基于多角度傾斜影像的復雜建筑精細化重建應用

段政明

摘要：在城市建設和自然變化等多種因素的疊加作用下，各類復雜多樣、對歷史研究具有重要意義的古建筑在損壞后因缺少資料而極難修復，因此，對其進行數字化保護，為后續修繕提供數據支撐意義重大。文章主要在傾斜攝影測量技術基礎上，進行多角度影像間特征匹配能力分析，驗證空中航線規劃的傾斜攝影和自由航飛采集近景攝影測量結合的精細化三維重建方法可行性。

關鍵詞：復雜建筑；傾斜攝影測量；多角度影像；精細化重建

中圖分類號：P231? 文獻標志碼：A

0 引言

在城市建設和自然變遷等多方面的作用下，我國存世的各類古建筑一直面臨破壞的風險，這些建筑具有悠久歷史和文化意義，對歷史研究具有重要作用，因此，對其進行數字化保護，為后續可能的修繕提供數據支撐意義重大［1］。

隨著測繪地理信息行業的技術發展，一些能夠進行三維實景重建的技術得到了實驗應用，此類三維數據具有可視化更直觀、紋理信息更清晰、測量精度更準確等特性，能夠真實地還原所構建的模型外貌，為建筑物的數字化提供了新方法［1-2］。常見的實景三維重建方法主要有三維激光掃描和傾斜攝影測量兩種，兩種方法在三維重建上各自具有不同的優勢，適合不同場景的三維重建工作［3］。

本文在對兩種方法進行對比后，選擇在傾斜攝影測量技術的基礎上開展復雜建筑的三維重建研究工作。探索多角度影像特征匹配問題，實現空中航線規劃的傾斜攝影和自由采集近景攝影結合的，精度可達毫米級的精細化三維重建技術方案。

1 三維建模方法

1.1 實驗設備儀器

經過探討研究后，選擇大疆精靈4Pro無人機作為傾斜攝影測量采集設備，該款無人機具有價格低廉、操作簡潔和小巧靈活等諸多優勢，能夠更好地兼具經濟性和適用性。該無人機搭載一臺有效像素2 000萬的相機和具有較好防抖效果的云臺。

1.2 傾斜攝影測量技術

傾斜攝影測量的主要技術原理是通過采集同一物體多角度的、具有重疊的紋理特征影像，提取影像間的同名特征點，利用共線方程等計算方法恢復影像位置姿態信息［4］；繼而通過像素獲取物體表面三維點的坐標，構建出點云數據［5］；將三維密集點云連接成三角網組成白模模型后，映射相應的紋理即可得到實景三維模型［6］，此模型具有真實的紋理和坐標數據，可視化、可量測效果好（見圖1）。

相較于三維激光掃描技術，基于影像數據的傾斜攝影測量技術具有數據量小、采集數據角度多樣化、設備經濟低廉等特點，能夠更快速、高效的采集數據信息構建大范圍的實景三維模型［7-8］。

2.3 多角度影像特征匹配分析

影像采集相機位置姿態的變化會使影像間產生不同的角度差異，在航線規劃采集數據時差異變化較小，但在進行自由采集獲取復雜建筑近景多角度影像時，角度的多樣化、差異化會增大影像空三解算難度，甚至導致解算失敗［9］。

因此，通過實驗驗證多角度影像匹配問題十分必要，本實驗主要用良好匹配點對這一指標評價不同傾斜角度影像間匹配效果，良好的匹配點對可被認為是正確的特征匹配，其數量越多可以認為匹配效果越好（見圖2）。

實驗主要選取一處復雜仿古建筑作為研究對象，對其進行自由影像采集，通過環繞飛行間隔4度采集建筑影像90張，提取多張角度間隔連續變大的影像，將具有代表性、廣泛使用的A-SIFT算法作為同名點對特征匹配算法，對不同角度間隔的影像進行特征的提取和特征點的匹配，比較不同角度間隔影像間的同名特征點匹配效果，分析角度變化對傾斜影像匹配的影響（見圖3）。

多角度影像間匹配結果統計匯總如表1所示。

分析表格數據可知，匹配到的點對數量和兩張影像間的傾斜角度呈負相關，角度間隔越大，匹配算法的匹配效果越差，這一結果與實踐經驗是具有一致性的；在此基礎上，對角度間隔4°～64°的影像對間進行匹配，獲得不同相對傾斜角度的良好匹配結果，構建相對傾斜角度與良好匹配點對數之間的關系曲線，如圖4所示。

在影像間相對傾斜角度增加到10°周圍時，良好匹配的點對數量會大幅度減少，因此，可以分析認為影像間相對傾斜角度10°～12°作為一個分界區，超過此分界的影像只能匹配到很少的同名特征點對數量，這會直接影響傾斜攝影測量得到的多角度影像整體進行空中三角測量解算效果，最終影響三維模型重建的成果質量。

3 復雜古建筑精細化重建應用

3.1 區域基本情況

多角度傾斜影像進行復雜古建筑三維重建實驗場地選擇一處仿古建筑，該建筑周圍無其他大型建筑整體，較為獨立，側面墻體紋理較為豐富，適合作為技術應用驗證場地。該仿古建筑整體呈規則矩形，長約為14 m，寬約為10 m，高度約為10 m。

3.2 多角度影像數據采集

3.2.1 空中航線規劃的傾斜攝影

使用精靈4Pro進行固定航高影像采集，根據現場情況，航線飛行高度為45 m，航向和旁向重疊度設置不低于70%，共采集到270張傾斜影像數據。

3.2.2 自由采集近景攝影

固定航高采集影像因為分辨率較低、影像角度固定，無法較好的采集到復雜建筑側面精細紋理，此時使用無人機進行自由角度影像采集，采集建筑側面精細紋理信息，采集時要確保相鄰傾斜影像相對傾斜角度不大于10°，從而保證多角度影像間能夠匹配到足夠的特征，進行空三解算，最終采集到600張影像。

3.3 模型構建效果分析

通過將固定航線規劃采集影像與自由角度采集影像進行聯合空三解算［10］，在空三解算的基礎上進行密集點云生成、三角網白膜構建、紋理映射，最終得到復雜古建筑精細化的外部模型（見圖5），對模型整體表現效果進行分析，截取模型細節進行比對（見圖6），多角度傾斜影像聯合構建復雜建筑模型在重復紋理特征、側面精細紋理細節方面具有更完整的表達和展示。

4 結語

本文在對多角度傾斜影像間的特征匹配問題進行探討后，利用空中航線規劃的常規傾斜攝影和自由采集近景攝影測量結合，進行多角度傾斜影像間的聯合空中三角測量解算，恢復影像間的姿態和位置，最終構建實景三維模型，經過實驗分析后證實模型整體精度、紋理細節具有大幅度提升，能夠較好地實現精細化三維重建。該方法具有整體操作簡單，技術設備要求較低等特點，適合進行靈活的復雜建筑精細化建模工作。

參考文獻

［1］尚濤，孔黎明.古代建筑保護方法的數字化研究［J］.武漢大學學報（工學版），2006（1）：72-75.

［2］楊曉波，李欣亮，趙青，等.基于多源數據的西藏傳統古建筑三維精細化重建——以布達拉宮為例［J］.實驗室研究與探索，2019（8）：4-8.

［3］索俊鋒，劉勇，蔣志勇，等.基于三維激光掃描點云數據的古建筑建模［J］.測繪科學，2017（3）：179-185.

［4］袁修孝，蔡楊，史俊波，等.北斗輔助無人機航攝影像的空中三角測量［J］.武漢大學學報（信息科學版），2017（11）：1573-1579.

［5］吳軍，姚澤鑫，程門門.融合SIFT與SGM的傾斜航空影像密集匹配［J］.遙感學報，2015（3）：431-442.

［6］范沖，王學.三維城市建筑物的紋理映射綜述［J］.測繪與空間地理信息，2014（7）：1-4.

［7］龔健雅，季順平.從攝影測量到計算機視覺［J］.武漢大學學報（信息科學版），2017（11）：1518-1522.

［8］龔健雅，季順平.攝影測量與深度學習［J］.測繪學報，2018（6）：693-704.

［9］楊化超，姚國標，王永波.基于SIFT的寬基線立體影像密集匹配［J］.測繪學報，2011（5）：537-543.

［10］袁修孝，朱武，武軍酈，等.無地面控制GPS輔助光束法區域網平差［J］.武漢大學學報（信息科學版），2004（10）：852-857.

（編輯 何 琳）

Application of complex building fine reconstruction based on multi-angle tilt image

Duan? Zhengming

（Yangling Vocational and Technical College， Yangling 712100， China）

Abstract：? Under the superposition of various factors such as urban construction and natural change， it is extremely difficult to repair various complex and diverse ancient buildings of great significance to historical research due to lack of data after damage. Therefore， it is of great significance to carry out digital protection for them and provide data support for subsequent repair. Based on the tilt photogrammetry technology， this paper analyzes the feature matching ability between multi-angle images， and verifies the feasibility of the refined 3D reconstruction method combining the tilt photogrammetry of air route planning and the free-flight close-range photogrammetry.

Key words： complex building; tilt photogrammetry; multi-angle image; refined reconstruction