傾斜攝影三維建模技術在不動產測繪中的應用思考

摘" 要：三維建模是一種逼真還原場景、環境等的有效手段，在測繪活動中起著重要作用。該文基于文獻法、定性與定量分析法等對傾斜攝影測量三維建模的優勢、三維建模系統構成及關鍵技術等展開探究，提出幾項觀點，以供借鑒參考。

關鍵詞：傾斜攝影測量；三維建模；多視影像匹配；測繪活動；定量分析

中圖分類號：P208" " " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）10-0177-04

Abstract： 3D modeling is an effective means to vividly restore the scene and environment， and plays an important role in surveying and mapping activities. Based on the methods of literature， qualitative and quantitative analysis， this paper explores the advantages， composition and key technologies of 3D modeling in oblique photography， and puts forward several viewpoints for reference.

Keywords： oblique photography; 3D modeling; multi-view image matching; surveying and mapping activity; quantitative analysis

傾斜攝影測量與傳統測量技術有很大不同，其不僅能獲取正射影像，而且還能獲取符合人眼視覺的真實影像。傾斜攝影測量技術為各項測繪工作帶來了很大便利，大幅提高了測繪效率與測繪精度，縮短了測繪周期，提高了測繪成本。

傾斜攝影測量的原理是：在同一飛行平臺上搭載多臺傾斜攝影相機，由傾斜攝影相機動態獲取目標東西南北及頂面等方位的信息，這樣就能獲取到地物的正射影像數據及側面影像數據[1]。由傾斜攝影相機獲取到的影像數據視角廣、分辨率高，且表面紋理真實，非常具有使用價值。下面結合實際，主要對不動產測繪中傾斜攝影三維建模的技術優勢及應用方法等做具體分析。

1" 不動產測繪中傾斜攝影三維建模技術優勢

經研究與實踐證明，傾斜攝影三維建模技術具有以下優點：①對目標物的還原度高。傾斜攝影測量技術從多方位對目標物進行測量，獲取目標物多方位的信息，然后再借助三維建模技術還原目標物形態，就能讓目標物及目標物周圍的色彩、形狀等直觀顯現出來，從而使用戶有更直觀的感受[2]。②單張影像可測量。開展傾斜攝影測量時，通過一些技術處理可全面測量到目標物的角度、寬度及長度，獲得極為全面的測量數據，且所獲取的數據都有很高精度。③建筑物側面紋理可采集。與傳統測量技術相比，傾斜攝影測量最大的優點就是能精準采集到建筑物側面紋理信息。傾斜相機具有多視角，可獲得詳細的側面紋理信息。在開展傾斜攝影測量的過程中，借助相關軟件，能實現對目標物紋理信息的批量獲取，且軟件還能對基于獲取的信息進行自動貼圖，在短時間內完成三維建模[3]。

2" 不動產測繪中傾斜攝影三維建模系統分析

2.1" 傾斜攝影測量建模硬件系統

傾斜攝影測量硬件系統主要由以下部分構成：地面保障系統、荷載系統及飛行系統。①地面保障系統主要包括地面監控系統、數傳系統地面部分、起降系統地面部分、地面后勤人員及相應輔助設備等幾大部分。②荷載系統包括氣象傳感器、小型機載雷達、高光譜成像系統和多視角航攝儀等。飛行器系統包括飛行器平臺、飛行器控制與導航系統、起降系統機載部分和推進系統機載部分等[4]。傾斜攝影測量示意圖如圖1所示。系統結構如圖2所示。六旋翼無人機如圖3所示。

2.2" 傾斜攝影測量建模軟件系統

傳統攝影測量方法的局限較大，如僅能獲取地物頂面信息，無法獲得地物側面信息，要想獲得側面信息就需要人工輔助采集。傾斜攝影測量技術彌補了傳統測量技術的不足，傾斜攝影測量能通過相應技術與軟件，對地物的側面紋理信息及頂面信息同時采集，信息獲取到后實景建模軟件自動建模，不僅大大提高了信息采集精度，而且還提升了信息采集速度。

傾斜攝影測量軟件建模系統由以下幾大部分組成：飛控與導航系統、三維建模軟件[5]。

1）飛控與導航系統由以下幾大部分構成：慣性導航系統、GNSS導航系統及飛行控制與管理系統等。在傾斜攝影測量作業中，無人機的航線、航速和航高等都由飛控系統決定，因此飛控系統是整個軟件系統的核心，傾斜攝影測量精度、測量速度等都在很大程度上取決于飛控系統。

2）在傾斜攝影測量及三維建模中，GNSS導航系統的主要作用是提供三維坐標。GNSS導航系統由用戶部分、地面部分及空中部分3大部分組成，GNSS保證最少能觀測到4顆同步衛星。在測量過程中，工作人員通過觀測衛星與接收機之間的距離及已知的衛星坐標，解算出接收機的位置。在當前的技術條件下，測量過程中會出現GNSS誤差。通過研究分析可知，GNSS的誤差主要與以下原因有關：接收機性能質量不過關，在工作過程中引起誤差；信號傳播環境不理想，從而引起與信號有關的誤差；衛星存在一些問題，并因此引起GNSS誤差[6]。

差分GNSS的基本原理：在基準站上安裝接收機，然后進行觀測，在已知接收機坐標數據的情況下，計算衛星與接收機之間的改正數，并通過GNSS接收機將改正數發送出去，用戶接收到由基準站發送過來的改正數，并對其定位結果進行聯合平差改正，就能獲得高精度的位置信息。

3）在傾斜攝影測量及三維建模中，慣性導航系統主要提供姿態數據。慣性導航系統本質上是一種導航參數解算系統，系統中的敏感器件為加速度計與陀螺。在傾斜攝影測量及三維建模作業中，慣性導航系統根據陀螺的輸出建立導航坐標系，根據加速度計輸出解算出運載體在導航坐標系中的速度與位置。由上述分析可知，慣性導航系統有較強的隱蔽性，外界電磁對系統的干擾較小。慣性導航系統的構成有：控制顯示器、計算機及慣性導航測量單元。其中慣性導航測量單元是非常重要的組成部分，姿態信息主要由其提供。慣性導航的工作原理：通過加速度計、陀螺感應旋轉角與加速度，將感應到的數據信息進行時間積分，然后再經過地垂線跟蹤或坐標轉換，最終得到相對精確的姿態、相對位置、偏航角及速度等信息。

2.3" 三維建模軟件

1）Pictometry系統。美國Pictometry公司設計開發了Pictometry系統，主要用于處理傾斜攝影測量數據。該軟件運用了電子領域的相關研究，具有比較豐富的功能。借助該軟件，用戶可直接在影像上進行提取、量測和定位等相關操作。借助該軟件建造的三維模型，可滿足用戶的可視需求與模型分析需求[7]。

2）Street Factory系統。Street Factory系統也有比較豐富的功能，如可進行影像處理、圖像解譯，還可對傾斜相機數據進行一體化處理。Street Factory系統的自動化程度較高，但在具體的三維建模中，用戶也能根據自身需求對建模過程進行干預。借助該系統進行三維建模時，要開展立體像對、密集點云生成等操作，生成密集點云后，以此為基礎構建三角網（TIN），并在三維尺度下對TIN進行整飾、優化。Street Factory系統的建模功能十分強大，其他系統建模時或許需要借助其他設備，但Street Factory系統僅通過傾斜相片就能完成三維建模，且建出的模型還原度與逼真度很高。Street Factory系統還支持導出OBJ格式。

3）ContextCapture。ContextCapture軟件最大的優勢是易操作，實用性強，在實際的業務中可實現全自動三維建模，建模速度很快，而且能接受多種數據。借助該軟件建立三維模型時，需依靠連續立體像對生成密集的點云數據，之后再生成TIN網絡，通過紋理映射就能生成三維模型。

3" 不動產測繪中傾斜攝影三維建模關鍵技術

進行三維實景建模時，需先對傾斜攝影原始影像數據進行處理，數據處理流程如圖4所示。

3.1" 多視影像預處理

三維建模中，需經過預處理的數據包括POS數據與相片。POS數據包括GPS與IMU（慣性傳感器）2大部分。目標物的位置信息由GPS提供，狀態信息由IMU提供。通過GPS與IMU，可得到比較準確且全面的時間信息、速度信息、角度信息及三維坐標信息等。依靠POS數據進行三維建模前，需先對GPS數據進行差分處理，使數據符合使用要求。之后對相片進行預處理，對相機（影片）數據進行預處理時，主要包括降噪、勻光勻色及格式轉換等幾道工序。處理時，先從外部因素著手，外部因素包括地形、溫度、大氣折光和傳感器安裝位置等；再進行內部因素處理，內部因素包括相機性能等。

開展數據預處理工作之前，先詳細檢查外業數據，確定外業采集到的數據符合使用要求后，再開展預處理工作。數據預處理主要需考慮以下問題：數據的偶然誤差，數據系統誤差。數據偶然誤差具有隨機性，是在測量過程中由一系列不穩定因素造成，對于偶然誤差，可通過求平均值的方法進行抵消。系統誤差則有非隨機性，系統誤差主要與儀器設備有關，如傳感器性能不過關，導致測量到的數據出現透鏡焦距誤差、主點偏移誤差等。系統誤差會對建模精度及紋理映射效果產生一定影響，因此在正式建模之前必須采取相應的技術方法消除系統誤差。如可運用基于Wallis濾波的勻光勻色方式進行消除。

3.2" 多視影像聯合平差

應用傾斜攝影測量技術測量某一地物時，使相機與目標物呈一定角度，然后獲得垂直影像與傾斜影像。在依據這些影像數據進行三維建模時，需對垂直影像與傾斜影像通過相應的處理軟件進行處理。目前市場上的多數處理軟件只適用于垂直影像，無法對傾斜影像數據做出有效處理。因此在建模之前可應用聯合平差的方式，對獲取到的多視影像進行處理。處理時需考慮以下因素：垂直影像與傾斜影像之間是否存在幾何變形與遮擋問題；處理多視影像時，要注意保留影像的紋理與層次；匹配同名點時，需合理利用相關算法與數據，以保證最終得到的結果可以使用；處理時可聯立解算參數數據、控制點坐標及平差方程，使最終的結果具有更高的精度。在處理影像間的變形與遮擋問題時，最常用的方法是通過相應的軟件促進數據融合。

3.3" 高分辨率影像信息匹配與提取

應用于傾斜攝影影像信息提取的方法較多，各信息提取方法也各有優缺點。

有些方法在提取形狀、紋理等空間信息方面存在很大弊端；有些方法信息提取步驟比較復雜，信息提取速度緩慢，因此在實際應用中也有很多限制；還有些方法的適應范圍不寬，對傾斜攝影影像信息進行提取時，無法對傾斜攝影影像信息做出更精準、更細致的分類，無法精確地將紋理、形狀等空間特征信息加以提取，造成這部分信息資源浪費。

相比傳統的信息提取方法，面向對象的分類方法屬于一種比較先進的遙感信息提取方法，在應用該方法提取傾斜攝影影像信息時，重點是借助于對象集合信息及光譜等提取出多種資源，如宏觀地物信息及微觀地物信息等，確保傾斜攝影影像信息展示出強大功能。應用該方法提取傾斜攝影影像信息時，要先開展斑塊分割工作，也就是在提取相應的傾斜攝影影像信息的過程中，應該及時完成對傾斜攝影影像信息的合理分割，這是前提條件，在此基礎上保證后續的提取效果。斑塊分割的科學準確、分割精度夠高，那么傾斜攝影影像信息提取效果也就更好。面向對象的信息提取方法適用范圍要相對較廣，在信息提取過程中，利用多光譜傾斜攝影影像，可比較輕松、快速且準確地提取出傾斜攝影影像中包含的建設用地、水體、林地及耕地等宏觀地物類型的信息。

從影像中獲取紋理、位置和角度等相應信息的過程中，設置分割參數是非常關鍵的一步，分割參數設置的科學準確，以此優化影像信息提取效果，提升相應的效率和質量。那么到底什么是分割參數？該如何設置分割參數？設置分割參數時，應將地物特征與傾斜攝影影像空間分辨率當作主要的參考依據。根據這類信息合理設置分割參數，避免分割尺度過大或過小。研究表明，分割尺度過大或過小都將直接影響到高清信息的提取，還要判斷具體的分割尺度及相應時間。分割尺度過大，則引起過分分割現象，信息提取精度不高，因此需要將其控制于合理的范圍內。分割尺度的設置具有一定難度，為獲得更為理想的分割效果與信息提取效果，應該適當運用適宜舉措完成合理的選擇，保證將分割尺度控制在理想范圍內，以免影響到后續的整體效果。

此外還要注意最優分割尺度問題。根據相關研究可知。如果研究對象是一種或幾種類型的地物，則最優分割尺度就是指特定地物類型能用一個或幾個對象表達。在該定義中，地物目標大小與對象大小之間不存在多大差異，多項多邊形要有一定的完整性，邊界感要清晰，類別內部對象的光譜變異要控制在適宜范圍，避免出現過大過小的問題。若整幅影像均為研究對象，那么最優分割尺度就是指分割后影像對象內部的異質性最小，各種類別對象間異質性最大，地物的形狀、紋理和光譜等特征都能由對象表達出來。只有這樣，才可保證傾斜攝影影像信息的提取更加及時到位。在以往的技術條件下，工作人員常采用最大面積法、目標函數法和面積比均值法等來確定最優分割尺度。但這些方法局限性較大，從而限制了高分辨率傾斜攝影影像信息的合理提取，特別是在確定最優分割尺度的過程中，還要詳細分析選擇的方法和路徑，促使實際成果更加顯著。面向對象“與領域絕對值差分方差比RMAS”指數指標法具有操作性好、科學度高和可行性強等優點，在具體的工作中比較實用[8]。

于傾斜攝影影像中提取微觀地物信息時，如果運用的是傳統手段，將無法獲取微觀地物的高精度信息，也會呈現出比較多的噪聲，且斑塊破碎，應用價值不高。針對此，要選擇適宜的方法開展此項工作，采用全色波段分辨率為1 m、多光譜波段分辨率為4 m的IKONOS高分辨率傾斜攝影影像的融合影像，綜合考慮光譜、紋理及形狀等空間特征的信息提取法對傾斜攝影影像微觀地物信息進行提取。提取時，首先選取影像分割斑塊，然后依據數學形態學原理，對所選取斑塊中的微觀地物信息（圖像）進行細化、去噪和二值化等處理，并運用骨架線提取法提取出高分辨率微觀地物信息。

3.4" 數字多視影像建模

利用處理過的傾斜攝影影像，生成實景三維模型。建模時，先對獲取到的點云數據進行平滑、封裝、補洞和降噪等處理，經處理后形成多層次的三維TIN模型。將三維TIN模型進行三角網優化處理，之后匹配TIN模型與紋理影像，就得到精準、清晰且逼真的三維模型。

4" 結束語

綜上所述，傾斜攝影三維建模技術先進高效，能給不動產測繪工作帶來諸多幫助。在不動產測繪中應用傾斜攝影三維建模技術時，多視影像預處理、多視影像聯合平差、數字影像匹配及最終的三維建模是最為關鍵的幾個環節，工作人員應高度重視并規范處理。

參考文獻：

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