俞建人，李 濤，申淑娟

(1. 新昌縣地理信息中心，浙江 紹興 312500； 2. 江蘇易圖地理信息科技股份有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225000；3. 浙江省測(cè)繪科學(xué)技術(shù)研究院，浙江 杭州 310012)

傾斜攝影三維模型的房檐改正方法分析與精度評(píng)估

俞建人1，李 濤2，申淑娟3

(1. 新昌縣地理信息中心，浙江 紹興 312500； 2. 江蘇易圖地理信息科技股份有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225000；3. 浙江省測(cè)繪科學(xué)技術(shù)研究院，浙江 杭州 310012)

利用傾斜攝影技術(shù)生成的實(shí)景三維模型一般都僅僅作為一種瀏覽演示的方式，使用方式較為粗糙單一，其成果并沒(méi)有真正應(yīng)用到常規(guī)測(cè)繪產(chǎn)品生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)。本文對(duì)一種利用傾斜攝影三維模型的房檐改正方法進(jìn)行了分析與精度評(píng)估。在已有傾斜攝影快速建立三維模型的基礎(chǔ)上，采用建筑物立面散點(diǎn)正交原理直接對(duì)傾斜攝影三維模型居民地區(qū)域進(jìn)行去房檐采集。該方法提供了一種全內(nèi)業(yè)測(cè)圖的模式，對(duì)地形圖生產(chǎn)方法的改進(jìn)具有重要意義。

傾斜攝影三維模型；立面散點(diǎn)正交原理；房檐改正；精度評(píng)估

傾斜攝影技術(shù)以高清、實(shí)景的三維可視化方式感知城市真實(shí)場(chǎng)景，在我國(guó)的城市基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)建設(shè)中有著極大的發(fā)展?jié)摿涂臻g。近年來(lái)，我國(guó)城市化進(jìn)程加速，三維實(shí)景模型在城市規(guī)劃建設(shè)、城市管理信息化中得到了廣泛應(yīng)用，傾斜攝影技術(shù)在國(guó)內(nèi)得到爆發(fā)式發(fā)展。但利用傾斜攝影技術(shù)生成的實(shí)景三維模型一般僅僅作為一種瀏覽演示的方式，其成果并沒(méi)有真正應(yīng)用到常規(guī)測(cè)繪產(chǎn)品生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)。

在浙江省城市級(jí)1∶500地形圖生產(chǎn)中，因精度要求高，傳統(tǒng)上一般采用外業(yè)實(shí)測(cè)方法成圖，大規(guī)模采用航測(cè)方法進(jìn)行1∶500地形圖成圖難以滿(mǎn)足浙江省有關(guān)規(guī)范要求。其中浙江省地形圖的居民地房檐改正值ΔL檐均利用外業(yè)實(shí)測(cè)方法獲取，一般利用滴水線(xiàn)法、垂線(xiàn)法、全站儀實(shí)測(cè)法等。由于外業(yè)方法存在成本高、效率較低等缺點(diǎn)，該方法的研究與精度評(píng)估具有重要意義。

本著創(chuàng)新成圖方法與工藝流程的前提，本文提出一種基于傾斜攝影三維模型的房檐改正方法，并對(duì)其進(jìn)行精度評(píng)估。該方法直接在傾斜攝影三維模型中對(duì)建筑物立面進(jìn)行去房檐采集，常規(guī)房屋精度中誤差ΔS房一般包含房屋初采集誤差ΔS采、房檐改正誤差ΔS改，即ΔS房=ΔS采+ΔS改。該方法采集的房屋直接消除了房檐改正誤差ΔS改的影響，提高了房屋精度。與外業(yè)實(shí)測(cè)相比，采集精度能夠滿(mǎn)足浙江省1∶500地形圖精度要求，效率較高，具備全內(nèi)業(yè)測(cè)圖的潛力。

1 傾斜攝影三維模型

傾斜攝影技術(shù)通過(guò)從1個(gè)垂直、4個(gè)傾斜，即5個(gè)不同的視角同步采集影像，獲取到地表建筑頂面及側(cè)視的高分辨率影像數(shù)據(jù)，能夠真實(shí)反映地表情況，高精度地獲取物方紋理信息，通過(guò)先進(jìn)的多視匹配、快速建模、紋理映射等技術(shù)，建立真實(shí)的傾斜攝影三維模型。如圖1所示。

圖1 傾斜攝影

利用傳統(tǒng)的單基匹配模式難以在海量的傾斜影像上提取建模所需的同名點(diǎn)，隨計(jì)算機(jī)視覺(jué)發(fā)展起來(lái)的多基多視多角度影像匹配，通過(guò)利用多視多角度傾斜影像上的矢量特征信息如地形地貌邊緣、建筑邊緣和紋理來(lái)確定地物的三維表征特性。

在確定地物立面信息時(shí)，通過(guò)設(shè)置多樣化權(quán)重，將地物立面信息分為多重類(lèi)型，獲取地物的立面模型；再對(duì)立面進(jìn)行幾何重構(gòu)，獲取地物的高度信息和邊緣信息，建立白模。

根據(jù)傾斜攝影技術(shù)原理實(shí)現(xiàn)從同一空間位置的傾斜影像中提取出建筑物立面幾何結(jié)構(gòu)信息，并采用同一空間位置其他傾斜影像與正視影像數(shù)據(jù)進(jìn)行紋理信息配準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)傾斜攝影三維模型的紋理映射。如圖2、圖3所示。

圖2 實(shí)景三維模型(某小區(qū))

2 基于傾斜攝影三維模型房檐改正原理

1∶500 DLG生產(chǎn)中工作量最大的是房檐改正，房檐改正是否正確將直接影響地形圖的平面精度。

圖3 三維模型+三角網(wǎng)(某小區(qū))

常規(guī)立體采集的建筑物結(jié)構(gòu)一般由長(zhǎng)L頂長(zhǎng)、寬L頂寬、高L頂高構(gòu)成，以某一房腳點(diǎn)原點(diǎn)O構(gòu)成了以房屋為主體的物方空間直角坐標(biāo)系S。其真值可確定為長(zhǎng)L真長(zhǎng)、寬L真寬、高L真高。如圖4所示。

圖4 建筑物結(jié)構(gòu)及屬性空間示意圖

假定目標(biāo)房屋對(duì)邊房檐改正值ΔL檐相同，則有

(1)

常規(guī)外業(yè)實(shí)測(cè)采集房屋時(shí)，通過(guò)滴水線(xiàn)法、垂線(xiàn)法、全站儀實(shí)測(cè)法等，利用式(1)計(jì)算出ΔL檐1、ΔL檐2，由內(nèi)業(yè)編輯人員對(duì)房屋數(shù)據(jù)進(jìn)行房檐偏移改正。

本文利用快速建模完成的帶有實(shí)際地理位置坐標(biāo)的傾斜攝影三維模型數(shù)據(jù)，采用立面散點(diǎn)正交原理直接采集去除房檐的房屋邊線(xiàn)，無(wú)需計(jì)算ΔL檐1、ΔL檐2，直接實(shí)現(xiàn)常規(guī)意義上的房檐改正。

由于常規(guī)房屋相鄰邊線(xiàn)之間存在水平特性、平行特性、直角特性及等距特性，同時(shí)從房屋立面角度來(lái)看，墻面之間、墻面與屋頂之間同樣具有以上特性。這些特性條件是本文基于傾斜攝影三維模型房檐改正方法的基礎(chǔ)。

圖5中，左右兩個(gè)面分別為目標(biāo)房屋相鄰墻面立面示意圖，假定長(zhǎng)邊L1與短邊L2為目標(biāo)房屋兩條相鄰房屋邊線(xiàn)，A點(diǎn)為立面1中采集的首點(diǎn)，B點(diǎn)為立面1中采集的第2點(diǎn)，C點(diǎn)為立面2中采集的第3點(diǎn)。

圖5 建筑物立面散點(diǎn)正交原理

A點(diǎn)與B點(diǎn)不一定在同一高度，因此，以A點(diǎn)在長(zhǎng)邊L1上的垂足A′的所在高度為房屋采集的基準(zhǔn)高，B點(diǎn)在A點(diǎn)所在的水平線(xiàn)上的垂足為B′。同理，C點(diǎn)在以A點(diǎn)所在高度為基準(zhǔn)高的水平線(xiàn)上的垂足為C′，直線(xiàn)AC′與直線(xiàn)O1C′相交于O1點(diǎn)。

由于立面1與立面2為相鄰墻面，因此有

則有

AO1⊥O1C′

根據(jù)以上立面散點(diǎn)正交原理，在目標(biāo)房屋上依次采集剩余的第4點(diǎn)、第5點(diǎn)，同理可得立面2與立面3間的正交點(diǎn)O2，立面3與立面4間的正交點(diǎn)O3，立面4與立面1間的正交點(diǎn)O4。

正交點(diǎn)O1、O2、O3、O4構(gòu)成的面，即為目標(biāo)房屋實(shí)際占地邊線(xiàn)，也就是去除房檐后的實(shí)際房屋面。如圖6所示。

圖6 建筑物房檐改正

3 房檐改正試驗(yàn)

3.1 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)范圍選取新昌1∶500地形圖生產(chǎn)項(xiàng)目范圍內(nèi)新昌城東達(dá)利廣場(chǎng)圈、城西七星中心區(qū)及舊城區(qū)世貿(mào)廣場(chǎng)商圈等，采用傾斜攝影制作的快速建模三維模型中采集去除房檐的房屋，與試驗(yàn)區(qū)實(shí)測(cè)房屋數(shù)據(jù)進(jìn)行房檐改正精度對(duì)比。

提供的用于房檐改正的數(shù)據(jù)成果包含:①三維模型成果(OSGB格式)；②12幅圖試驗(yàn)區(qū)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。

3.2 改正方案

加載試驗(yàn)區(qū)傾斜攝影快速建模三維模型成果(*.osgb)，如圖7所示，選取目標(biāo)房屋，在目標(biāo)房屋上依次采集第1點(diǎn)至第5點(diǎn)，根據(jù)建筑物立面散點(diǎn)正交原理，自動(dòng)生成目標(biāo)房屋墻面之間的正交點(diǎn)O1、O2、O3、O4，自動(dòng)閉合構(gòu)成房屋面。

圖7 傾斜攝影快速建模三維模型

采集時(shí)需注意在選取立面散點(diǎn)時(shí)，應(yīng)選取立面上平整無(wú)凸起的區(qū)域，減小因快速建模出現(xiàn)的立面mesh面片精度誤差造成的采集誤差。

利用上述采集方法在選取的試驗(yàn)區(qū)內(nèi)隨機(jī)采集房屋，并將采集的房屋角點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行記錄。采集完成后，在試驗(yàn)區(qū)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中將對(duì)應(yīng)實(shí)測(cè)房屋的角點(diǎn)坐標(biāo)也進(jìn)行記錄，同時(shí)外業(yè)隨機(jī)對(duì)房屋進(jìn)行房檐改正復(fù)核檢測(cè)，為精度評(píng)估提供原始數(shù)據(jù)。

4 精度評(píng)估

4.1 測(cè)試比對(duì)

本次試驗(yàn)共采集房屋43棟，合計(jì)角點(diǎn)172個(gè)，將采集結(jié)果與試驗(yàn)區(qū)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，精度對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表1。

4.2 復(fù)核比對(duì)

本次復(fù)核比對(duì)采用內(nèi)業(yè)提供的七星社區(qū)全部?jī)A斜三維模型采集的房屋數(shù)據(jù)，外業(yè)在七星社區(qū)范圍內(nèi)隨機(jī)采集房屋角點(diǎn)，剔除明顯粗差點(diǎn)后，合計(jì)角點(diǎn)419個(gè)，將采集結(jié)果與外業(yè)復(fù)核檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，復(fù)核對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表2。

根據(jù)浙江省標(biāo)(DB33/T552—2014)及新昌項(xiàng)目設(shè)計(jì)具體要求，其地形圖平面精度要求見(jiàn)表3。

以上測(cè)量結(jié)果為新昌地方坐標(biāo)系坐標(biāo)，與實(shí)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行比對(duì)后形成最終的中誤差。從表1和表2可以看出，在傾斜攝影三維模型精度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的情況下，通過(guò)立面散點(diǎn)正交原理去房檐采集的房屋角點(diǎn)位置精度可以滿(mǎn)足新昌項(xiàng)目1∶500地形圖的平面控制精度要求。

表1 傾斜三維模型采集測(cè)試精度對(duì)比表 m

表2 傾斜三維模型采集外業(yè)復(fù)核精度對(duì)比表 m

表3 地物點(diǎn)相對(duì)鄰近控制點(diǎn)的點(diǎn)位與間距中誤差 m

5 結(jié) 語(yǔ)

本文以建筑物立面散點(diǎn)正交原理為理論基礎(chǔ)，以基于傾斜攝影三維模型的房檐改正方法為技術(shù)手段，采用三維模型直接進(jìn)行去房檐房屋的采集工作。

對(duì)直接采集的去房檐房屋角點(diǎn)、實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和復(fù)核檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行定量對(duì)比分析后發(fā)現(xiàn)，基于傾斜攝影三維模型的房檐改正方法能夠滿(mǎn)足浙江省1∶500地形圖生產(chǎn)中的平面精度要求；同時(shí)省去了外業(yè)采集房檐改正值的繁瑣工作，消除了房屋精度中的房檐改正誤差，能夠大大提升1∶500地形圖的成圖效率及成圖精度。

[1] 李安福,曾政祥,吳曉明.淺析國(guó)內(nèi)傾斜攝影技術(shù)的發(fā)展[J].測(cè)繪與空間地理信息,2014(9)：57-59.

[2] 李諾夫.屋檐自動(dòng)改正方法探討[J].測(cè)繪通報(bào),1996(6)：9-10.

[3] 田野,向宇,高峰,等.利用Pictometry傾斜攝影技術(shù)進(jìn)行全自動(dòng)快速三維實(shí)景城市生產(chǎn)[J].測(cè)繪通報(bào),2013(2):59-66.

[4] 張?zhí)烨?基于機(jī)載傾斜攝影數(shù)據(jù)的自動(dòng)貼紋理方法研究[J].測(cè)繪通報(bào),2015(6):69-71.

[5] 朱國(guó)強(qiáng),劉勇,程鵬正.無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)支持下的三維精細(xì)模型制作[J].測(cè)繪通報(bào),2016(9)：151-152.

[6] 張春森，張衛(wèi)龍，郭丙軒，等.傾斜影像的三維紋理快速重建[J].測(cè)繪學(xué)報(bào),2015,44(7):782-790.

[7] 王強(qiáng).基于滅點(diǎn)及畫(huà)法幾何原理的屋檐改正方法[J].國(guó)土資源導(dǎo)刊,2007，4(5)：28-30.

[8] 李鎮(zhèn)洲,張學(xué)之.基于傾斜攝影測(cè)量技術(shù)快速建立城市3維模型研究[J].測(cè)繪與空間地理信息,2012，35(4)：117-119.

[9] 張劍清,王強(qiáng).基于近景單影像的房檐改正計(jì)算方法[J]. 武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(信息科學(xué)版),2007,32(12):1091-1094.

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

[11] 張平,劉怡,蔣紅兵.基于傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的“數(shù)字資陽(yáng)”三維建模及精度評(píng)定[J].測(cè)繪,2014(3)：115-118.

[12] 薄正權(quán),張宇.傾斜攝影在長(zhǎng)春市城市建模中的應(yīng)用[J].城市勘測(cè),2016(3)：93-96.

[13] 李祎峰,宮晉平,楊新海,等.機(jī)載傾斜攝影數(shù)據(jù)在三維建模及單斜片測(cè)量中的應(yīng)用[J].遙感信息,2013，28(3)：102-106.

[14] 林月冠.傾斜攝影技術(shù)在災(zāi)后建筑物損毀評(píng)估中的應(yīng)用分析[J].地理信息世界,2016,23(1):108-114.

[15] 黃楊.傾斜攝影開(kāi)創(chuàng)實(shí)景三維智慧城市新時(shí)代[J].中國(guó)建設(shè)信息化,2016(23):22-25.

Analysis and Accuracy Evaluation of Eave Correction Based on Oblique Photography 3D Model

YU Jianren1，LI Tao2，SHEN Shujuan3

(1. Xinchang Geographic Information Center, Shaoxing 312500, China; 2. Jiangsu Easymap Geographic Information Technology Co.Ltd.， Yangzhou 225000, China; 3. Zhejiang Academy of Surveying & Mapping, Hangzhou 310012, China)

3D model, generated by oblique photography technology generally, is usually used as a way to browse the demo nstration. Its usage is simple and crude. Thus, the results are not really applied to each link of conventional surveying and mapping production. This paper studies the accuracy evaluation for method of eave correction based on oblique photography 3D model.On the basis of the exised oblique photography 3D model,we use the facade messy point orthogonal principle to correct the eaves of oblique photography 3D model of residential area. This method provides a kind of intra industry mapping model, which is of great significance to the improvement of topographic map production.

oblique photography 3D model; the facade messy point orthogonal principle; eave correction; accuracy evaluation

俞建人，李濤，申淑娟.傾斜攝影三維模型的房檐改正方法分析與精度評(píng)估[J].測(cè)繪通報(bào)，2017(5)：75-78.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0158.

2017-03-10

俞建人(1963—)，男，工程師，主要從事測(cè)繪與地理信息管理及工程測(cè)量工作。E-mail:385139085@qq.com

P237

A

0494-0911(2017)05-0075-04