張志高

摘要：傾斜航空攝影具備有效地獲取地物側(cè)面紋理、可對(duì)同一地區(qū)進(jìn)行多視角重復(fù)觀測(cè)，能獲得更符合人眼視覺的直觀世界的影像等優(yōu)勢(shì)，因而被廣泛應(yīng)用于數(shù)字三維城市建模等領(lǐng)域。本人日常工作包含了航空測(cè)量相關(guān)方面的內(nèi)容，本文就是基于多年的測(cè)量經(jīng)驗(yàn)，對(duì)利用傾斜影像進(jìn)行三維數(shù)字城市重建中的特點(diǎn)、同名點(diǎn)匹配以及獲取建筑物模型等內(nèi)容進(jìn)行分析，以供參考。

關(guān)鍵字：傾斜影像；三角測(cè)量；原理；模型

中圖分類號(hào)：P23 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

引言

由于傾斜攝影技術(shù)在獲取紋理的同時(shí)，其搭載的傾斜相機(jī)能夠同時(shí)獲得地物的側(cè)面紋理，使得航空傾斜攝影技術(shù)逐漸成為研究熱點(diǎn)。但是由于傾斜視角的問題，導(dǎo)致獲得的相片遮擋嚴(yán)重，相片內(nèi)部的尺度不一，造成了數(shù)據(jù)處理上的困難。因此，正確認(rèn)識(shí)并運(yùn)用傾斜影像技術(shù)，對(duì)解決傾斜影像用于城市三維建模的難題具有重要作用。

1傾斜影像的特點(diǎn)

傾斜影像相對(duì)于垂直影像有三大特點(diǎn)：相片傾斜角大、相片尺度不均一、遮擋問題嚴(yán)重。第一，傾斜角：傾斜角的大小是判斷是否為傾斜影像的根本依據(jù)，按照傾斜角度的不同將影像分成三類，垂直影像、低傾斜角影像和高傾斜角影像；第二，變化的尺度：由于傾斜角的存在，影像的尺度是變化的，影像在地面上的投影形狀為梯形，前景的分辨率比后景的要高；第三，遮擋：由于常規(guī)攝影儀焦距不可變，遮擋問題會(huì)隨著飛行高度的降低和傾斜角度的加大變的更嚴(yán)重，實(shí)際作業(yè)過程中常使用增加航向和旁向重疊度來減少遮擋造成的影響。

2航空傾斜影像的處理研究

航空攝影測(cè)量的主要任務(wù)是將地面的中心投影變換為正射投影。隨著科技的進(jìn)步，人們對(duì)航拍及測(cè)繪技術(shù)的應(yīng)用逐漸廣泛，通過該方法，可以對(duì)得到的照片進(jìn)行處理，得到三維數(shù)據(jù)進(jìn)而繪制輸出圖紙，同時(shí)對(duì)建筑物等形狀復(fù)雜的目標(biāo)可進(jìn)行近距離、多角度三維測(cè)繪。下面針對(duì)傾斜影像處理中的幾項(xiàng)關(guān)鍵問題展開分析。第一，幾何問題：幾何問題實(shí)際上指的是如何獲得每張傾斜影像攝影時(shí)刻的姿態(tài)和位置的問題，其中主要有兩個(gè)難點(diǎn)，分別是傾斜影像間同名點(diǎn)的匹配問題、多相機(jī)的聯(lián)合平差問題；第二，點(diǎn)云的生成：通過傾斜影像的密集匹配得到表達(dá)地表的密集點(diǎn)云是傾斜影像處理的關(guān)鍵步驟，傾斜影像進(jìn)行密集匹配生成稠密點(diǎn)云有三個(gè)難點(diǎn)：巨大的影像間的透視差異、傾斜影像內(nèi)部的地面采樣元不一致、高度的冗余性造成大量噪聲；第三，表面重建：在獲得密集的三維點(diǎn)云的基礎(chǔ)上重建出物體的表面是傾斜影像建模的另一重要問題，基于泊松方程的表面構(gòu)建算法、基于水平集的算法等都可以較有效地解決三維點(diǎn)云構(gòu)建地物表面的問題；第四，紋理映射：在構(gòu)建完成三維表面后，需要為三維表面賦著紋理，并且通過相應(yīng)的計(jì)算公式，將其紋理相片得分計(jì)算出來，并把得分最高的相片作為紋理候選片，該方法能夠改善紋理映射問題。

3航空三角測(cè)量?jī)A斜影像的同名點(diǎn)匹配

3.1確定影像連接關(guān)系

數(shù)字城市重建是一個(gè)巨大的工程，需要一個(gè)全自動(dòng)化的處理流程，因而不能依賴人工處理。在進(jìn)行同名點(diǎn)匹配的時(shí)候，可以采取以下方式進(jìn)行：利用數(shù)據(jù)及其飛行高度計(jì)算每張影像在地面上的投影四邊形；對(duì)任意兩個(gè)具有重疊的四邊行，計(jì)算重疊面積與原始多邊形的面積的比值，取兩比值之間的最小值，并設(shè)此比值為重疊度值；給定閾值，設(shè)定重疊度小于閾值的像為不存在連接關(guān)系，反之則認(rèn)為可能存在連接。如圖1所示，就是根據(jù)重疊度判讀連接性原理。

3.2利用虛擬水平相片進(jìn)行特征點(diǎn)提取與描述

由于同名點(diǎn)的確定需要通過匹配特征點(diǎn)之間的描述完成，因此需要保證特征點(diǎn)的描述具備適應(yīng)這種尺度不均一的影像的特性，或者尋求解決視點(diǎn)變化帶來的尺度不一致的問題的方法。計(jì)算虛擬水平相片的過程如下：首先給定一個(gè)虛擬的平面，利用影像的方位元素計(jì)算相片在該平面上的投影多邊形；其次，計(jì)算相片中心在該平面上的大小，并以此為釆樣間隔將投影多邊形中的每個(gè)釆樣反算至原始影像中獲取灰度信息。

3.3特征點(diǎn)匹配

特征點(diǎn)的匹配只在具有連接關(guān)系的影像間進(jìn)行，由于任何匹配算法都避免不了誤匹配的存在，因而必須采取一定的措施減少誤匹配。在實(shí)際工作中，可以采用雙向匹配策略，計(jì)算出基本矩陣進(jìn)行核線約束，并設(shè)定上下視差的距離閾值，以剔除部分不滿足核線約束條件的誤匹配點(diǎn)。

4利用影像高程同步模型獲取建筑物模型

4.1影像高程同步模型概述

影像高程同步模型存儲(chǔ)了每一單元的真實(shí)高程信息，從而形成建筑物等地物目標(biāo)的真實(shí)三維表達(dá)模型，其中，地形表面的高程信息來自于數(shù)字高程模型。建筑物墻體在影像高程同步模型中看起來仍是傾斜的，這是因?yàn)槠浔Ａ袅嗽嫉膸缀瓮队瓣P(guān)系。影像高程同步模型的產(chǎn)生是一個(gè)幾何投影關(guān)系重建的過程，其流程主要分為數(shù)據(jù)獲取、影像高程同步模型構(gòu)建、多余點(diǎn)去除和柵格化處理四大部分。

4.2影像高程同步模型用于大比例尺城市測(cè)圖

在三維數(shù)字城市建設(shè)、城區(qū)規(guī)劃中，城市建筑物是人們關(guān)注的重點(diǎn)。在傳統(tǒng)的攝影測(cè)量處理中，一般采用立體像來提取建筑物的三維信息，但需要投入大量的人力、物力，速度慢、效率低，不能反映城市發(fā)展的現(xiàn)狀。在文檔對(duì)象模型上，一旦獲得了一個(gè)建筑物的屋頂?shù)钠矫婧透叱绦畔?，利用?shù)字高程模型即可方便快速地建立起一個(gè)簡(jiǎn)單的建筑物三維模型，這是一個(gè)半自動(dòng)的過程，使用矢量化制圖工具在文檔對(duì)象模型上勾繪建筑物屋頂?shù)妮喞€，得到一個(gè)帶高程值的平面矢量圖形文件，再利用數(shù)字高程模型的地形高程信息，自動(dòng)計(jì)算出建筑物的高，從而自動(dòng)完成該棟建筑物三維模型的構(gòu)建。

4.3傾斜影像在影像高程同步模型測(cè)圖上的應(yīng)用

傾斜影像的加入能夠?yàn)楂@得的三維模型提供高質(zhì)量的側(cè)面紋理，將獲得的白模賦上紋理，具有可視化的效果。城市建筑物的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不可避免的會(huì)出現(xiàn)攝影死角，因而，對(duì)于這些死角的紋理的修補(bǔ)依然是個(gè)問題.可選擇的方案有兩種：一是利用周邊的紋理進(jìn)行修補(bǔ)；二是通過地面影像補(bǔ)拍進(jìn)行貼圖。圖2展示了傾斜影像攝影死角的示例

結(jié)語

當(dāng)前，傾斜視角的存在導(dǎo)致了影像內(nèi)容發(fā)生了巨大變化，使得影像內(nèi)部的尺度不一致，且大傾角使得遮擋嚴(yán)重。數(shù)字城市三維重建需要矢量數(shù)據(jù)和獨(dú)立的建筑物模型數(shù)據(jù)，利用傾斜影像可以將測(cè)圖獲得的建筑物模型賦上紋理，獲得更具可視化效果的地物模型。在今后的工作中，加強(qiáng)對(duì)該技術(shù)的應(yīng)用和完善，對(duì)促進(jìn)城市更好的發(fā)展具有重要意義。

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