基于傾斜攝影空地一體單體化建模技術的研究

趙偉山,李治明,胡天明,張正文

（1. 甘肅省測繪工程院，甘肅 蘭州 730000；2. 甘肅省應急測繪工程研究中心，甘肅 蘭州 730000）

傾斜攝影技術是國際測繪遙感領域近年發展起來的一項高新技術，它以覆蓋范圍廣、分辨率高的方式全面感知現實場景，具有真實反映建筑形狀、建筑特征、現狀和樓層高度等信息，模型可量測、周期短等特點，是城市三維建模的主流趨勢[1-2]。而近景攝影測量系統，采用地面拍攝設備與高精度定位設備，結合高效的后處理軟件，軟硬件系統高度集成。實現以非接觸式，遠程、在線作業模式，全面提升信息采集的效率和精度，廣泛應用于竣工測量、城市三維建模、橋隧道路檢測、施工監測、交通應急等行業。SWDC 系列數字航空攝影儀基于高檔民用相機，經過加固、精密單機檢校、平臺拼接、精密平臺檢校而成，并配備測量型雙頻GPS 接收機、GPS 航空天線、航空攝影管理計算機；系統還集成了航線設計、飛行控制、數據后處理等一系列自主研發軟件，其中的關鍵技術是多相機高精度拼接。本文通過生產實踐，總結了一套基于傾斜攝影的空地一體實景三維模型單體化建模的方法，可以應用到大范圍區域的三維建模生產中。

1 生產技術路線

利用傾斜航空攝影測量技術手段快速、有效、完整地獲取地面物體的影像及紋理特征信息，利用近景攝影測量技術手段獲取地面影像，依照現行國家標準，測繪行業標準以及有關規定，通過聯合解算獲取空三加密成果；利用ContextCapture Center進行自動化實景建模。結合武漢天際航公司自主研發的DP-Modeler建模軟件在三維實景Mesh 模型基礎上進行精細化單體建模、紋理貼圖以及地面影像的替換[3-6]，單體化模型總體生產流程如圖1所示。

圖1 單體化模型總體生產流程

1.1 影像獲取

1.1.1 傾斜影像獲取

采用大飛機搭載SWDC-5C 系列數字航攝儀對測區進行航空攝影作業，獲取了厘米級高分辨率的垂直和傾斜影像，能夠獲取地物側面更加真實豐富的紋理信息，彌補了正射影像只能獲取地物頂面紋理的不足，保證了數據成果的平面和高程精度。SWDC-5 是國內最早推出的國產航空傾斜攝影儀，通過1 個垂直拍攝和前后左右4 個40～45°傾角拍攝得到多視角影像、建筑物墻體真實紋理。

1.1.2 地面影像獲取

采用TBOX 近景攝影測量系統獲取地面影像，首先使用地面高精度定位設備TBOX 連接GSCORS 基站，通過差分GPS（RTK）方式獲取精確的POS 數據，衛星信號較好的條件下精度可以達到厘米級；然后使用移動手機連接互聯網，再通過藍牙連接TBOX設備，手機就可以拍攝到具有精確位置信息的地面影像。由于后期空三加密的需要，拍攝時照片間需保持80%以上的重疊度。不連續的建筑群之間進行影像分組，建筑要盡量多拍攝照片，這樣就確保空三時獲取盡可能多的同名點，保證空三成果的精度。

1.2 空地一體聯合空三加密

1.2.1 POS數據解算

使用差分后處理軟件對POS數據進行處理，獲取厘米級高精度POS數據，并根據需求將選定坐標系統下得到的曝光點坐標，根據當地坐標系統計算出的坐標轉換參數，轉換為當地坐標。

1.2.2 空地一體聯合空三加密

影像匹配是攝影測量的基本問題之一，多視影像具有覆蓋范圍大，分辨率高的特點。因此，如何在匹配過程中充分考慮冗余信息，快速準確地獲取多視影像上的同名點坐標，進而獲取地物的三維信息，是多視影像匹配的關鍵。

將預處理好的傾斜相片、地面影像數據及POS數據列表匹配好，進入自動化實景三維模塊處理，完成定向。首先通過輔助POS系統提供的多視影像外方位元素，對每級影像進行地物要素同名點匹配和自由網平差，建立要素連接點、連接線、控制點坐標、云臺輔助數據的自檢校區域網平差方程，然后通過聯合解算獲取空三解算成果[7-8]。

1.3 自動化實景建模

1.3.1 點云加密

根據空三解算成果，進行特征匹配和逐像素密集匹配，獲取高精度高分辨率數字地面模型，點云濾波和匹配單元融合后形成統一的全要素點云，完成點云轉換，生成具有自然紋理顏色的點云數據。

1.3.2 構建TIN網模型

模型制作的計算任務量較大，為提高數據處理速度，處理過程中將攝區分割成N個模型小塊進行處理。對每個區塊內模型精細構網，可以快速生成TIN網模型。

1.3.3 實景三維模型輸出

對TIN 網模型自動紋理映射，建立地物幾何信息與紋理信息的對應關系，同時進行整體勻光勻色梳理，以此生成基于真實影像位紋理的高分辨率實景三維模型，對真實場景的還原達到了無限接近真實世界，如圖2所示。

圖2 實景三維模型

1.4 單體化建模

1.4.1 白模制作

模型的輪廓及高度基于實景三維模型成果，在國產建模軟件DP-Modeler環境下進行采集。利用傾斜攝影可實現單張影像測量，在垂直影像上獲取頂部結構，四周傾斜影像上獲取房屋立面結構信息，對其進行推拉、編輯、調整得到最終模型[9-10]，如圖3所示。

圖3 白模制作效果

建筑物輪廓線及高度信息采集需要滿足以下要求：

1）模型現勢性與傾斜影像時相保持一致，精度滿足各級模型采集要求，對重點區域需要更新的應進行數據更新與獲取，影像與現實不符時，根據實際情況進行補充建模。

2）模型輪廓線和高度信息應以傾斜影像或實景三維模型為基礎，滿足各等級模型平面和高度精度要求。

3）模型應以準確表達對象幾何形態特征為原則，通過傾斜影像、實景三維模型或圖像視頻等方式來確定對象細節特征。

4）對于重點建筑可進行超高精度單體化三維建模。高精度單體化建模技術結合空地一體化影像與專業模型編輯軟件強大的模型編輯能力，做到資源共享、功能聯動，優勢互補，在保持強大模型編輯功能的同時，借助空地一體化多角度影像實現重點建筑、復雜異形物的重建，例如古建筑，可以結合空地一體化高精度單體化模型和紋理貼圖檢索功能，解決其重建問題。

1.4.2 紋理自動映射

可通過攝影測量算法，實現模型貼圖自動從傾斜影像中采集，貼圖分辨率即為影像分辨率，且一鍵完成模型貼圖，如圖4所示。區別于傳統人工識別、賦予貼圖的模式，提高單體化模型貼圖真實性，提高生產效率。

圖4 紋理自動映射

1.4.3 手工修飾貼圖

完成模型貼圖后，由于樹木、公共設施的遮擋不免有些瑕疵。根據貼圖手工編輯功能，可直接調用修圖軟件進行紋理修改，單張貼圖存在色差或者遮擋時，編輯紋理去掉色差或遮擋。貼圖利用傾斜影像或近景攝影采集的影像，保證模型高精度，模型紋理高真實性。

1.4.4 建筑單體化模型渲染

在建筑單體化模型構建完成后，使用專業三維設計軟件的渲染器工具對模型材質、色彩、光照進行渲染，提高模型顯示品質。

1.4.5 模型修飾

傾斜攝影自動化建模生成的實景三維模型普遍存在破洞、紋理拉花、搭連、漂浮、水面隆起等問題，尤其是近地面部分有比較大的瑕疵。針對這種情況，DP Modeler 能對Mesh 三角網進行直接編輯，實現Mesh模型的局部修飾。三角網選擇、補洞、擬合到平面、平滑、漂浮物自動清理、墻線拉直功能、Mesh切割、網格細分、Mesh紋理修改等功能。

1.4.6 模型與場景融合

在建筑單體化模型構建完成后，與真三維實景場景進行融合，保證單體化建筑與三維實景融為一體，既能整體展現實景真三維場景，又能單獨選中單棟建筑，查看屬性信息，如圖5所示。

2 技術優勢

項目主要采用了基于傾斜攝影的空地一體三維單體化建模技術，主要優勢如下：

1）針對城市區域傾斜攝影底商紋理拍攝清晰度不夠、地物遮擋現象比較突出的問題，采用基于SWDC-5C 傾斜相機的空地一體三維單體化建模技術，將具備準確外方位元素的近景攝影影像進行空三定位，實現傾斜影像與地面影像一體化，使得地面影像可以和航空影像一樣進行模型的紋理映射，底商紋理的替換更加方便和智能，大大減少了人工工作量。

2）通過垂直與傾斜影像的全自動聯合空中三角測量[11]、多視影像密集匹配、數字表面模型生成、三維空間網格模型生成、紋理映射、真正射影像糾正等過程，進行自動化加工處理后，對自然環境中的地形地貌、地物設施等場景的三維模型構建過程，無需人工干預地從多源數據中獲取連續影像，實現自動化生成三維實景模型，實景三維建模具備高效率、高精度、高真實感、低成本的優勢。

3）利用空三平差原理，設計合理數量和均勻分布的像控點，結合POS系統提供的外方位元素和相機安裝位置關系，輔助控制點強連接幾何條件，GPS/IMU實現多視角影像自檢校區域網平差計算，從而平差得到了高精度的實景三維模型。實景三維建模具備高效率、高精度、高真實感、低成本“三高一低”的優勢，所得到的實景三維模型可以用來直接進行單體化建模。

4）基于實景三維模型，采用圖像快速建模系統，采集建筑物等其他要素的輪廓，通過紋理數據的自動映射生產單體化模型，該軟件實現了大大提高建模效率和質量，更加逼真的展示了建筑物的細部特征。

5）通過連接GSCORS，采用近景攝影測量系統獲取近地面影像，實現以非接觸式作業模式，全面提升信息采集的效率和精度。使得拍攝照片的定位精度達到了厘米級，實現了地面補拍照片與傾斜影像位置的無縫銜接。

3 結 語

傾斜攝影技術及其成果會在以后的測繪生產與空間信息服務中扮演更加重要的角色。航空傾斜影像不僅能夠真實地反映地物情況，而且還通過采用先進的定位技術，嵌入精確的地理信息、更豐富的影像信息、更高級的用戶體驗，極大地擴展了遙感影像的應用領域。同時，傾斜攝影技術使得目前高昂的三維城市建設成本將大大降低。由于傾斜攝影三維場景為用戶提供了更豐富的地理信息，更友好的用戶體驗以及其低廉的成本，該技術將越來越多的應用于空間規劃、應急指揮、國土資源管理、違法亂建查處、三維不動產等行業。