傾斜攝影測量在城市數字化三維建模中的應用

王港淼

（平頂山天安煤業股份有限公司勘探工程處，河南 平頂山 467000）

傾斜類型的攝影測量技術屬于一項攝影測量相關技術，和常規的手動3D立體空間的建模類技術進行比對的話，具有非常顯著的優勢。首先是此類技術能夠生成實景形式的3D立體狀態的空間模型，進而能夠最大限度地防止常規3D立體模型帶給觀察者虛假的感覺；其次是其具有高效捕捉圖像數據信息的功能，常規的手動3D立體模型需要依賴手動建立模型、工作人員人工去往區域的實地進行拍照來捕捉相應的數據，這種操作的模式既費時、費力，還增加了出錯的概率；最后一點是此類技術是基于計算機程序進行的完全自動建模操作，執行成本非常低廉。為此，針對此類新型技術的實際需求顯得非常必要。無人機裝置和相關技術的持續進步，可以為傾斜類型的攝影測量技術的實際應用打下牢固的基礎。

1 模型生成技術的特征對比

傾斜類型的攝影測量相關技術借助具備飛行能力平臺上配備的若干臺傳感器裝置，能夠實現同時由垂直方向、東向、南向、西向、北向等不同方向的各種角度來實現圖像的采集工作，基于拍攝的規定與相應的配套程序，建立3D立體的空間景觀，傾斜類型的攝影測量技術有效防止常規的正向攝影測量技術僅僅可以由垂直方向角度攝像的不足。該技術屬于攝影測量相關技術的一類進化版本，和常規的人工3D建模方法相比較，獲得了非常顯著的進步和提升，節省了大量的人力和物力，借助電腦設備來進行完全的自動化建模操作，運行成本非常低廉。一般狀態下，空中攝影測量技術可用于區域范圍相對比較大。測量工作中，范圍比較小的測量工作，采用航拍方式來進行攝影測量操作很可能受制于機場位置以及天氣情況，出現拍攝操作周期長、費用高昂等問題，不能很好地體現空中攝影拍攝測量技術的主要優勢。因此對于新型技術的需求日漸突出。無人機技術的廣泛使用，可以為傾斜類型攝影技術的進一步實際應用打下牢固的基礎[1]。

2 項目的具體實施

2.1 項目的主要內容

基于城市的中心廣場來生成實景的3D立體模型，應用虛擬仿真以及傾斜類型的攝影技術，可以實現廣場區域的3D立體實景場景中生成諸如園區的各類建筑物、交通系統、城市功能區域、綠化帶以及其他類型公共區域附屬設施的3D立體模型的管理，提升城市綜合管理能力，提升決策管理工作的前瞻性與合理性。項目主體范圍如圖1所示。

圖1 項目主體范圍

2.2 技術流程

整體技術路線如下。

（1）實地踏勘和現有資料研究：針對該區域實施實地走訪，選取無人機裝置的起飛點以及降落點，并和主管部門報備，查閱近期的氣象數據，對于資料實施初步的研究。

（2）技術方案設計：使用科衛泰幻影-Y24KB型無人機為飛行設備，使用沈陽航遙信息公司出品的AIRJD538型號的多鏡頭相機為拍攝裝置，工作時需要保證太陽高度角在42.85°以上，陰影部分的倍數低于1.375倍，工作的時間選擇從11：15至16：25，根據項目設置的重疊度等參數設計可行的執行方案。

（3）數據信息的采集：嚴格根據設計方案實施圖形數據捕捉及測量操作。

（4）3D立體模型的制作：數據捕捉過程完成后，需要針對圖形信息實施預處理、密集匹配操作、點云捕捉、空三類型測量、SVT文件的生成、三角網格生成、紋理修飾等步驟，生成最終的3D模型。

2.3 項目執行過程

2.3.1 航拍設計

（1）傾斜類型的攝影基礎性技術參數的規劃設計。無人機裝置傾斜類型攝影操作過程中，橫向飛行覆蓋的區域需要超過拍攝區域邊界線3條基準線的范圍；縱向覆蓋區域需要超過被拍攝區邊界線的55.875%左右；這樣操作方便施測區域的圖像控制點集在不妨礙內業加密操作的情況下，側向覆蓋區域超過拍攝區邊界線大于像幅區域的33.125%。

（2）圖片的重疊度參數。無人機進行低空攝影工作的過程中，飛行航向的重疊度區間取62.875%～82.175%之間，特殊情況最小不可以小于55.981%；旁向的重疊度區間取14.875%～62.887%之間，特殊情況最小不可以小于8.125%。不過傾斜類型的攝影技術具有一定程度的特殊性，為了確保拍攝品質，平均航向的重疊度及旁向重疊度都要大于72.875%[2]。

2.3.2 信息數據采集

測量及攝影相關工程技術人員選用的垂直方向的鏡頭，其焦距是21.785 mm，像元尺寸參數取0.0041 mm，地面分辨率取值是0.035 m，估算后得出的航高數值為155.285 m；航線設置為東西方向，橫切全部拍攝范圍，航線的規劃設計要以無人機高效執行項目為出發點，并且盡量防止像主點發生落水的情況[3]。

2.3.3 數據信息的三維立體建模

傾斜類型的攝影測量實現數據信息的采集任務后，就要進行處理環節。

（1）點云的生成。有關軟件程序結合IOC信息生成了密集點云，用于三角網格生成。

（2）構建三角網。點云生成三角網，構成基本3D模型骨架。

（3）紋理的自動映射。基于三角網格，程序可實現紋理映射。

2.3.4 實現三維數字模型的精修技術模式

測量及攝影相關工程技術人員E-Sys 3D實景建模軟件自動完成建模過程并且生成的三維數字模型稍有一些偏差，借助先進的三維數字建模軟件的快速修正模塊可以針對現有幾何模型以及相關截圖進行行之有效的修正，在通常狀況下三維數字模型修飾作業的主要流程包括以下三點內容。

（1）三維數字模型的加載與導入研究。測量及攝影相關工程技術人員TD-530三維制圖軟件支持E-Sys 3D軟件重要數據信息的直接寫入。再將相關數據信息導入以后能夠查細得出，能夠準確發現原有數字模型在很多技術細節信息上所存在的明顯缺陷，如圖2所示。

圖2 三維數字模型相關細節缺陷示例

（2）城市大型高層建筑物外形輪廓描繪及勾勒研究。測量及攝影相關工程技術人員分別在進行城市高層大型建筑物頂部以及底層基礎的外形輪廓的描繪及勾勒，在通常狀況下并借助基準節點的精準定位，進而形成建筑物的承重柱體及加強梁。

（3）大型高層建筑物全部細節精準修復措施。測量及攝影相關工程技術人員使用等距偏移、切割修剪以及拉伸切除等技術在已經完成的大型高層建筑物柱體框架結構內部，將建筑物外部的窗戶、歐式陽臺以及各個側面的結構進行行之有效的修復。在通常狀況下修復工作完成以后，把重要數據信息直接導入E-Sys 3D三維數字建模軟件中進行紋理截圖工作。經過測量及攝影相關工程技術人員快速修復以后的三維數字化模型結構如圖3所示。

圖3 三維數字化模型快速修復技術

3 三維數字模型的持續更新研究

現階段國內數字化城市三維數據建模普遍存在造價非常高以及作業周期比較長的情況，測量及攝影相關工程技術人員確保重要數據現勢性就是無人機傾斜式攝影測量先進技術首先需要克服的難題。本文研究過程使用TD-530軟件針對E-Sys 3D自動三維數字建模的相關數據信息實施精修處理，修復大型高層建筑物結構內部發生扭曲失真導致變形、紋理深入拉花、建筑物表面缺損破壞、懸空零部件刪除以及丟失零部件實時還原等等，測量及攝影相關工程技術人員進行深入研究得到非常精細的單體數字模型單元，進而達成IGS國內大型城市管理使用的要求。

3.1 剝離及裁剪模式解決方案

現階段國內大型城市實施更新在通常狀況下是基于局部數據單元為單位實施的，測量及攝影相關工程技術人員假如針對整個區域全體重要數據信息采集進行數字化三維建模，必將導致大量的人力物力浪費；對于相關重點區域的變化情況，確定出需要進行實施更新的具體建筑區域，在通常狀況下為了確保國內大型高層建筑物的完整一致性，測量及攝影相關工程技術人員在一般情況下會根據真實狀況需求的前提條件下，向外部延伸155.895 m視為最大安全飛行范圍，針對具體需求進行更新編譯的國內大型城市區域實施剝離與裁剪相關措施。

3.2 快速重要數據信息編譯研究

測量及攝影相關工程技術人員使用E-Sys 3D三維數字建模軟件能夠自動校核傾斜式攝影測量相關重要數據信息的結果，進而使用TD-530三維數字建模軟件針對自動解譯成果實施行之有效的精修加工作業。

3.3 高度融合與持續更新技術模式

測量及攝影相關工程技術人員把精細修復之后的重要數據信息模型上傳至原三維數字處理平臺內部，完全實現三維數據信息的快速、精準無縫對接。在國內早期已經建設完成的重要地理區域結構框架的前提條件下，測量及攝影相關工程技術人員大量使用傾斜攝影先進測量技術，基于局部細節更新模塊作為更新基礎條件，借助剪裁分離、重要數據信息編譯以及實時更新等先進技術，把精準修復以后的三維數據模型替代原對應的手工模型，和周圍三維數字模型實現快速無縫拼接，進而最大限度地達成現有手工建模數據信息的三維數字模型的實時更新[4]。

4 結束語

綜上所述，本文通過基于市中心廣場為具體重點研究對象，測量及攝影相關工程技術人員應用多方位旋翼式無人機搭載六組鏡頭高清數碼單反相機的技術模式采集相關重點研究范圍內的多重視角高清4K影像，測量及攝影相關工程技術人員通過高精密像素控制點測量、匹配精密影像圖像集、三維空間三角模式立體測量、范圍二次曲線網絡平差、精密點云重要參數數據信息的生成、組建三角型快速局域網絡、像素紋理投射、三維數字模型修復等技術工作，進而在最短的時間內最大限度高質量地完成城市數字化相關三維數字建模的重要工作。測量及攝影相關工程技術人員經過重點項目工程的真實案例，全方位科學合理地證明了傾斜攝影模式測量三維數字建模先進技術在現階段能夠在國內重要城市三維數字建模過程中以及GPS定位地圖的更新過程中大范圍使用，并且該技術具有工作效率高以及與實景能夠達到最大限度貼合的良好效果。