傾斜攝影測量技術(shù)在城市三維建模中的應(yīng)用

肖媛

新疆維吾爾自治區(qū)地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局測繪大隊 新疆 烏魯木齊 830017

引言

傾斜攝影測量技術(shù)是國際遙感領(lǐng)域新發(fā)展起來的高新技術(shù)測繪技術(shù)。該技術(shù)有效地結(jié)合了傳統(tǒng)航空攝影測量和近場攝影測量的優(yōu)點，并配備了5鏡頭攝像頭和先進的姿態(tài)定位系統(tǒng)，區(qū)別于傳統(tǒng)航空攝影測量只能在地面捕捉頭部上方的信息。在飛行平臺上，可以同時獲取1個垂直方向和4個傾斜角度的地面圖像，使用垂直于地面的正片制作傳統(tǒng)4D產(chǎn)品，另外4組傾斜片可用于獲取有關(guān)地物側(cè)面的紋理信息。

1 傾斜攝影測量的關(guān)鍵技術(shù)

1.1 區(qū)域網(wǎng)聯(lián)合平差

無人機傾斜照片航空三角測量系統(tǒng)必須使用多種圖像聯(lián)合調(diào)整處理方法來處理傾斜圖像。在本地網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合協(xié)調(diào)過程中，需要注意以下2點：①命名點匹配和聯(lián)合天線三角測量可以更好地匹配不同分辨率級別圖像的同名點。②結(jié)合關(guān)節(jié)點、參考點坐標、照片位置姿態(tài)等輔助數(shù)據(jù)，結(jié)合誤差方程進行關(guān)節(jié)平差求解，得到高精度航拍三結(jié)果[1]。

1.2 密集匹配

隨著計算機視覺技術(shù)的進步，多元素圖像的密集匹配已成為數(shù)字攝影測量領(lǐng)域新的研究方向。目前，該技術(shù)可以自動識別和提取建筑立面特征，對墻體進行分類、掃描和分割，重建建筑立面結(jié)構(gòu)，直接提取建筑高度和外輪廓信息。

1.3 DSM生成

如何基于傾斜攝影測量技術(shù)自動獲取數(shù)字表面模型存在新的技術(shù)難點。針對這個問題，根據(jù)傳感器獲取的圖像外向元素數(shù)據(jù)，分析選擇合適的圖像匹配單元進行最小二乘圖像匹配和像素級高精度密集匹配，計算機并行算法如下。引入以提高計算效率。得到高密度點云數(shù)據(jù)后，對其進行濾波細化，合并其他匹配單元，形成一個綜合的數(shù)字表面模型DSM[2]。

1.4 真正射影像糾正

利用生成的數(shù)字儀表模型DSM，通過聯(lián)合協(xié)調(diào)和緊密匹配算法建立物體和圖像特征點一一對應(yīng)的關(guān)系，并在圖像校正過程中考慮幾何輻射等系統(tǒng)誤差的干擾：正確進行關(guān)節(jié)調(diào)整，最終得到實拍圖像。

1.5 三維建模

無人機獲取地物傾斜攝影圖像數(shù)據(jù)，導(dǎo)入專業(yè)建模軟件，構(gòu)建真實的3D模型，模型制作過程采用自動化、集群化操作，效率高、模型精度高、成本低。多視點圖像數(shù)據(jù)經(jīng)過幾何校正和聯(lián)合平差處理，生成高密度點云，構(gòu)建不規(guī)則三角剖分模型，經(jīng)過紋理映射，最終得到達到測量精度的高分辨率實景3D模型.和映射。

2 傾斜攝影立體量測功能的實現(xiàn)

2.1 地面建筑結(jié)構(gòu)的建模

傾斜攝影技術(shù)能夠借助相機來測量得到實體建筑的外建筑的方位元素、內(nèi)方位元素特征，借助共線工程搭建起影像和地面之間的聯(lián)系，得到多元化、立體的建筑結(jié)構(gòu)立面體。得到的三維坐標數(shù)據(jù)做好保存方便建模，導(dǎo)入平臺內(nèi)，在3dsMax中與軟件匹配，運用軟件平臺功能來轉(zhuǎn)化數(shù)據(jù)，實現(xiàn)幾何體重構(gòu)。在具體的操作過程中能夠根據(jù)建筑物類型進行具體的分析，得到建筑物對應(yīng)的三維點信息，避免系統(tǒng)存在過多交互，也可以提高建模效率、準確率。

2.2 紋理提取

選擇最優(yōu)路徑：要可視化、真實、逼真地反映實際城市情況，主要是能夠從影像當(dāng)中獲取建筑紋理，且映射在三維幾何體表面實現(xiàn)。在選擇最優(yōu)紋理的時候，同一個墻體紋理能夠賦予不同建筑結(jié)構(gòu)不同的材質(zhì)。首先判斷建筑墻面發(fā)現(xiàn)與面中心到攝影中線連線的夾角，如果角度小于90°就表示墻面影像可見。最優(yōu)選擇是同一個墻體問題出現(xiàn)兩幅、兩幅以上的影像，以最大紋理區(qū)為最佳；其次是存在同一個墻體紋理、影像，則將其作為采集對象；其三，如果存在遮擋現(xiàn)象，以最小遮擋作為采集對象。

紋理裁切、映射：操作人員需要確定最優(yōu)原則，在操作界面確定紋理信息、像點坐標、裁剪范圍等，這些參數(shù)均需要保證在最佳范圍之內(nèi)；為方便后續(xù)的剪裁，裁剪區(qū)長度應(yīng)按照16、128、256、512這種數(shù)據(jù)來進行確定，之后進行裁切[3]。3dsMax當(dāng)中的網(wǎng)格面紋理信息被指定為具體對象保存在指定文檔之內(nèi)，以索引的形式可以打開，設(shè)置對應(yīng)的坐標點即可。假設(shè)U、V、X0、Y0、Xi、Yi分別作為紋理、裁切矩形、網(wǎng)格定點坐標，可以建立起相應(yīng)點的坐標關(guān)系：

其中，width與height均是裁切矩形像素的高度。考慮到紋理映射的不真實性，比如在信息獲取的時候存在映射偏差的可能性，因此需要人工干預(yù)來修正。

在得到三維模型之后，與攝影得到的影像分析確定紋理選擇效果，操作人員根據(jù)具體紋理擠出輪廓，之后重新提取紋理來映射，重構(gòu)模型再次提取紋理，就可以取得真實的紋理，得到具體的模型效果。

2.3 分析

針對傾斜攝影技術(shù)的認識，驗證其性能，確保合理與穩(wěn)定，于是選擇了本市區(qū)內(nèi)某個具備代表性建筑建模分析，使用設(shè)備為SWDC-5相機，平均飛行高度為830m。

現(xiàn)在城市建筑規(guī)模較大，為驗證實驗的真實有效，避開中層與高層建筑物，以簡單結(jié)構(gòu)建筑為主選擇其中一塊量測建模。在具體設(shè)計過程中能夠仔細展示建筑頂部的細節(jié)，通過各個方位相機數(shù)據(jù)面的組合形成完整的三維模型。

3 傾斜攝影測量的建模關(guān)鍵技術(shù)作業(yè)流程

基于傾斜攝影測量技術(shù)與幾何建模方法相結(jié)合，快速構(gòu)建建模技術(shù)路徑：①測繪區(qū)傾斜攝影數(shù)據(jù)和地面影像參考點數(shù)據(jù)采集；②傾斜攝影測量技術(shù)應(yīng)用與三維通過圖像實現(xiàn)真實3D建模的步驟，如加密、TIN網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建、紋理映射等步驟；③使用幾何建模的方法進行3D建模的二次處理，解決紋理問題，建模漂浮物體等解決問題并得到3D建模的真實結(jié)果。

3D建模的核心技能主要包括數(shù)據(jù)預(yù)處理、空中三角測量和多視圖圖像匹配。數(shù)據(jù)預(yù)處理是指對圖像數(shù)據(jù)和圖像控制點數(shù)據(jù)進行預(yù)處理。圖像數(shù)據(jù)預(yù)處理是由許多不可避免的因素造成的，云霧會使圖像過度曝光或模糊，因此需要調(diào)整圖像的亮度和顏色。POS數(shù)據(jù)預(yù)處理應(yīng)從POS數(shù)據(jù)記錄中刪除不必要和無用的信息，只保留坐標信息和3個姿態(tài)角度信息[4]。POS數(shù)據(jù)下方的坐標信息需要進行坐標變換。影像控制點數(shù)據(jù)預(yù)處理應(yīng)篩選影像控制點測量得到的原始文件的恒星質(zhì)量，確保無浮動解，然后將兩側(cè)測量的平均值轉(zhuǎn)換為文件格式。空中三角測量依賴于基于復(fù)雜數(shù)學(xué)模型的少量真實現(xiàn)場測繪參考點，以計算運行過程中所有必要的參考點和方位角因子。圖像匹配是根據(jù)特定算法自動選擇兩個或多個重疊圖像以確定具有相同名稱的圖像點的過程。紋理映射是將3D模型的表面與二維圖像空間中的像素坐標進行匹配的過程。

4 傾斜攝影測量技術(shù)在城市三維建模中的應(yīng)用

4.1 打造真實的城市漫游體驗環(huán)境

員工利用無人機傾斜攝影測量技術(shù)，為人們創(chuàng)造真實世界的三維城市環(huán)境，將城市建筑和景觀虛擬化，利用網(wǎng)絡(luò)使人們能夠看到不同區(qū)域的城市景觀，創(chuàng)造虛擬漫游體驗等任務(wù)。應(yīng)用這項技術(shù)可以加深人們對城市的了解，滿足人們足不出戶就能看到各個地方的風(fēng)景的真實需求。

4.2 為智慧型城市建設(shè)奠定基礎(chǔ)

在國家發(fā)展的新時代，智慧城市是城市建設(shè)的新要求。 3D建模技術(shù)必須不斷創(chuàng)新，在降低城市建設(shè)速度的同時提高3D建模水平。無人機傾斜攝影測量技術(shù)的應(yīng)用可以促進城市建設(shè)的三維建模。無人機傾斜攝影測量技術(shù)的應(yīng)用，幫助員工快速提取各類城市相關(guān)信息，構(gòu)建精準的城市三維模型影像，為后續(xù)工作提供可靠的數(shù)據(jù)支持。應(yīng)用無人機傾斜攝影測量技術(shù)可實現(xiàn)時間定向?qū)Ш剑耆珴M足智慧城市定向建設(shè)需求，進一步提升我國智慧城市建設(shè)水平[5]。

4.3 優(yōu)化EPS建模

EPS是一種用Post Script語言描述的ASCII圖形文件格式，它使高質(zhì)量的圖形圖像能夠在Post Script圖形打印機上打印。格式大體上分為Photoshop EPS格式和標準EPS格式，標準EPS格式又可以分為圖形格式和圖像格式。

Photoshop只能打開圖像格式的EPS文件，cdr可以打開矢量圖，不能編輯文本，但是可以曲線模式編輯圖形。

EPS軟件在城市3D建模工作中的應(yīng)用，可以提高測量區(qū)域內(nèi)物體信息的準確性和科學(xué)性，促進工作人員充分了解不同類型數(shù)據(jù)的不同特征，提高數(shù)據(jù)測量效率，減少后續(xù)跟蹤，由工作介質(zhì)中的錯誤信息引起的問題[6]。

4.3.1 將三維建模應(yīng)用于城市規(guī)劃管理，可以通過城市規(guī)劃三維輔助審批系統(tǒng)提供多種管理數(shù)據(jù)，對城市道路分布和房屋拆遷進行輔助分析。通過合理應(yīng)用規(guī)劃和管理，可以充分衡量各種建筑物或地形條件，在城市拆遷二次分析過程中，建筑物的基本屬性可以幫助技術(shù)人員計算拆遷的實際成本。道路坡度圖可以了解建筑物之間的關(guān)系以及不同方向不同街道建筑物的真實情況，可以為城市規(guī)劃建設(shè)、廊道美化等提供多重參考數(shù)據(jù)。

4.3.2 三維建模廣泛應(yīng)用于城市建筑的合理性審批，可有效應(yīng)用于現(xiàn)代城市應(yīng)急指揮行動、交通管理、城市改造和土地資源管理。

4.3.3 隨著城鎮(zhèn)化規(guī)模的不斷擴大，人們對電力資源的需求不斷增加，同時也加大了城市用電線路規(guī)劃和測算的難度。

無人機傾斜攝影測量技術(shù)可以在短時間內(nèi)合理設(shè)計和構(gòu)建電源路徑的三維模型，準確提取與電路相關(guān)的基本信息。

5 結(jié)束語

傾斜攝影測量在一定程度上改變了傳統(tǒng)的測繪模式，利用三維的模式對智慧城市的發(fā)展，國土安全等相關(guān)領(lǐng)域產(chǎn)生影響。目前測繪技術(shù)發(fā)展的不平穩(wěn)，想要更好地提高數(shù)據(jù)應(yīng)用，需要不斷進行分層、分割，在原有的基礎(chǔ)上對數(shù)據(jù)進行融合，實現(xiàn)建設(shè)模型的不斷更新，對數(shù)據(jù)也進行更深層次的分析，從而讓測繪在建筑發(fā)展以及社會發(fā)展中起到重要作用。