黃昌勝，孫黎明

(佳木斯市勘察測(cè)繪研究院，黑龍江佳木斯 154004)

1 引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)及三維仿真技術(shù)的發(fā)展，三維城市模型的建設(shè)和應(yīng)用技術(shù)也得到了快速發(fā)展，其需求也越來越旺盛。成熟的三維城市模型建模方法很多:有通過二維數(shù)據(jù)直接拉伸獲得簡(jiǎn)單白模的方法，有通過手工建立精細(xì)模型的方法，有利用LiDAR掃描生成真實(shí)模型的方法，2011年10月，Esri公司正式發(fā)布了其領(lǐng)先的三維建模軟件Esri CityEngine 2011，提出一種程序化的規(guī)則建模新技術(shù)，具有突破性，非常適合于三維建筑設(shè)計(jì)。本文主要介紹一種基于數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量的快速建模技術(shù)，這種方法的特點(diǎn)是精度高，模型真實(shí)，建模速度快?；跀?shù)字?jǐn)z影測(cè)量構(gòu)建三維城市模型的優(yōu)勢(shì)在于不僅可以生產(chǎn)制作用于構(gòu)建地面模型所需的高精度DEM和真正射影像圖資料，而且可以采集獲取絕對(duì)位置準(zhǔn)確、相對(duì)關(guān)系正確、紋理信息真實(shí)的建筑物三維模型。下面重點(diǎn)探討基于數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量建立建筑物三維模型的原理、流程及其關(guān)鍵要點(diǎn)。

2 基本原理

三維城市模型由地面模型、建筑物模型、城市部件模型、植被模型以及附屬設(shè)施模型等組成。地面模型可以通過DEM與DOM疊加的方式來獲取，復(fù)雜的地面模型可以通過手工方式來建模。城市部件、植被以及附屬設(shè)施可以采用模型樣本按位置種植或?qū)c(diǎn)狀要素進(jìn)行符號(hào)化的方式進(jìn)行建模。建立這些模型所需的數(shù)據(jù)可以利用數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量直接獲取，比較簡(jiǎn)單，下面重點(diǎn)介紹建筑物模型的獲取原理。

基于數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量建立建筑物三維模型有兩項(xiàng)內(nèi)容，一是建筑物幾何模型的生成，二是幾何模型頂面和側(cè)面紋理的獲取。

2.1 模型的生成

模型生成階段，主要任務(wù)是獲取由頂部及側(cè)面多邊形構(gòu)成的建筑物白模。建筑物幾何模型的頂部如無遮擋可以在數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量工作站中直接采集獲得，如圖1(a)、(b)所示。較低的建筑物如被較高的樹冠或其他較高的建筑物遮擋，需要采用全站儀等設(shè)備到現(xiàn)場(chǎng)補(bǔ)測(cè)幾何外形及紋理。建筑物幾何模型的側(cè)面多邊形可以通過頂部幾何圖形的邊線沿重力方向向地面作垂面獲得，頂部幾何圖形的所有邊均按此方法處理即可獲得建筑物幾何模型的所有側(cè)面多邊形，如圖1(c)所示。建模過程中參照的地面可以采用基于數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量方法生產(chǎn)的數(shù)字高程模型。

圖1 建筑物三維模型的采集與生成

2.2 紋理的獲取

紋理獲取階段，主要任務(wù)是從像片中截取已經(jīng)獲得的建筑物白模各個(gè)表面的紋理。如圖2所示，(a)、(b)、(c)是同一建筑物在同一航線相鄰3張像片中的成像，(d)是該建筑物在相鄰航線像片中的成像。要獲取該建筑物的紋理，首先需要根據(jù)建筑物的相對(duì)關(guān)系及成像位置選擇截取紋理的最佳像片。因?yàn)閷?duì)于中心投影的航攝像片來說，建筑物的各個(gè)面根據(jù)航攝位置的不同或被拍到或被遮擋，所以不同表面的紋理需要從不同的像片上來截取，通常選取建筑物居于像片中心位置的像片及其上、下、左、右4張相鄰像片。圖2中橫實(shí)線暈線部分是獲取建筑物模型頂面紋理的選擇方式，圖2中豎虛線暈線部分是獲取建筑物模型側(cè)面紋理的選擇方式。其次是確定紋理的截取范圍。由式(1)共線方程知，如像片主距(f)及外方位元素(Xs、Ys、Zs、φ、ω、К)已知，建筑物每個(gè)角點(diǎn)(X、Y、Z)在像片上的成像(x、y)就可以計(jì)算出來的，這樣由角點(diǎn)組成的每個(gè)表面在像片上的成像多邊形就可以計(jì)算出來，該成像多邊形也就是模型表面紋理的截取范圍。最后需要對(duì)截取到的紋理進(jìn)行糾正。由于建筑物表面成像后在像片上會(huì)發(fā)生變形，所以需要對(duì)截取到的紋理進(jìn)行變換以還原到原有的表面形狀。

圖2 建筑物模型紋理的獲取

3 作業(yè)流程

從航空攝影開始，需要進(jìn)行外業(yè)像控、內(nèi)業(yè)加密、立體像對(duì)建立、DEM生產(chǎn)、真正射影像圖制作、建筑物模型采集與生成、紋理提取、模型編輯整合轉(zhuǎn)換、三維城市模型系統(tǒng)集成等環(huán)節(jié)，如圖3所示。

圖3 三維城市模型的數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量方法建模流程

4 建模要點(diǎn)

4.1 對(duì)航空攝影的要求

為了建立三維城市模型，航空攝影需要進(jìn)行專項(xiàng)設(shè)計(jì)，以滿足制作真正射影像圖的需要及保證建筑物的每個(gè)面能夠取到理想的紋理信息。通常采用增加航向及旁向重疊度的方法，要求航向和旁向重疊度不能低于70%。如圖4所示，像片的每個(gè)位置均能保證9°重疊(圖中陰影部分)，這樣能夠保證建筑物的頂面和側(cè)面以及周圍地面能被充分拍到而不被遮擋。也可以按常規(guī)重疊度采用東西和南北交叉重疊攝影的方式，同樣可以保證充分獲取到地面及建筑物的紋理信息。目前，越來越廣泛的采用傾斜攝影的方式，航攝相機(jī)由多個(gè)不同角度的鏡頭組成，一次飛行可以獲取多個(gè)角度的影像，且獲取到的建筑物的側(cè)面影像的質(zhì)量非常高。為了提高DEM以及建筑物模型的精度，采用機(jī)載LiDAR直接獲取地面及建筑物表面模型的方法也得到了越來越廣泛的應(yīng)用。

圖4 航空攝影設(shè)計(jì)

4.2 地面的精細(xì)建模

在平坦地區(qū)或?qū)Φ孛婺Ｐ鸵蟛桓邥r(shí)，可以采用DEM與DOM疊加的方式來構(gòu)建地面模型。但要建立復(fù)雜的地面精細(xì)模型，需要DEM的格網(wǎng)間距足夠小，這樣數(shù)據(jù)量會(huì)急劇增加，盡管如此，在人工地貌或破碎地貌區(qū)域，地面模型的精度也不會(huì)有明顯的改善。為了精細(xì)表示人工地貌(如陡坎、堤壩、溝渠、臺(tái)階等)，可以采用TIN與DOM疊加的方式來建立地面模型或采用3ds Max手工方式直接建立地面模型，當(dāng)然也可以利用攝影測(cè)量技術(shù)按照建筑物模型的采集方法來采集，只是這種方法僅需考慮頂面紋理的獲取而不需考慮側(cè)面紋理的獲取。這種方法建立的地面精細(xì)模型，需要編輯一個(gè)對(duì)應(yīng)范圍的低于地面的假的DEM，這樣系統(tǒng)集成時(shí)，地面精細(xì)模型才能與DOM疊加DEM形成的地面模型套合。

4.3 建筑物的立體采集

立體采集建筑物時(shí)只采集頂部，根據(jù)形狀可將頂部分割成一個(gè)個(gè)相鄰的閉合多邊形，采集時(shí)應(yīng)注意公共節(jié)點(diǎn)要三維捕捉，保證公共邊完全重合。建筑物的各部分如果高度不同應(yīng)分別采集，需要注意的是高的部分與矮的部分交匯處不應(yīng)有空隙，否則外觀上會(huì)出現(xiàn)破面，影像模型的可視性。采集時(shí)還應(yīng)注意，在保證精度的情況下應(yīng)盡量減少節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)量，節(jié)點(diǎn)越少模型的數(shù)據(jù)量越小。模型的坐標(biāo)數(shù)值較大時(shí)，在3ds Max中進(jìn)行模型編輯、整合、轉(zhuǎn)換時(shí)速度會(huì)較慢，而且容易出錯(cuò)，因此采集前應(yīng)將立體像對(duì)的左下角平移到原點(diǎn)(0，0)位置，建庫(kù)時(shí)再將平移量加上以還原到真實(shí)位置。

5 結(jié)語(yǔ)

在佳木斯市中心區(qū)三維城市模型的建設(shè)中，我們充分利用2006年和2010年的兩期同一相機(jī)的常規(guī)航空攝影數(shù)據(jù)，開展了基于數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量快速建模的研究和實(shí)踐活動(dòng)，2名生產(chǎn)人員利用3個(gè)月的時(shí)間完成了9000多個(gè)建筑物模型的生產(chǎn)任務(wù)。在這個(gè)項(xiàng)目中，2010年的航空攝影盡管沒有按照本文4.1節(jié)的要求實(shí)施，但充分利用了2006年的航空攝影數(shù)據(jù)，并通過拍攝現(xiàn)場(chǎng)照片的方法加以補(bǔ)充，較好地彌補(bǔ)了重疊度不足，紋理獲取不全的問題，取得了很好的效果和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，如圖5所示。

圖5 佳木斯市中心區(qū)的三維城市模型

基于數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量的快速建模技術(shù)具有速度快、精度高、模型真實(shí)的特點(diǎn)。與其他建模方法相比，基于數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量的快速建模方法是三維城市模型的整體解決方案，不僅可以快速建立建筑物三維模型，而且可以快速建立地面三維模型，具有投入少、產(chǎn)出多、產(chǎn)品全的優(yōu)點(diǎn)，是對(duì)傳統(tǒng)數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量生產(chǎn)4D產(chǎn)品的延伸和發(fā)展，有利于提高航空攝影的數(shù)據(jù)利用率，降低成本，增加產(chǎn)出。

［1］李德仁，王樹根，周月琴.攝影測(cè)量與遙感概論［M］.北京:測(cè)繪出版社，2008.

［2］王海英，胡震天，劉容.基于微型無人機(jī)的全自動(dòng)三維重建方法實(shí)驗(yàn)［J］.城市勘測(cè)，2012(1):42～44.

［3］孫華，余銳，歐陽(yáng)光輝等.基于LiDAR數(shù)據(jù)和航空影像的建筑物三維重建技術(shù)研究［J］.城市勘測(cè)，2012(2):60～64.

［4］周智勇.基于VirtuoZo的快速三維建模方法探討［J］.城市勘測(cè)，2012(3):70～72.

［5］全威，郝桂菊.用3ds Max建立城市房屋3維模型的方法［J］.測(cè)繪與空間地理信息，2011，34(6):194 ～195.

［6］王冬，盧秀山，劉鳳英等.一種城市三維建模的新途徑［J］.工程勘察，2007(8):49～53.