基于傾斜攝影測量技術的三維數字城市建模研究

鄒 磊，曾 強，武 瑩，胡成玉

（1.江西省地質局第二地質大隊，江西九江 332000；2.江西建工第一建筑有限責任公司,江西南昌 330000；3.江西金潯有色工程技術有限公司，江西九江 332000）

前言

現階段，數字理念在城市規劃中的應用，對城市建模技術發展作出有益貢獻。通過對現代化信息技術的應用，如傾斜攝影測量技術，能夠為城市規劃、建設與管理助力，提高政府與管理人員的服務、管理水平。研究指出，將傾斜攝影測量技術應用在城市建模設計中，也能夠最大程度節約資源，推動數字化技術朝向縱深領域發展，并發揮城市管理工作的內在價值，進而為人們提供更加優質、便捷服務。作為新型測繪技術之一，傾斜航空攝影與正射影像的區別，主要體現在以下方面：正射影像僅能對地形、物體進行垂直拍攝，后者則有效彌補了正射影像的不足，可利用飛行器所布設傳感器，對地形、物體進行多層次、多角度拍攝，從而獲得更加完整的測繪影像。通過實踐能夠發現，該技術的優勢可被歸納為四點，首先是該技術能夠做到如實展示被測物體情況，其次是使單張影像測量的設想成為現實，再次是其可被用來采集建筑正面、側面的紋理，最后是能夠壓縮測量所獲得數據體積，確保測量數據能夠被直接發布在互聯網上[1-2]。

1 三維建模技術要點

1.1 采集數據

以實際需求為依據，設計測區航線，通過無人機、具有傾斜攝影功能的飛行器完成航攝，酌情調整攝影時間、影像數據。待外業飛行告一段落，利用現有軟件轉換數據格式，保證經過轉換的數據，其內部包含POS 初始數據、曝光點參數和相機文件等。隨后，解算POS 數據，得到精度符合要求的文件（文件格式為.sol），對解算所得到文件、phone ID 還有Event 參數進行融合，同時對相機進行檢校，得到具有實際意義的外方位元素，確保基于外方位元素所建立模型與實際情況高度契合。

1.2 三維建模

1.2.1 自動匹配 獲得建模所需數據后，利用管理模塊提取有效數據，仔細檢查影像質量，對影像光色進行均勻。隨后，匹配同名點并提取APM 文件內容，通過提高定向精度的方式，降低建模難度，為模型最終呈現出的效果提供保證。

1.2.2 空三處理 該環節需要有關人員以工作需求為依據，調整攝影所用相機參數，將APM 文件導入軟件，由軟件對拍攝區域進行分析，明確每張相片所對應外方位元素，并自動生成相應的文件資料。

1.2.3 建立模型 第一步，采集建筑屋頂線，基于現有軟件對屋頂做矢量處理。有關人員既可以選擇軟件內置屋頂類型，同時也可以對屋頂進行自定義，視情況選擇房屋線并繪制建筑。第二步，以所導出DEM 模型為基礎，有序開展實體建模等工作，利用軟件所提供功能，計算建筑高度，并根據計算結果拉伸模型。第三步，由軟件自行提取圈定區域紋理信息，確定高精度紋理，用該紋理覆蓋白模[3]。通過實踐所積累經驗能夠發現，該環節較易出現樹木紋理、地面紋理覆蓋建筑的情況，要想避免該問題發生，有關人員應先對已粘貼紋理的模型進行瀏覽，再對模型進行優化，保證所獲得模型精度符合要求且紋理覆蓋位置正確。

1.3 立體建模

要想對建筑結構進行立體測量，關鍵是要先分析建筑結構和外觀，根據分析所掌握信息，對相機方位元素加以確定，保證經過檢校的相機能夠滿足測量要求，再以共線方程為依據，判斷建筑、影像間所存在幾何關聯。確定坐標后，借助3ds 軟件對坐標系、具體坐標進行展示，達到重構幾何體的目的，最后一步，結合幾何體情況，調整工作方案，杜絕交互操作或類似問題發生。通過對某高級住宅數據進行轉化能夠發現，立體模型（如圖1所示）的輪廓更加清晰，與傳統模型相比，立體模型在展示網格圖方面具有極為突出的優勢，可降低有關人員掌握建筑、其他地面物體和影像間關系的難度，并使其形成更加深刻的印象。

圖1 建筑三維模型

1.4 提高精度

1.4.1 平面精度 對影像數據進行研究期間，有關人員先要提煉出有效坐標，再用不同顏色區分測量所得到坐標、實際坐標。某項目計劃利用多旋翼無人機完成傾斜攝影測量工作，無人機內置多個鏡頭模塊，可將飛行高度控制在100 m，保證航向重疊度達到70%、旁向重疊度達到45%，同時攝影所獲得相片的分辨率為0.02 m。受電池續航能力影響，需要飛行2 次才能獲得完整圖像，其中，首次飛行線路為4 條，第二次飛行線路改為6條。物體坐標見表1，對測試平面誤差進行計算的公式如下

表1 物體測量偏差

通過計算可知，其側、橫坐標偏差均沒有超過允許范圍，由此可見，日后開展航測相關工作時，可對傾斜攝影測量加以運用。

1.4.2 DEM 精度 待航測工作告一段落，有關人員應盡快對DEM 參數進行檢測，確定拍攝區域的最高點及誤差。例如，某地測量所得到最高點高度是41.02 m，經過校正所得到高度是41.00 m，二者間存在一定誤差，為確保該參數具備應有代表性，有關人員決定重新選擇兩個點并進行測量，測量結果分別是43.70 m、42.51 m，校正所得到的數據分別是43.70 m、42.52 m，誤差在可控范圍內。這表示將該技術用于三維建模可取得理想效果，利用現有軟件對圖像進行拼接，能夠獲得和實際情況基本相同的影像及相關數據。

1.4.3 改進方法 對三維建模進行試驗期間有關人員發現，即使已經引入了先進的設備和技術，但仍無法保證測試完全不存在誤差，導致該情況出現的原因，主要是設備自身存在誤差，加之在飛行過程中，地形、天氣條件均會給設備造成影響，要想盡量減小誤差，一方面要對設備精度進行提高，另一方面要深入分析航拍的模式與比例，靈活運用現有技術，對圖像、影像信息進行快速且準確的提取，使基礎測量等工作得到有序開展，為城市建設與發展助力[4]。

1.5 注意事項

利用該技術進行建模的關鍵，在于借助無人機、飛行器采集圖像，基于現有軟件對所采集數據、信息進行處理，確保各項數據均能夠得到充分利用[5]。校驗操作期間，應重點關注布設信息情況，通過強化處理等方式，提高元素獲取效率和準確性，降低日后繪制圖紙等工作的難度。某縣城便計劃利用該技術建立城市三維模型，模型面積在12 km2左右，由于項目性質較為特殊，客戶對設計實施情況、控制點和影像質量提出了較為嚴格的要求，在工作過程中，有關人員遇到了較多難題，但均結合自身經驗對問題進行了解決。例如，前期收集照片信息時，受氣候條件制約，少數照片的明度不理想，隨后，有關人員對存在上述問題的照片所覆蓋的范圍進行了補拍，補拍期間重點關注照片明度、光線，保證補拍所得到照片清晰。再例如，導入模型的格式不符合要求，無法利用現有軟件打開分塊模型、分區模型，同時模型存在絕對坐標，導致問題出現的原因，主要是像控點位置不合理，需要更改像控點位置，并重新建立相應模型。

2 三維建模中傾斜攝影測量的應用方向

新時期，城市發展速度明顯提升，不僅城市環境出現明顯變化，既有建筑外觀和風格也變得更加多樣化。對城市進行規劃期間，應堅持以實際情況為依據，確保所制定規劃具有實際意義，以往所使用圖像編輯、人工攝影等方法，既不具備理想的針對性，又不具備較高的工作效率，現已逐漸被社會所淘汰，對傾斜攝影測量加以運用勢在必行。此舉一方面能夠縮短獲取信息的時間，另一方面可使物相集合關系得到直觀展示，通過優化測量效果的方式，為城市規劃、建設等工作的開展提供便利。在三維建模期間，該技術的作用主要體現在以下方面：

2.1 虛擬漫游

利用傾斜攝影測量進行建模，可獲得更加逼真且形象的三維模型，為工作人員掌握城市景觀、既有建筑外觀特征提供便利。此外，該技術的加入，還使城市虛擬漫游成為可能，在條件允許的情況下，有關部門可以選擇開放三維模型，鼓勵人們通過互聯網瀏覽模型。相對于觀看二維地圖，瀏覽三維模型更有利于人們了解城市面貌，通過身臨其境的方式，使其對所觀看到的信息產生深刻印象。

2.2 實施設計方案

實施設計方案的流程如下：第一步，確定對城市進行網絡化管理的方案，將工業區、主城區作為分界線，對各個區域進行合理劃分。第二步，以現場情況為依據，結合布點要求選擇控制點，保證控制點所在位置對空視角良好，不存在陽光遮擋或類似問題，盡量縮小旁向重疊中心與控制點的距離，確保二者距離在3 cm 以內。其中，市級數據尺主要包括1:500、1:1000 還有1:2000 三種；數字線劃圖應采用矩形分幅，根據實際情況將分幅尺寸定位40×50 cm 或是50×50 cm；模型格網間距以2.5 m 為最佳；航空影像的地面分辨率應控制在0.2 m左右，遙感影像分辨率則需要視情況進行調整，一般情況下，分辨率均應處于0.5 m～30 m 之間。

2.3 建立三維景觀模型

對數據進行提取時，應重點關注大比例數據圖所提供信息，嚴格按照：高度→地面邊界→地面高度這一順序對建模所需數據信息進行獲取，與此同時，通過DXF對所提取景觀信息加以呈現。隨后，酌情修改DXF 文件，將修改后文件寫入數據庫，確保文件內容和主機信息完全匹配，三維模型精度滿足表2 的要求，并將文件轉變成TAB 格式并存儲在對應數據庫內。待上述工作告一段落，便可對所建立模型進行全方位展示，確保模型價值能夠得到最大程度實現。

表2 三維模型精度（單位：m）

2.4 采集并粘貼不同紋理

2.4.1 選擇紋理 要想使傾斜攝影測量優勢得到充分發揮，還應對建立可視模型需要用到的紋理引起重視，保證所建立模型與城市情況相符。建模前，先要對紋理進行選擇，若不同影像所展示紋理夾角未超過90°，代表墻體影像滿足可視化要求，相關判定依據見表3。

表3 選擇紋理的依據

2.4.2 采集紋理 采集紋理需要有關人員利用數碼相機拍攝物體紋理，將拍攝所得到照片轉換成數字地形圖，從而確定其平面坐標，如果條件允許，還可以借助無人機等設備進行拍攝，這樣做能夠使拍攝角度更加自由、覆蓋更加全面。獲得照片后，靈活運用激光掃描、傾斜攝影等技術，對物體表面紋理加以確定。

2.4.3 粘貼紋理 粘貼紋理的步驟較為復雜，待采集紋理的工作告一段落，有關人員就應當著手進行建模，確保模型能夠如實反映物體、建筑特征，在此基礎上，通過粘貼紋理的方式，使物體得到形象且直觀的展示，為日后數字化成圖等工作的開展提供便利。在此過程中，應重點關注兩方面內容，一是以建筑面積、體積為依據，通過分塊拍攝等方法，為照片內容所具有飽和度提供保證，使照片質量達到預期水平，二是結合實際地形，對建模理念加以確定，以建模理念為導向，選擇后續工作所使用的軟件，降低粘貼紋理的難度。

無論是在選擇紋理、采集紋理還是粘貼紋理期間，均要對建模需求加以考慮，增強所使用技術的針對性，無縫銜接數據關聯點，盡量縮小模型、實體建筑的差異，確保三維模型能夠發揮出應有作用（見圖2）。

圖2 建筑模型成品

2.5 實驗驗證

建模的最后一步，便是通過實驗驗證模型有效性、科學性。實際工作中，應借助SWDC-5 獲取相關數據，分別拍攝各條航帶的照片，保證拍攝點和地面高度差在800 m 左右，避免出現照片覆蓋不全面的情況。另外，考慮到不同城市的建筑布局、種類和數量均有所區別，在圈定實驗范圍時，先要了解實際情況，例如，某地計劃對中層建筑模型進行建立，保證模型能夠準確反映中層建筑布局，為實現該目標，有關人員花費近5 h 建立了250個模型，建模速度和最終呈現出的效果明顯優于傳統方法。

3 結論

綜上，研究了傾斜攝影測量技術在城市建模中的應用。基于該技術的應用，能夠最大程度利用空間資源，多角度呈現城市面貌，對人們形象了解地理實際形態產生正面作用。綜上對三維建模要點進行分析，明確數據采集、立體建模在建模技術應用中的價值，并且對虛擬漫游、線路景觀與貼圖紋理的關鍵點進行論述，通過對上述技術方案的應用、使得建模速度明顯提升，并且能夠在數據資源較少的情況下完成建模，為數字化城市建模技術的發展提供有力支持。