王丙濤,王繼(江蘇省測繪工程院,江蘇南京 210013)

基于傾斜攝影技術(shù)的三維建模生產(chǎn)與質(zhì)量分析

王丙濤?,王繼
(江蘇省測繪工程院,江蘇南京 210013)

摘 要:為了檢測分析傾斜攝影三維建模成果的精度與質(zhì)量水平,在總結(jié)了三維建模技術(shù)流程的基礎(chǔ)上,依據(jù)CH/ T 9015-2012《三維城市基礎(chǔ)地理信息模型產(chǎn)品規(guī)范》對(duì)三維模型表達(dá)、產(chǎn)品類級(jí)等技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行檢測和分析,高程精度檢測主要采用全站儀極坐標(biāo)法對(duì)建筑物高度進(jìn)行套合檢測,平面精度和地形精度則使用GPS RTK接收機(jī)動(dòng)態(tài)觀測法進(jìn)行套合檢測,檢查認(rèn)為丹陽市三維場景制作成果達(dá)到二級(jí)三維模型景觀的要求,從而在一定程度上為傾斜攝影三維建模技術(shù)規(guī)范和模型數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)提供了參考與借鑒。

關(guān)鍵詞:傾斜攝影測量；城市三維建模；數(shù)字城市；模型產(chǎn)品規(guī)范

1　引 言

隨著我國城市化進(jìn)程的快速推進(jìn),精細(xì)化的城市三維模型作為城市規(guī)劃、建設(shè)、管理和信息化的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),得到了日益廣泛的應(yīng)用并逐漸成為數(shù)字城市地理空間框架的重要內(nèi)容。目前,大范圍的城市三維模型生產(chǎn)主要依靠攝影測量的手段進(jìn)行生產(chǎn)。然而,傳統(tǒng)的航空和衛(wèi)星遙感手段主要針對(duì)城市建筑物頂部進(jìn)行模型重建,而對(duì)地物側(cè)面的三維重建一直缺少有效的解決方法。傾斜攝影技術(shù)是國際測繪遙感領(lǐng)域近年發(fā)展起來的一項(xiàng)高新技術(shù),通過在同一飛行平臺(tái)上搭載多臺(tái)傳感器,同時(shí)從垂直、傾斜等不同的角度采集影像,獲取地面物體更為完整準(zhǔn)確的信息[1,2]。應(yīng)用傾斜攝影技術(shù),結(jié)合合理的傾斜影像測量方法,可以有效解決這一難題,從而在城市三維模型生產(chǎn)上走出一條全新的路徑。

為了探索和研究基于傾斜攝影測量的三維建模技術(shù)在數(shù)字城市中的應(yīng)用,江蘇省測繪地理信息局聯(lián)合丹陽市國土管理部門對(duì)丹陽市建成區(qū)約120 km2的范圍進(jìn)行了三維數(shù)字城市模型的生產(chǎn),航攝儀選用上海航遙信息技術(shù)有限公司的AMC580多視角航空照相機(jī)系統(tǒng),從航空攝影到城市三維大場景的構(gòu)建完成,僅花費(fèi)了三個(gè)月左右的時(shí)間[3]。該項(xiàng)目的實(shí)施相較于常規(guī)三維數(shù)字城市模型的生產(chǎn),在效率上有了極大的提高。但是,模型的質(zhì)量和精度水平才最終決定該成果是否為合格的產(chǎn)品并滿足項(xiàng)目要求,因此,為確定此次模型成果的質(zhì)量,本文依據(jù)CH/ T 9015-2012《三維城市基礎(chǔ)地理信息模型產(chǎn)品規(guī)范》[4],對(duì)三維模型表達(dá)、產(chǎn)品類級(jí)等技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行檢測和評(píng)定,并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行分析,從而為傾斜攝影三維建模產(chǎn)品的生產(chǎn)和利用提供參考和借鑒。

2　項(xiàng)目實(shí)施

2．1航攝概況

本項(xiàng)目實(shí)施區(qū)域?yàn)榈り柺?地處長江下游南岸,江蘇省南部,隸屬于江蘇省鎮(zhèn)江市。施測范圍涵蓋丹陽市主要城區(qū)及周邊,建筑物密集,能夠反映丹陽市的主要社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展面貌。項(xiàng)目設(shè)計(jì)實(shí)施區(qū)域約為88 km2,實(shí)際航攝及建模區(qū)域面積約為120 km2。具體航攝范圍如圖1所示。本項(xiàng)目傾斜航空攝影由上海航遙信息技術(shù)有限公司承擔(dān),航攝比例尺為1∶13 500,航線布設(shè)為東西方向。像片航向重疊度大于72%,旁向重疊度大于80%。本次攝影獲取了3 540個(gè)有效曝光時(shí)刻,5個(gè)鏡頭總計(jì)17 700片有效航空影像,其中垂直鏡頭地面分辨率為0．08 m。

圖1　丹陽市傾斜航空攝影范圍示意圖

本次航攝任務(wù)使用AMC580多視角航空照相機(jī)系統(tǒng),AMC580多視角航空照相機(jī)系統(tǒng)是上海航遙信息技術(shù)有限公司自主研發(fā)的多視角數(shù)碼航空照相機(jī)系統(tǒng),該系統(tǒng)集成了5臺(tái)8 000萬像素的大幅面量測型專業(yè)航空相機(jī),包括1臺(tái)垂直和4臺(tái)傾斜照相機(jī)。AMC580多視角數(shù)碼航攝儀集成了Applanix公司的POS AV510系統(tǒng)。通過該系統(tǒng)可以對(duì)垂直鏡頭和4個(gè)傾斜鏡頭的影像進(jìn)行快速直接定向,并結(jié)合其配套后處理軟件POSpac MMS 6．2軟件進(jìn)行后處理解算,直接獲取每個(gè)鏡頭影像的外方位元素。

2．2空中三角測量

傾斜航空攝影測量由于攝影傾角大,影像變形嚴(yán)重;分辨率變化大,尺度無法統(tǒng)一;重疊數(shù)多,需要多視處理等特點(diǎn),使其空中三角測量異于常規(guī)數(shù)碼航空攝影測量方式。本項(xiàng)目的空三處理使用的是Acute3D公司的Smart3D Capture(簡稱S3C)軟件來實(shí)施。其AT模塊采用光束法局域網(wǎng)平差空中三角測量,支持垂直影像和傾斜影像同時(shí)導(dǎo)入?yún)⑴c空三計(jì)算。系統(tǒng)也支持將已有空三解算成果導(dǎo)入以供模型生產(chǎn)使用。

2．3三維模型生產(chǎn)

本項(xiàng)目Mesh三維建模流程仍然使用S3C軟件來實(shí)施。生產(chǎn)工序包括:模型預(yù)處理、模型編輯、模型后處理等3個(gè)子流程。S3C軟件無需人工干預(yù)便可運(yùn)算生成基于傾斜攝影真實(shí)影像的超高密度點(diǎn)云,并以此生成基于真實(shí)影像的高分辨率實(shí)景真三維模型。由于模型生成的自動(dòng)化,難免會(huì)存在模型匹配錯(cuò)誤、瑕疵、漏洞等,其后通過人工干預(yù)的方式修正這些模型錯(cuò)誤,最后將這些修正后的模型進(jìn)行紋理映射,生產(chǎn)出最終符合要求的Mesh三維模型數(shù)據(jù)。Mesh三維建模數(shù)據(jù)生產(chǎn)技術(shù)流程如圖2所示。

圖2　三維建模數(shù)據(jù)生產(chǎn)技術(shù)流程圖

3　建模精度檢測與分析

3．1檢測工作概況

三維建模數(shù)據(jù)生產(chǎn)完成之后,為檢查成果的產(chǎn)品精度和質(zhì)量,項(xiàng)目組隨即安排了相關(guān)的精度檢測和評(píng)價(jià)工作。三維建模數(shù)據(jù)主要檢查三維建模數(shù)據(jù)的完整性、位置精度、表現(xiàn)精度、屬性精度、現(xiàn)勢性和邏輯一致性等。檢查方法主要是:(1)采用人機(jī)交互檢查,在軟件系統(tǒng)環(huán)境下,將要檢查的數(shù)據(jù)可視化,以圖形、圖像、文件等形式顯示在計(jì)算機(jī)的屏幕上,通過人工判斷其完整性、模型紋理的協(xié)調(diào)性、場景表現(xiàn)效果、屬性的準(zhǔn)確性與完整性、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式和空間位置的一致性等。(2)通過外業(yè)實(shí)地抽樣巡查的方法,檢查模型要素的完整性,檢查模型精細(xì)度和紋理的準(zhǔn)確性、協(xié)調(diào)性,檢查場景效果的符合性、現(xiàn)勢性;使用全站儀極坐標(biāo)法對(duì)建筑物高度進(jìn)行套合檢測,檢查模型高度精度的準(zhǔn)確性;使用同精度地形圖比較的方法和GPS RTK接收機(jī)動(dòng)態(tài)觀測法進(jìn)行套合檢測,檢查模型平面和地形精度的準(zhǔn)確性。

3．2精度統(tǒng)計(jì)與質(zhì)量綜述

在控制網(wǎng)野外像控點(diǎn)布設(shè)上考慮到本次航攝對(duì)于垂直像片,在航向重疊度大于72%,旁向重疊度大于80%,像片的重疊度大,且除垂直影像外,還有數(shù)量眾多的傾斜影像參與空三,采用了:航線在旁向跨度為4條航線,航向跨度不超過24條基線布設(shè)一個(gè)平高控制點(diǎn),考慮到高程精度的控制,在該控制點(diǎn)網(wǎng)的布設(shè)基礎(chǔ)上,在網(wǎng)間旁向16條航線,航向12條基線加密布設(shè)平高點(diǎn)的布設(shè)方式。共計(jì)轉(zhuǎn)刺外業(yè)平高控制點(diǎn)101個(gè),空三處理后共有2 564 144個(gè)像對(duì),平均每張像片上提取39 262個(gè)特征點(diǎn),平均每張像片有298個(gè)連接點(diǎn),投影中誤差為0．469 652個(gè)像素,平差解算精度約合平面中誤差:0．038 m(像素中誤差?像素大小),滿足1∶1 000平面測圖精度要求。

三維模型數(shù)據(jù)生產(chǎn)是空三解算的后續(xù)流程,生產(chǎn)軟件仍然采用S3C,按照測繪產(chǎn)品檢查驗(yàn)收規(guī)定,依據(jù)CH/ T 9015-2012《三維城市基礎(chǔ)地理信息模型產(chǎn)品規(guī)范》[4],對(duì)三維模型的幾何精度等進(jìn)行了抽樣檢測。檢測情況如下:

(1)位置精度統(tǒng)計(jì)

①平面精度:共檢測了14個(gè)區(qū)域,共654個(gè)點(diǎn),平面中誤差在0．27 m～0．47 m之間,小于0．5 m,達(dá)Ⅱ級(jí)。

②高度精度:共檢測了10個(gè)區(qū)域,共672個(gè)點(diǎn),高度中誤差在0．15 m～0．38 m之間,小于0．5 m,達(dá)Ⅰ級(jí)。

③地形精度:共檢測了17個(gè)區(qū)域,共1 184個(gè)點(diǎn),高程中誤差在0．28 m～0．63 m之間,大于0．37 m小于0．75 m,達(dá)Ⅲ級(jí)。

(2)質(zhì)量綜述①影像地面分辨率為0．08 m,影像精度為Ⅱ級(jí)。②地形模型:反映地形起伏特征和地表影像,檢測精度優(yōu)于0．75 m,達(dá)Ⅲ級(jí)要求。

③建筑要素模型:主要對(duì)房屋建筑頂部和樓體采用主體建模表現(xiàn),及基本輪廓和外結(jié)構(gòu)進(jìn)行幾何建模表現(xiàn),外立面采用能基本反映地物色調(diào)、細(xì)節(jié)特征結(jié)構(gòu)的影像,屋檐、開放陽臺(tái)、下穿結(jié)構(gòu)、門廊、女兒墻等突出物和重點(diǎn)裝飾表現(xiàn)不完整,一般用貼圖表示。(Ⅲ級(jí));

④植被要素模型:對(duì)帶狀綠化樹、綠化林地、苗圃等采用主體建模表現(xiàn),及采用多面片的方式表現(xiàn),外立面采用能基本反映樹木色調(diào)和特征的影像(Ⅱ級(jí));花圃(壇)、草地一般用地形表現(xiàn)(Ⅱ級(jí));護(hù)樹設(shè)施與綠地護(hù)欄一般未表現(xiàn)(Ⅲ級(jí))。

⑤交通要素模型:地面道路、路基、橋梁、鐵路等用主體建模表現(xiàn),紋理基本能反映路面材質(zhì)和交通標(biāo)線(Ⅱ級(jí))。

3．3數(shù)據(jù)分析

通過以上精度檢測和評(píng)定我們可以發(fā)現(xiàn):

①利用該工藝流程生產(chǎn)的模型數(shù)據(jù)在幾何精度方面,平面精度完全可以滿足1∶1 000比例尺要求,高程精度達(dá)不到1∶1 000比例尺要求。

②地形精度相對(duì)較低,達(dá)不到1∶1 000成圖要求,可以通過合理增加像控密度來提高地形精度。相較于常規(guī)航空攝影測量,傾斜攝影測量并不能明顯改善數(shù)據(jù)的地形精度水平。

③常規(guī)模型因建模數(shù)據(jù)和紋理數(shù)據(jù)的獲取時(shí)相不一致,從而影響了模型的表現(xiàn)效果。而基于傾斜攝影測量的三維建模方式通過多視影像同時(shí)獲取地面建筑物的頂面和側(cè)面紋理信息,完全是根據(jù)影像上的信息進(jìn)行建模,即“所見即所得”,因此建立的模型場景更貼合實(shí)際,因此也叫“實(shí)景建?！?。與傳統(tǒng)技術(shù)工藝生產(chǎn)出的模型數(shù)據(jù)相比,本項(xiàng)目生產(chǎn)出的模型數(shù)據(jù),整體性更強(qiáng),表現(xiàn)上更加貼近真實(shí)場景,能增強(qiáng)人的現(xiàn)場感。

④該建模工藝流程所建模型的缺陷主要表現(xiàn)在: (a)少數(shù)模型的房角與地面結(jié)合處變形較大:這主要集中在建筑物密集及樓間距狹小區(qū)域,由于建筑物的遮擋,傾斜攝影獲取的同名像點(diǎn)數(shù)過少,造成影像匹配的有效檢核數(shù)據(jù)不足;(b)個(gè)別建筑物側(cè)面紋理缺失:此類建筑物側(cè)面均屬于玻璃幕墻或具有較強(qiáng)光反射效果的材料,造成計(jì)算機(jī)無法識(shí)別和建模;(c)部分廣告牌、電力塔架等的破缺:引起此類錯(cuò)誤與影像數(shù)據(jù)的分辨率以及計(jì)算機(jī)進(jìn)行影像匹配的辨析能力有關(guān);(d)部分道路起伏變形,與實(shí)地不符:該問題是由于該路面的紋理單一,局部影像相似度大,造成計(jì)算機(jī)視覺識(shí)別困難以及數(shù)據(jù)濾波不充分;(e)一些水面的缺失和變形:由于水的流動(dòng)、光的反射、及紋理的單一都是造成計(jì)算機(jī)識(shí)別錯(cuò)誤,從而建模失敗或變形的因素。以上這些模型錯(cuò)誤都是在自動(dòng)建模階段形成,需通過第三方建模軟件進(jìn)行修測處理后再回S3C軟件進(jìn)行紋理重新映射處理進(jìn)行解決。

4　結(jié) 語

本文依托丹陽市數(shù)字城市建設(shè)項(xiàng)目,通過實(shí)踐總結(jié)了利用傾斜攝影測量技術(shù)進(jìn)行三維建模的技術(shù)流程,并實(shí)施精度檢測和相關(guān)技術(shù)分析。綜合模型的平面精度、高度精度、地形精度、影像分辨率、模型精細(xì)度以及紋理精細(xì)度等各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)達(dá)到的等級(jí),檢查認(rèn)為丹陽市三維場景制作成果達(dá)到二級(jí)三維模型景觀的要求。

參考文獻(xiàn)

[1] 王偉,黃雯雯,鎮(zhèn)姣．Pictometry傾斜攝影技術(shù)及其在三維城市建模中的應(yīng)用[J]．測繪與空間地理信息,2011, 34(3):181～183．

[2] 孫宏偉．基于傾斜攝影測量技術(shù)的三維數(shù)字城市建模[J]．現(xiàn)代測繪,2014,37(1):18～21．

[3] CH/ T 9015-2012．三維地理信息模型數(shù)據(jù)產(chǎn)品規(guī)范[S]．

[4] 王卿,吳曉明,劉力榮等．傾斜影像的量測方法研究[J]．測繪與空間地理信息,2013,36(9):54～55．

[5] 李安福,吳曉明,路玲玲．SWDC-5傾斜攝影技術(shù)及其在國內(nèi)的應(yīng)用分析[J]．現(xiàn)代測繪,2014,37(6):12～14．

[6] 闞曉云,孫景振．LiDAR及傾斜攝影技術(shù)在數(shù)字實(shí)景城市模型中的應(yīng)用[J]．測繪地理信息,2014,39(3):43～46．

[7] 姜麗麗,張姝娟,王鴻陽等．傾斜航空攝影數(shù)據(jù)空中三角測量的精度分析[J]．測繪與空間地理信息,2015,38 (5):59～60．

[8] 張平,劉怡,蔣紅兵．基于傾斜攝影測量技術(shù)的“數(shù)字資陽”三維建模及精度評(píng)定[J]．測繪,2014,37(3):115～118．

Production and Quality Analysis of 3D City Modeling Using Oblique Photogrametric Technology

Wang Bingtao,Wang Ji
(Jiangsu Province Surveying & Mapping Engineering Institute,Nanjing 210013,China)

Abstract:In order to detect and analyze the accuracy and quality level of 3D city modeling in Danyang using oblique photogrammetric technology,after summarizing the technical process of 3D modeling,a comprehensive accuracy assessment and analysis of the three-dimensional modeling results was made with a reference of the specifications coded CH/ T 9015-2012 for the digital products of three-dimensional model on geographic information,elevation accuracy detection was made mainly using the polar coordinate method of total station,planar and terrain precision was detected using GPS-TRK receiver,thus providing an important reference of specification and model data standard for 3D modeling of oblique photogrammetry in the construction of digital cities．

Key words:oblique photogrammetry;3D city modeling;digital city;specifications for model products

文章編號(hào):1672-8262(2015)05-80-04中圖分類號(hào):P231

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

收稿日期:?2015—06—23

作者簡介:王丙濤(1978—),男,碩士,工程師,主要從事工作為數(shù)字城市和天地圖建設(shè)。

基金項(xiàng)目:江蘇省測繪地理信息科研項(xiàng)目(JSCHKY201419)