疊度的配置下，建筑物遮蔽問題嚴重，增加了影像匹配的難度，難以保證各側(cè)面的紋理完整性[7]。本文將制作TDOM與DSM的影像重疊度提升至80%航向重疊度和75%旁向重疊度，可有效減少遮蔽；并通過較高的冗余度剔除匹配的粗差，提高了匹配DSM的精度。

1.2 遮擋檢測與紋理補償

遮蔽檢測與紋理補償[8-9]是TDOM制作的關(guān)鍵技術(shù)之一，國內(nèi)外許多學(xué)者進行了大量研究，如Schickler W[10]等通過距離與相對方向來設(shè)置權(quán)值，利用最優(yōu)像素進行像素補償；SHENG Y[11]和ZHOU G[12]等選擇投影差最小的像素來進行補償；許彪[13]和鄧非[14]等以矢量面為單元進行紋理填補。

隨著傾斜攝影測量技術(shù)的快速發(fā)展，多角度傾斜航攝儀不僅能獲取測區(qū)的下視影像，還能獲取測區(qū)的側(cè)視影像。多尺度多視角的影像不僅為建筑物自動紋理映射提供了豐富的紋理信息，也從不同角度獲取了地面的紋理信息，為TDOM制作中遮蔽區(qū)域紋理補償提供了更豐富的數(shù)據(jù)源。本文主要采用傾斜攝影三維重建技術(shù)制作TDOM，有效避免了間接法中復(fù)雜的遮擋檢測與遮擋補償。

1.3 DSM編輯

由于采用多視影像密集匹配技術(shù)生成，基于實景三維模型提取的DSM存在粗差，無法精確表達復(fù)雜建筑物、樹木、橋梁等物體的輪廓，需在立體環(huán)境下進行人工編輯處理，主要包括對建筑物、橋梁等的邊緣線進行增強處理，濾除植被、電桿、路燈、移動物體（車、人）等，水面修飾。編輯后的DSM需通過不規(guī)則三角網(wǎng)來表達，以清晰描述建筑物等的輪廓邊緣信息。利用編輯后的高精度DSM對實景三維模型進行重建，生成紋理一致且邊緣清晰的實景三維模型。

2 傾斜攝影制作TDOM的生產(chǎn)方案

2.1 技術(shù)流程

根據(jù)TDOM的產(chǎn)品特點和技術(shù)要求，本文設(shè)計的基于傾斜攝影三維重建技術(shù)的TDOM制作流程如圖1所示。

圖1 TDOM制作技術(shù)流程圖

2.2 實驗數(shù)據(jù)

本文選取西安市城區(qū)10 km2范圍作為TDOM制作的實驗區(qū)，以直升機為飛行平臺，航攝儀采用SWDC-5，獲取的傾斜影像地面分辨率為0.05 m，航向重疊度約為80%，旁向重疊度約為75%。實驗區(qū)地形主要為平丘地，大部分區(qū)域建筑高大且密集，共布設(shè)像控點39個、檢查點8個，分別用于TDOM制作和精度檢測。

2.3 生產(chǎn)實驗

傾斜攝影測量包括多角度傾斜航空攝影、像控測量以及多視影像聯(lián)合空三加密。與傳統(tǒng)航空攝影測量不同，傾斜攝影測量獲取的側(cè)視影像存在較大的變形和遮擋問題，為了提高DSM匹配的精度和效果，本文將像控點均布設(shè)于開闊的平坦地面上。

多視影像聯(lián)合空三加密和利用多視影像自動構(gòu)建實景三維模型均采用Bentley公司的ContextCapture Center系統(tǒng)實現(xiàn)，具體流程為：①導(dǎo)入多視影像和對應(yīng)的定位定向數(shù)據(jù)，設(shè)置相機參數(shù)；②根據(jù)多視影像和定位定向數(shù)據(jù)情況，選取適合的參數(shù)進行多視影像相對定向；③設(shè)置像控點坐標系統(tǒng)，導(dǎo)入像控點，并將像控點逐一在多視影像上進行量測，量測時需選取目標明顯且清晰的影像；④像控點參與平差計算，解算得到多視影像的精確外方位元素，并消除多視影像的畸變差；⑤采用多視影像密集匹配技術(shù)生成地物超高密度三維點云；⑥基于三維點云構(gòu)建不同層次細節(jié)度的不規(guī)則三角網(wǎng)模型；⑦通過三角網(wǎng)優(yōu)化并簡化，生成帶白模的三維模型；⑧通過紋理映射生成實景三維模型。

基于實景三維模型提取DSM采用Bentley公司的ContextCapture Center系統(tǒng)實現(xiàn)，需根據(jù)地形地物的復(fù)雜程度，設(shè)置適合的DSM抽稀比例。在實驗過程中發(fā)現(xiàn)，ContextCapture Center軟件輸出的空三成果導(dǎo)入Inpho等專業(yè)的攝影測量軟件后存在明顯的視差問題，無法恢復(fù)立體模型，從而無法對DSM進行立體編輯。因此，需在專業(yè)的攝影測量系統(tǒng)下對下視影像重新進行空三處理，恢復(fù)立體模型，對建筑物、橋梁等的邊緣線進行增強處理，濾除植被、電桿、路燈、移動物體（車、人）等，修飾水面。利用編輯后的高精度DSM對實景三維模型進行重建，生成紋理一致且邊緣清晰的實景三維模型，再利用垂直投影技術(shù)獲取高質(zhì)量的TDOM。

3 TDOM精度檢測與效果分析

3.1 TDOM精度檢測

本文利用野外檢查點對TDOM平面精度進行檢測，結(jié)果如表1所示。

經(jīng)檢測，檢查點最大誤差為0.241 m，最小誤差為0.062 m，表明利用該方法制作的TDOM能滿足規(guī)范的精度要求。

另外，本文將TDOM的水平精度與數(shù)字線劃圖（DLG）進行了套合對比，結(jié)果如圖2所示，可以看出，圖2a中紅圈標記處因建筑物高大導(dǎo)致傾斜而與DLG不套合，而TDOM與DLG的套合情況良好，說明TDOM的幾何精度高，在某種意義上可替代DLG使用，但由于實際上部分建筑具有屋檐，因此TDOM中的建筑輪廓會稍大于DLG所測的實際輪廓。

表1 TDOM平面精度統(tǒng)計表

3.2 TDOM效果分析

傳統(tǒng)DOM與本文制作的TDOM對比如圖3所示，可以看出，紅圈標記處因建筑物傾斜遮擋道路而造成道路紋理缺失，極大地影響了DOM的幾何精度和視覺效果；而在本文制作的TDOM中，建筑物傾斜、遮擋問題被有效消除，遮擋區(qū)域的紋理按真實情況得以補償，視覺效果良好。

本文具體實施過程中生成的TDOM對比圖如圖4所示，圖4a為采用自動匹配未編輯處理的DSM進行紋理映射，再經(jīng)過垂直投影獲取的TDOM，紅圈標記處植被、車輛、建筑物邊緣均存在變形，影響了TDOM的視覺效果；圖4b為采用編輯處理的DSM對實景三維模型進行重建后，再經(jīng)過垂直投影獲取的TDOM，植被、車輛視覺效果良好，建筑物邊緣輪廓清晰，紋理結(jié)構(gòu)完整一致。

圖3 DOM與TDOM效果對比

圖4 TDOM效果對比圖

4 實驗結(jié)果分析

1）采用本文技術(shù)路線生產(chǎn)的TDOM精度可滿足規(guī)范要求，與立體采集的DLG數(shù)據(jù)套合較好。

2）在本文生產(chǎn)TDOM的技術(shù)方案中，航攝影像重疊度起著至關(guān)重要的作用，高重疊度不僅可以增加多余觀測、降低點云匹配難度、提高成果精度，而且可為TDOM制作提供豐富的地面紋理。采用傾斜攝影技術(shù)制作TDOM時，航向重疊一般不小于80%，旁向重疊一般不小于70%，對于一些發(fā)達城市，建筑物高大且密集時，應(yīng)適當增大航向和旁向重疊度。

3）密集匹配生成的DSM存在粗差，無法精確表達復(fù)雜建筑物、樹木、橋梁等物體的輪廓邊界信息，易導(dǎo)致樹木等拉花變形；而利用編輯后的DSM制作的TDOM建筑物邊緣輪廓清晰，紋理結(jié)構(gòu)完整一致。

4）垂直投影獲取TDOM時，建筑物邊緣處理不是很好，可先輸出高分辨率TDOM，再重采樣成TDOM所要求的分辨率，從而改善邊緣羽化效果，色彩過渡更自然。

5 結(jié) 語

本文提出了一種基于傾斜攝影三維重建技術(shù)的TDOM制作方法。實驗結(jié)果表明，本文方法可有效利用多視角的傾斜影像制作高質(zhì)量的TDOM，制作的TDOM可與地形圖完全吻合。在高重疊度和高分辨率下，利用編輯后的DSM進行實景三維重建制作的TDOM，可大幅提高其精度和效果。本文為TDOM制作中遮蔽區(qū)域紋理補償提供了一種有效的解決方法，具有一定的推廣應(yīng)用價值。