基于傾斜攝影測量的實(shí)景三維建模及精度分析

蔡 威，孫訓(xùn)斌，周 杰

(1.宿遷市公路事業(yè)發(fā)展中心，江蘇 宿遷 223800;2.江蘇省基礎(chǔ)地理信息中心，江蘇 南京 210013)

近年來，伴隨著“數(shù)字城市”的建設(shè)與發(fā)展，實(shí)景三維模型作為其重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)載體得到了越來越廣泛的應(yīng)用[1]。如何高效構(gòu)建城市實(shí)景三維模型成為當(dāng)前重點(diǎn)研究方向。傳統(tǒng)的三維建模方法主要有三種：基于二維矢量數(shù)據(jù)、基于攝影測量技術(shù)以及基于三維激光掃描技術(shù)，但這些方法存在數(shù)據(jù)量大、作業(yè)周期長、建模效率低等缺點(diǎn)，且無法還原真實(shí)場景。傾斜攝影測量技術(shù)的出現(xiàn)改變了這一現(xiàn)狀，它通過飛行平臺(tái)搭載的五鏡頭相機(jī)，能夠快速高效的采集地物多角度紋理信息，將地物特征真實(shí)立體還原，具有獲取數(shù)據(jù)簡單、建模效率快、真實(shí)感強(qiáng)等優(yōu)勢。

本文采用迪奧普SV6-1無人機(jī)，搭載DQ5傾斜攝影測量系統(tǒng)，結(jié)合ContextCapture實(shí)景三維建模軟件，對傾斜攝影測量技術(shù)構(gòu)建實(shí)景三維建模方法進(jìn)行研究，以新沂市某區(qū)域?qū)嵕叭S建模構(gòu)建為例，對整個(gè)技術(shù)流程進(jìn)行詳細(xì)介紹，并對模型成果的精度進(jìn)行分析驗(yàn)證。

1 傾斜攝影測量概述

傾斜攝影測量是一項(xiàng)新技術(shù)，近幾年得到了快速發(fā)展[2-3]。它改變了傳統(tǒng)航攝只能獲取地物垂直影像的局限，通過在飛行平臺(tái)上搭載傾斜攝影測量系統(tǒng)，可以獲取地物1個(gè)垂直、4個(gè)傾斜共五個(gè)不同角度的高分辨率影像。其拍攝方式如圖1所示。

傾斜航攝儀在航飛過程中，可以根據(jù)規(guī)劃好的航線連續(xù)拍攝影像，此時(shí)飛行平臺(tái)中的POS系統(tǒng)可記錄每張相機(jī)曝光瞬間的GPS坐標(biāo)、位置姿態(tài)、航高等信息，傾斜攝影測量系統(tǒng)獲取的連續(xù)幾組五鏡頭影像數(shù)據(jù)如圖2所示。通過該方法獲取的影像數(shù)據(jù)，不僅具有地物的豐富紋理信息，同時(shí)賦有高精度地理位置信息，這為后期實(shí)景三維建模提供了良好的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。該方法構(gòu)建的實(shí)景三維模型具有成本低、效率高、真實(shí)還原地物現(xiàn)狀等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于數(shù)字城市建設(shè)、城市信息化管理、城市規(guī)劃管理等方面[4]。

2 傾斜攝影測量技術(shù)構(gòu)建實(shí)景三維模型的技術(shù)流程

基于傾斜攝影測量技術(shù)的實(shí)景三維建模的技術(shù)流程如圖3所示。

具體步驟包括以下幾個(gè)方面：

1)準(zhǔn)備工作。測區(qū)范圍劃定后，首先需進(jìn)行現(xiàn)場踏勘，查看航飛區(qū)域現(xiàn)場周邊有無特殊情況。然后確定飛機(jī)型號、相機(jī)類型以及時(shí)間和人員安排等。

2)航高設(shè)計(jì)。根據(jù)航攝區(qū)域地物高度、地面分辨率等綜合情況進(jìn)行航高設(shè)計(jì)。航高示意圖(如圖4所示)及公式如下：

其中，H為航攝高度，m；f為相機(jī)鏡頭焦距，mm；a為像元尺寸，mm；GSD為地面分辨率。

3)航線布設(shè)。在布設(shè)航線時(shí)，要根據(jù)測區(qū)走向進(jìn)行航線的布設(shè)，同時(shí)要確保首末航線的側(cè)視鏡頭獲取的影像能夠覆蓋測區(qū)。航向覆蓋超出航攝區(qū)域邊界線至少3條基線，像片航向重疊與旁向重疊一般設(shè)計(jì)為70%～80%[5]。

4)像控點(diǎn)布設(shè)。像控點(diǎn)是航測內(nèi)業(yè)加密的依據(jù)，像控點(diǎn)按區(qū)域網(wǎng)布設(shè)，由于傾斜攝影重疊度高、有多視角影像，且自身帶有POS數(shù)據(jù)，外業(yè)布設(shè)像控點(diǎn)基線跨度可適當(dāng)放寬，但在加密過程中檢查點(diǎn)精度必須滿足精度指標(biāo)。

5)數(shù)據(jù)獲取。利用飛行平臺(tái)搭載傾斜攝影測量系統(tǒng)進(jìn)行航飛，獲取地面物體多視角影像以及POS系統(tǒng)采集的初始外方位元素?cái)?shù)據(jù)等。

6)多視角影像空中三角測量。首先從多視角影像中提取特征點(diǎn)，采用多視密集匹配技術(shù)將特征點(diǎn)中的同名點(diǎn)進(jìn)行配準(zhǔn)，通過光束法區(qū)域網(wǎng)平差、影像畸變改正后，計(jì)算出每張影像精確的外方位元素[6]。

7)三維重建和紋理映射。利用多視影像提取的同名點(diǎn)坐標(biāo)，生成地物高密度高精度的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，對點(diǎn)云數(shù)據(jù)構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)，形成TIN模型，并生成白膜模型。將紋理影像與TIN模型進(jìn)行配準(zhǔn)，生成實(shí)景三維模型成果[7-8]。

3 應(yīng)用案例及精度分析

3.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于新沂市，新沂地處江蘇省北部，西靠邳州市、東接?xùn)|海、沭陽兩縣，南隔駱馬湖與宿遷市相望，北與山東郯城縣相鄰。地跨東經(jīng)117°59′～118°39′，北緯34°06′～34°26′。區(qū)域面積1 591 km2。本文選取新沂某地面積約1.2 km2的區(qū)域開展研究，具體航攝范圍如圖5所示。

3.2 傾斜影像獲取

本項(xiàng)目采用迪奧普SV6-1多旋翼無人機(jī)，搭載DQ5傾斜攝影測量系統(tǒng)進(jìn)行多視角影像獲取。首先在無人機(jī)地面控制系統(tǒng)中進(jìn)行航線規(guī)劃，采用南北方向飛行方式，設(shè)置相對航高100 m，航向和旁向重疊分別為80%,70%，獲取下視和斜視影像共計(jì)5 175張，影像地面分辨率為1.4 cm。利用無人機(jī)自帶的POS系統(tǒng)同時(shí)獲取了影像的初始外方位元素。

像控點(diǎn)布設(shè)是保證模型成果數(shù)學(xué)精度的關(guān)鍵。本次試驗(yàn)在測區(qū)范圍均勻布設(shè)11個(gè)像控點(diǎn)，以確保模型成果精度。坐標(biāo)系統(tǒng)采用CGCS2000國家大地坐標(biāo)系，中央經(jīng)線120°。航線及像控點(diǎn)分布如圖6所示。

3.3 實(shí)景三維建模

采用ContextCapture軟件進(jìn)行實(shí)景三維建模，首先在ContextCapture中導(dǎo)入傾斜影像、POS數(shù)據(jù)，經(jīng)過特征點(diǎn)提取、相對定向、連接點(diǎn)匹配、區(qū)域網(wǎng)平差等步驟的運(yùn)算處理，獲得試驗(yàn)區(qū)空三結(jié)果。根據(jù)空三結(jié)果，在ContextCapture中高效提取影像特征點(diǎn)，生成高密度點(diǎn)云數(shù)據(jù)。為了提高數(shù)據(jù)處理效率，對整個(gè)區(qū)域分55個(gè)建模單元進(jìn)行精細(xì)構(gòu)建TIN模型，最后通過自動(dòng)紋理映射生成試驗(yàn)區(qū)的大場景實(shí)景三維模型，部分區(qū)域的實(shí)景三維模型如圖7所示。

3.4 精度分析

為了驗(yàn)證實(shí)景三維模型成果的精度，在試驗(yàn)區(qū)范圍內(nèi)隨機(jī)選取了15個(gè)檢查點(diǎn)，將GPS-RTK實(shí)測的坐標(biāo)與三維模型上對應(yīng)點(diǎn)進(jìn)行差值比較，并計(jì)算中誤差，以此來評價(jià)模型的精度。

三維模型精度統(tǒng)計(jì)表如表1所示。

表1 三維模型精度統(tǒng)計(jì)表

從表1中可以看出，平面最大誤差為0.035 m，最小誤差為0.011 m，平面中誤差為0.03 m;高程最大誤差為0.12 m，最小誤差為0.02 m，高程中誤差為0.08 m。其精度完全滿足《三維地理信息模型數(shù)據(jù)產(chǎn)品規(guī)范》要求。

同時(shí)也可以滿足更大比例尺地形圖測繪工作。

4 結(jié)語

本文基于傾斜攝影測量技術(shù)，對實(shí)景三維模型構(gòu)建方法進(jìn)行研究，并對模型精度進(jìn)行了分析驗(yàn)證，其精度滿足相應(yīng)規(guī)范要求。該方法具有成本低、效率高、現(xiàn)勢性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，適合大面積區(qū)域城市三維建模。同時(shí)該方法也有一定的不足，地物遮擋處細(xì)節(jié)表達(dá)不夠完整、存在懸浮物等情況，如何構(gòu)建更精細(xì)的三維模型是下一步重點(diǎn)研究的內(nèi)容。