孫鐵軍，董勝光

（1.湖南省第二測繪院，湖南 長沙 410119）

大重疊航攝技術(shù)在地質(zhì)遺跡三維建模中的應(yīng)用

孫鐵軍1，董勝光1

（1.湖南省第二測繪院，湖南 長沙 410119）

在全面分析三維建模所需基礎(chǔ)數(shù)據(jù)常用獲取方法各自特性的基礎(chǔ)上，提出了基于大重疊度航空攝影進(jìn)行地質(zhì)遺跡三維精細(xì)建模的技術(shù)思路，選取了崀山國家地質(zhì)公園中的辣椒峰地質(zhì)遺跡點(diǎn)開展三維建模試驗(yàn)，快速制作了辣椒峰地質(zhì)遺跡點(diǎn)的三維精細(xì)模型，驗(yàn)證了該技術(shù)思路的實(shí)用性與可行性。

大重疊度航空攝影；地質(zhì)遺跡；三維精細(xì)模型；三維地理信息

目前，各地城市三維建模工作開展得如火如荼，但對于地質(zhì)遺跡或自然景觀的規(guī)模化三維建模鮮有報道，究其原因在于地質(zhì)遺跡很不規(guī)則，奇形怪狀，凹凸不平，地質(zhì)遺跡三維建模所需的空間基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和紋理數(shù)據(jù)難以獲取[1-3]。目前，國內(nèi)外眾多學(xué)者就復(fù)雜自然景觀三維建?；A(chǔ)數(shù)據(jù)的獲取開展研究，且提出了普通航空攝影測量、機(jī)載激光雷達(dá)、地面激光雷達(dá)、傾斜攝影測量、近景攝影測量等眾多新型三維建模原始數(shù)據(jù)獲取技術(shù)，各有優(yōu)劣[4-6]。相比之下，利用大重疊度航攝影像具有同時獲取地質(zhì)遺跡三維建模所需幾何框架數(shù)據(jù)和紋理數(shù)據(jù)的可能，從而解決了地質(zhì)遺跡規(guī)?；S精細(xì)建模基礎(chǔ)數(shù)據(jù)獲取的難題。

1 應(yīng)用思路

綜合考慮當(dāng)前數(shù)碼航空攝影和三維建模技術(shù)的特點(diǎn), 大重疊度航空攝影技術(shù)應(yīng)用于地質(zhì)遺跡三維精細(xì)建模中的應(yīng)用思路如圖1所示[7,8]。

2 應(yīng)用試驗(yàn)

為了驗(yàn)證上述技術(shù)思路的可行性，探索大重疊度航空攝影技術(shù)在地質(zhì)遺跡規(guī)模化三維建模中應(yīng)用的可行性，在崀山國家地質(zhì)公園數(shù)字三維建模項(xiàng)目中，嘗試應(yīng)用了該技術(shù)，并選取了地質(zhì)公園內(nèi)的“辣椒峰”地質(zhì)遺跡點(diǎn)，進(jìn)行了地質(zhì)遺跡三維建模試驗(yàn)。

2.1 試驗(yàn)區(qū)概況

圖1 應(yīng)用思路圖

崀山國家地質(zhì)公園位于湖南省西南部新寧縣境內(nèi)，地處湘桂邊境。地質(zhì)公園內(nèi)丹霞地貌類型發(fā)育齊全、發(fā)育過程清晰，形態(tài)結(jié)構(gòu)完整，尤其以壯年期丹霞地貌最為雄偉壯觀，極富震撼力，是我國乃至世界稀有的最為奇特的大面積丹霞地貌景觀區(qū)。公園自北向南依次由紫霞峒、扶夷江、辣椒峰、天一巷、天生橋及八角寨等6個相互聯(lián)系的景區(qū)組成，寬約4~8 km，長約18 km，總面積約138 km2。公園內(nèi)大部分地區(qū)植被茂密，地形復(fù)雜，難以深入。平均海拔約500 m，最高峰八角寨海拔818 m。地質(zhì)遺跡三維建模試驗(yàn)點(diǎn)辣椒峰是崀山丹霞象形景觀密集區(qū)，是密集丹霞峰叢的杰出代表，完美地展示了崀山丹霞地貌發(fā)育演化過程以及非同尋常的丹霞自然美。辣椒峰拔地而起，凌空突兀，直上直下，傲視群峰，絕對高度180 m，上大下小，石頂周長約100 m，石腳周長約40 m，呈赤紅色，遠(yuǎn)觀像碩大無比的紅辣椒。

2.2 試驗(yàn)過程

2.2.1 航空攝影

2011年11月湖南省第二測繪院采用IMU/DGPS輔助數(shù)碼航空攝影技術(shù)獲取整個地質(zhì)公園0.1 m分辨率的高清數(shù)碼影像，影像的航向平均重疊率80%（常規(guī)航攝為60%~65%），旁向平均重疊率60%（常規(guī)航攝為30%~35%），共飛行航線36條。航攝基本技術(shù)參數(shù)為：攝區(qū)名稱：湘西州；攝區(qū)編碼/代號：12095；面積：138 km2；地面分辨率：優(yōu)于0.1 m；飛行高度：1 400 m；飛行方向：南北；航向重疊：60%；旁向重疊：80%；航攝儀類型/編號： UCLp；焦距：70.4 mm；像幅大小：11 704×7 920 像素；飛行時間：2011年11月；攝區(qū)困難類型：困難；飛機(jī)類型/編號：運(yùn)5/B8754；使用機(jī)場：衡陽機(jī)場；像元大?。?.006 mm。航線分布如圖2所示。

圖2 航線分布圖

2.2.2 影像預(yù)處理與空三加密

首先按照常規(guī)航攝內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理方法，對航攝影像進(jìn)行整體勻光勻色、角度旋轉(zhuǎn)、格式轉(zhuǎn)換等預(yù)處理，然后利用均勻布設(shè)的外業(yè)像控點(diǎn)，在PixelGrid軟件下，設(shè)置相機(jī)參數(shù)，提取連接點(diǎn)，調(diào)用PATB進(jìn)行連接點(diǎn)交互式編輯和區(qū)域網(wǎng)平差，實(shí)現(xiàn)整個測區(qū)像片的空三加密。

2.2.3 特征點(diǎn)線采集與DEM制作

將空三加密的結(jié)果導(dǎo)入MapMartix，建立各像對的立體模型，定義核線范圍，生成核線影像；在立體環(huán)境下采集特征點(diǎn)、特征線，并構(gòu)建三角網(wǎng)，按1 m格網(wǎng)間距內(nèi)插生成DEM。考慮到本項(xiàng)目采用了大重疊度航攝，降低了基高比，如果直接采用相鄰像片組成的立體像對進(jìn)行特征點(diǎn)、特征線采集，將影響高程的精度，為了保證DEM的精度，在進(jìn)行DEM特征點(diǎn)、線采集時采用“抽片”的方法，即利用隔航片組成立體像對進(jìn)行特征點(diǎn)和特征線采集。

2.2.4 DOM制作

基于空三加密成果，調(diào)用§2.2.3中的DEM成果，對數(shù)碼航拍影像進(jìn)行數(shù)字微分糾正，并調(diào)整航片之間的鑲嵌線。

2.2.5 格式轉(zhuǎn)換

為了確保DEM數(shù)據(jù)能夠被3DSMax支持，使用Global Mapper軟件，將DEM轉(zhuǎn)換成STDS或USGS DSM格式；也可使用FME、ArcGIS等軟件實(shí)現(xiàn)。

2.2.6 3DSMax下模型編輯

將DEM導(dǎo)入到3DSMax中，并將導(dǎo)入的DEM轉(zhuǎn)化為可編輯多邊形。在多邊形建模模式下，參照航攝影像、特征點(diǎn)和特征線，靈活地對頂點(diǎn)、邊、邊界、多邊形和元素等5個對象進(jìn)行編輯[9,10]。

2.2.7 紋理粘貼

首先從DOM上選取地質(zhì)遺跡點(diǎn)的頂部紋理，從大重疊度的航片上選取地質(zhì)遺跡點(diǎn)不同側(cè)面的紋理數(shù)據(jù)，并使用PhotoShop對選取的影像進(jìn)行處理，然后按照明顯的構(gòu)造邊線，將地質(zhì)遺跡模型的紋理劃分成毗鄰的幾塊，最后通過3DSMax的“展UV”功能對編輯后的模型進(jìn)行貼圖?？紤]到目前三維地理信息系統(tǒng)的限制，要求紋理數(shù)據(jù)的尺寸均為2的N次方，且貼圖尺寸最大不超過2 048×2 048像素。在“展UV時”也可使用UVLayout、Unfold3D等專業(yè)工具來提高工作效率。對于少數(shù)攝影死角，通過周邊的影像作為標(biāo)準(zhǔn)材質(zhì)填充。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果

圖3為大重疊度IMU/DGPS輔助航空攝影技術(shù)支持下辣椒峰地質(zhì)遺跡點(diǎn)的三維建模試驗(yàn)成果圖。試驗(yàn)表明，大重疊度IMU/DGPS輔助航空攝影能在獲取地質(zhì)遺跡點(diǎn)三維建模所需的幾何框架數(shù)據(jù)的同時，獲取三維建模所需的大部分紋理數(shù)據(jù)，并應(yīng)用于地質(zhì)遺跡三維精細(xì)模型的快速建立。

3 結(jié) 語

圖3 辣椒峰地質(zhì)遺跡點(diǎn)三維建模試驗(yàn)成果圖

與LiDAR、傾斜攝影等新技術(shù)相比，大重疊度航空攝影不但能獲取三維建模所需要的幾何框架數(shù)據(jù)，而且能獲取三維建模所需的絕大部分紋理數(shù)據(jù)，同時也彌補(bǔ)了普通航攝側(cè)面紋理數(shù)據(jù)獲取不足的弊端，具有特有的優(yōu)勢。在崀山國家地質(zhì)公園數(shù)字三維建模項(xiàng)目的后續(xù)建設(shè)中，成功地應(yīng)用該技術(shù)對地質(zhì)公園內(nèi)將軍石、天一巷、駱駝峰等其他核心地質(zhì)遺跡點(diǎn)建立了三維精細(xì)模型，建模面積達(dá)10 km2。本項(xiàng)目建設(shè)的技術(shù)成果將應(yīng)用到湖南省乃至國內(nèi)其他地質(zhì)公園或自然景觀的三維建模中。此外，大重疊度航攝數(shù)據(jù)也可嘗試使用SAMRT 3D諸類的高性能自動化軟件進(jìn)行三維建模，這將進(jìn)一步提高大重疊度航攝技術(shù)在地質(zhì)遺跡三維建模中的效率，從而更加凸顯大重疊度航攝技術(shù)在地質(zhì)遺跡三維建模中的應(yīng)用價值。

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Application of Large Overlap Aerial Photography Technology in 3D Modeling of Geological Relics

bySUN Tiejun

Based on comprehensively and comparatively analysis their characteristics of data acquisition methods for 3D modeling, this paper proposed technical route for building 3D precise model of geological relics using large overlap aerial photography technology. Lajiaofeng Geological Relics in Langshan National Geological Park was built 3D precise model. The results verify that this technology is practical and feasible to build 3D precise model of geological relics.

large overlap aerial photography,geological relics,3D precise model,3D geographic information

P231

B

1672-4623（2014）02-0035-03

10.11709/j.issn.1672-4623.2014.02.013

2013-08-14。

項(xiàng)目來源：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（41171397）；湖南省國土資源廳科技支撐計劃資助項(xiàng)目（2012-30）。

孫鐵軍，高級工程師，碩士，主要從事攝影測量與遙感工程化應(yīng)用研究。