連 蓉，丁 憶，羅 鼎，魏文杰，李朋龍，林 熙

(重慶市地理信息中心，重慶 401121)

傾斜攝影與近景攝影相結(jié)合的山地城市實(shí)景三維精細(xì)化重建與單體化研究

連 蓉，丁 憶，羅 鼎，魏文杰，李朋龍，林 熙

(重慶市地理信息中心，重慶 401121)

無人機(jī)傾斜攝影實(shí)景三維模型是一種能夠?qū)?fù)雜山地環(huán)境較好感知和表達(dá)的有效手段之一。本文針對復(fù)雜山地城市開展傾斜攝影實(shí)景三維存在的問題，提出了適應(yīng)于山地區(qū)域的多尺度的影像獲取策略，并通過與近景攝影測量融合建模的方法，實(shí)現(xiàn)了對山地城市傾斜攝影實(shí)景三維模型精細(xì)化建模的目的；同時(shí)，對實(shí)景三維模型的單體化方法進(jìn)行了介紹及對比分析，對后期山地城市開展傾斜攝影提供了一定的技術(shù)參考。

山地城市；垂直起降無人機(jī)；實(shí)景三維模型

近年來，隨著無人機(jī)技術(shù)和傾斜攝影技術(shù)的快速發(fā)展，利用無人機(jī)搭載多鏡頭傳感器進(jìn)行傾斜攝影，快速生成城市的實(shí)景三維模型，已成為獲取三維地理信息數(shù)據(jù)的重要手段[1]，其真實(shí)、高效地對地面人工建筑和自然地表同時(shí)獲取與表達(dá)的特點(diǎn)，更能準(zhǔn)確直觀地表達(dá)出復(fù)雜山地環(huán)境下的立體地表空間。但是，在實(shí)景三維模型的應(yīng)用過程中發(fā)現(xiàn)，其存在“可遠(yuǎn)觀不可近看，可瀏覽不可查詢”的問題，這些問題直接制約著傾斜實(shí)景三維模型更為廣泛的應(yīng)用，解決該問題是其深入到行業(yè)應(yīng)用的關(guān)鍵，因此本文從實(shí)景三維模型的精細(xì)化及單體化兩方面進(jìn)行探討研究，對進(jìn)一步提高山地環(huán)境下實(shí)景三維模型精細(xì)化程度和實(shí)景三維模型單體化應(yīng)用提出建議和參考。

1 研究思路與技術(shù)路線

無人機(jī)傾斜攝影實(shí)景三維建模具有數(shù)據(jù)獲取效率高、模型效果更真實(shí)、細(xì)節(jié)更豐富、建模成本更低等諸多優(yōu)勢[2]，但因重慶復(fù)雜的山地情況及空中攝影采集角度的局限，對建筑貼近地面區(qū)域及被屋檐遮擋區(qū)域會造成地物的細(xì)節(jié)紋理信息不足或丟失，導(dǎo)致實(shí)景三維模型放大后會存在局部拉花及漏洞等問題，為了解決該問題，本文嘗試從前端優(yōu)化數(shù)據(jù)采集和后端傾斜與近景融合建模的方式進(jìn)行實(shí)景三維模型精細(xì)化重建的方法研究。單體化方面，對現(xiàn)階段行業(yè)中各類單體化方法進(jìn)行試驗(yàn)及對比分析，具體技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 技術(shù)路線

2 無人機(jī)傾斜攝影系統(tǒng)

2.1 垂直起降無人機(jī)飛行系統(tǒng)

用于影像獲取的無人機(jī)飛行器主要有旋翼無人機(jī)和固定翼無人機(jī)兩類[3]，其中旋翼無人機(jī)系統(tǒng)對起飛著陸地點(diǎn)要求較低，能夠垂直起降，但其載荷較小，續(xù)航能力較短，一般為15～30 min[4]，如圖2(a)所示。固定翼無人機(jī)一般采用彈射或手拋式起飛，然后受螺旋槳或渦輪發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的推力向前飛行，具有飛行速度快，運(yùn)載能力大的特點(diǎn)[3]，如圖2(b)所示，但因其需要采用傘降或直接著陸等方式進(jìn)行降落，因此對起降場地要求較高。為了更好地發(fā)揮兩類無人機(jī)的優(yōu)勢，很多無人機(jī)生產(chǎn)廠家將旋翼無人機(jī)和固定翼兩種無人機(jī)進(jìn)行了結(jié)合，研發(fā)了垂直起降式無人機(jī)，其具備固定翼無人機(jī)的長航時(shí)、大載荷，同時(shí)具有旋翼無人機(jī)的垂直起降能力[5]，如圖2(c)所示，特別適用于復(fù)雜山地城市環(huán)境下無人機(jī)起降及多鏡頭相機(jī)系統(tǒng)搭載，能夠執(zhí)行大面積的遙感數(shù)據(jù)資源獲取任務(wù)。

圖2 無人機(jī)飛行器

垂直起降固定翼傾斜攝影采集系統(tǒng)主要包括飛行器系統(tǒng)、傾斜相機(jī)系統(tǒng)、飛行控制系統(tǒng)、地面控制系統(tǒng)以及差分GPS系統(tǒng)[5]。作業(yè)過程中，首先在地面控制系統(tǒng)中按照作業(yè)規(guī)范及要求進(jìn)行任務(wù)區(qū)航線規(guī)劃，然后與飛行控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，輸出航線規(guī)劃數(shù)據(jù)，飛行器搭載傾斜相機(jī)系統(tǒng)按照航線規(guī)劃進(jìn)行飛行作業(yè)，地面控制系統(tǒng)同時(shí)接收飛機(jī)飛行軌跡和狀態(tài)信息對作業(yè)過程進(jìn)行時(shí)時(shí)監(jiān)控。在實(shí)施飛行作業(yè)前，地面差分GPS系統(tǒng)開啟，開始接收衛(wèi)星信號，飛機(jī)實(shí)施作業(yè)后與地面差分GPS系統(tǒng)同時(shí)接收衛(wèi)星信號，實(shí)現(xiàn)后差分衛(wèi)星定位解算，以提高GPS定位精度，在飛行過程中，如遇緊急狀況時(shí),可切換成手控操作飛行進(jìn)行輔助降落。

2.2 傾斜攝影系統(tǒng)

為了獲取更多的地物紋理信息，往往需要在飛行平臺搭載多個(gè)相機(jī)，受飛行器的載荷所限，相機(jī)系統(tǒng)組合主要有兩鏡頭、五鏡頭以及單鏡頭，在飛行過程中，多個(gè)相機(jī)系統(tǒng)采用同步曝光方式采集地面不同角度的影像信息，同時(shí)通過POS系統(tǒng)獲取與每組曝光影像相對應(yīng)位置及姿態(tài)信息，從而得到用于實(shí)景建模的影像及位置姿態(tài)文件[6、2]。

2.2.1 五鏡頭傾斜相機(jī)

五頭傾斜相機(jī)是由5個(gè)相機(jī)進(jìn)行拼接組合，如圖3(a)所示，通過一次飛行，分別從前、后、左、右、垂直5個(gè)方向?qū)Φ匚镞M(jìn)行拍攝[2]。優(yōu)點(diǎn)是采集效率高、地物成像重疊度大；缺點(diǎn)是設(shè)備較重，需配合載荷較大、續(xù)航能力較長的無人飛行器進(jìn)行搭載。

2.2.2 兩鏡頭傾斜相機(jī)

兩鏡頭傾斜相機(jī)是由2個(gè)相機(jī)按照一定角度進(jìn)行拼接集成，如圖3(b)所示。采用2鏡頭傾斜相機(jī)通過一次飛行只可獲取2個(gè)角度的影像，因此需要進(jìn)行航線交叉飛行，最后補(bǔ)飛正下視影像。兩鏡頭相機(jī)優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備輕，較為靈活，可利用旋翼無人機(jī)進(jìn)行搭載；缺點(diǎn)是，同一區(qū)域需要飛行兩次，還需補(bǔ)拍正下視，影像采集周期長。

2.2.3 單鏡頭相機(jī)[7]

單鏡頭傾斜采集是用可實(shí)時(shí)調(diào)整云臺的旋翼無人機(jī)，如圖3(c)所示，鏡頭朝向目標(biāo)建筑，進(jìn)行單鏡頭連續(xù)拍攝或環(huán)繞飛行。

圖3 無人機(jī)傾斜相機(jī)

3 山地城市實(shí)景三維精細(xì)化建模研究

3.1 影像獲取

3.1.1 多尺度的傾斜攝影數(shù)據(jù)獲取

實(shí)景三維建模對原始影像分辨率要求較高，而受相機(jī)焦距所限，飛行的相對高差一般在100～300 m之間，而山城重慶，城市依山而建，形成了城在山上、山在城中的城市格局[8]，通過一次飛行獲取的影像地面分辨率相差較大，影響最終模型效果的統(tǒng)一性，且很難按照傳統(tǒng)方式進(jìn)行分區(qū)航攝，因此在復(fù)雜的山地城市環(huán)境下進(jìn)行傾斜攝影，需要多種作業(yè)模式結(jié)合，針對不同重建目標(biāo)，形成不同的影像獲取方案。通過研究測試，建議在城市級的大場景傾斜影像數(shù)據(jù)獲取過程中，首先可采用垂直起降長航時(shí)固定翼無人機(jī)搭載五鏡頭傾斜相機(jī)系統(tǒng)，相對航高500 m左右進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取，在此基礎(chǔ)上，對區(qū)域內(nèi)高程較低的建筑區(qū)采用輕型電動固定翼或旋翼無人機(jī)搭載兩鏡頭傾斜相機(jī)，相對行高300 m左右進(jìn)行加密飛行；然后對古建筑、地標(biāo)性建筑可采用旋翼單鏡頭無人機(jī)，貼近建筑或環(huán)繞建筑飛行，獲取更多側(cè)面紋理，通過多尺度的影像獲取策略，保證實(shí)景模型建模效果。

3.1.2 地面近景拍攝

地面近景拍攝可采用單反相機(jī)、手機(jī)、手持云臺等各種方式，首先需要確定地面與空中采集影像具有一定的重疊范圍，然后按照建模分辨率的要求及所采用設(shè)備的焦距計(jì)算合適的拍攝距離。

近景拍攝實(shí)施過程中，最好選擇定焦鏡頭，不建議使用閃光燈、光學(xué)防抖、數(shù)碼變焦等功能。拍攝航向重疊度約70%-80%，旁向重疊度約為60%-70%，兩張連續(xù)照片之間的拍攝夾角小于15°。本次試驗(yàn)采用GigapanEPIC Pro智能云臺輔助全畫幅單反相機(jī)，按照拍攝目標(biāo)制定航線及重疊度，可以進(jìn)行自動化的近景拍攝，能夠盡量避免影像采集不規(guī)范而給后期數(shù)據(jù)處理帶來難度。地面近景拍攝如圖4所示。

圖4 地面近景拍攝設(shè)備

3.2 融合建模

ConTextCapurecent實(shí)景建模系統(tǒng)支持多種數(shù)據(jù)源融合建模[9]，采集端獲取的多尺度影像，如果都帶有地理坐標(biāo)，可將所有影像一起進(jìn)行聯(lián)合建模，如果獲取地面近景影像無對應(yīng)的地理坐標(biāo)，則需要分別處理。利用ConTextCapurecent進(jìn)行多源數(shù)據(jù)融合建模，首先對空中傾斜攝影數(shù)據(jù)和地面近景拍攝數(shù)據(jù)分別進(jìn)行空中三角測量，獲取每一張影像的外方位元素同時(shí)生成三維尺度的、高密度的點(diǎn)云，并將二者融合，然后基于融合后的空三成果和點(diǎn)云數(shù)據(jù)提取深度圖并構(gòu)建三維TIN，同時(shí)對三維TIN進(jìn)行平滑和簡化，最后根據(jù)三維TIN的空間位置信息，獲取最佳視角的原始影像，自動映射紋理，即可形成高精度的實(shí)景三維模型。

對重慶市某區(qū)域采用本文所提出的多尺度的影像獲取和與近景攝影測量融合建模兩種方式進(jìn)行了試驗(yàn)研究，通過獲取的多尺度的影像聯(lián)合建模，模型效果有明顯提升。圖5(a)、圖5(d)為五鏡頭傾斜數(shù)據(jù)直接建模效果；圖5(b)為在五鏡頭的基礎(chǔ)上采用兩鏡頭加密后的建模效果；對于屋檐遮擋區(qū)域采用與近景融合的方式進(jìn)行實(shí)景建模其側(cè)面紋理效果有很大提升，如圖5(c)所示；對于高層獨(dú)立建筑、如塔等，采用旋翼無人機(jī)環(huán)繞飛行對其實(shí)景模型效果改善顯著，如圖5(e)所示。

圖5 精細(xì)化建模效果

4 實(shí)景三維模型單體化

4.1 物理單體化

物理單體化是通過人工重建的方式將地面、建筑、道路及城市部件形成一個(gè)可被選中分離的實(shí)體，可以附加屬性，可以實(shí)現(xiàn)查詢統(tǒng)計(jì)、分析等功能[10]。目前可以實(shí)現(xiàn)物理單體化的軟件主要有DPModeler、SVSModeler及Oblique Sketch等，這三款單體化軟件都是以傾斜影像的空三加密成果為基礎(chǔ)，然后進(jìn)行建筑邊界提取、自動紋理映射及三維場景重構(gòu)等過程，其中DPModeler是國內(nèi)較早的一款實(shí)景三維重建軟件，應(yīng)用較廣；SVSModeler是將立體測圖系統(tǒng)及3ds Max進(jìn)行了功能集成，工作人員需帶立體眼鏡在立體環(huán)境下進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，然后根據(jù)采集的建筑邊界自動生成三維模型；Oblique Sketch是基于Sketchup進(jìn)行的開發(fā)和集成，充分發(fā)揮了Sketchup高效、簡單易用的優(yōu)勢，上手較為容易，對作業(yè)人員要求較低。本文以DPModeler為例，詳細(xì)介紹物理單體化的實(shí)現(xiàn)過程。

4.1.1 DPModeler物理單體化技術(shù)路線

DPModeler是一款可對三維模型進(jìn)行精細(xì)化修飾的單體化軟件[11]，其可針對第三方建模軟件(ContextCapture、街景工廠、Photo Mesh)自動建模的成果進(jìn)行單體化精修、懸浮物刪除等工作，可得到精細(xì)化模型，達(dá)到后期應(yīng)用要求，其單體化精修流程如圖6所示。

圖6 DPModeler軟件單體化流程

4.1.2 DPModeler物理單體化過程

利用傾斜攝影可實(shí)現(xiàn)單張影像測量原理，在垂直影像上獲取頂部結(jié)構(gòu)，四周傾斜影像上獲取房屋立面結(jié)構(gòu)信息，對其進(jìn)行推拉、編輯、調(diào)整得到最終模型。利用傾斜攝影建筑物側(cè)面紋理可采集的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)模型貼圖自動從影像中采集，一鍵完成模型貼圖，從而實(shí)現(xiàn)單體化模型精修效果，如圖7所示。

4.2 邏輯單體化

邏輯單體化是指利用已有的房屋面、道路面等二維矢量數(shù)據(jù)，通過與三維模型進(jìn)行疊加、高亮顯示，并通過矢量面進(jìn)行屬性信息掛接，從而實(shí)現(xiàn)可被單獨(dú)選中、查詢并賦予屬性的效果。本研究結(jié)合Skyline、SuperMap兩款軟件進(jìn)行了單體化測試。如圖8所示。

圖7 DPModeler單體化過程

圖8 邏輯單體化效果

4.3 單體化對比分析

本文對物理單體化和邏輯單體化兩種單體化方式的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了對比分析，其中物理單體化軟件都可對模型進(jìn)行精細(xì)化及單體化處理，但其需要逐個(gè)地物進(jìn)行人工勾繪，工作量較大，效率較低；二維矢量與三維模型相結(jié)合的邏輯單體化方法使用較為靈活，工作量相對較小，但現(xiàn)有平臺所實(shí)現(xiàn)的效果和兼容性有待提升，對比總結(jié)見表1。

表1 單體化系統(tǒng)對比

5 結(jié) 語

在復(fù)雜山地城市實(shí)施傾斜攝影可通過對飛行方案的優(yōu)化，針對不同的建模目標(biāo)采用與之相適應(yīng)的相機(jī)系統(tǒng)及飛行策略進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，可大幅提升實(shí)景三維模型效果；采用傾斜與近景攝影測量聯(lián)合建模的方式，對模型側(cè)面紋理效果有很大提升，但地面采集工作量大，適用于小區(qū)域、古建筑或地標(biāo)性建筑；實(shí)景三維模型單體化方面，對現(xiàn)有單體化方法和平臺進(jìn)行了介紹及對比分析，為后期山地城市開展傾斜攝影提供了一定的技術(shù)參考。

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Researchon3DFineReconstructionandModelSinglingofMountainousCityCombinedwithObliquePhotographyandCloseRangePhotography

LIAN Rong,DING Yi,LUO Ding,WEI Wenjie,LI Penglong，LIN Xi

(Chongqing Geomatics Centre, Chongqing 401121, China)

The actual 3D model based on the UAV oblique photography is an effective way to perceive and express the complex mountain environment. To solve the problems in the generation of actual 3D model based on oblique photography for mountainous cities, a multi-scale image acquisition strategy suitable for mountainous region and a method of fusion modeling with close range photogrammetry is proposed in this paper. Experiments show that this method realizes the goal of precise modeling of the actual 3D model of oblique photography in mountainous cities. And then, the methods of actual 3D model’s singling are introduced and compared. This paper provides some technical references for developing oblique photography in mountainous cities in the future.

mountainous cities; vertical take-off and landing UAV; oblique photography

連蓉，丁憶，羅鼎,等.傾斜攝影與近景攝影相結(jié)合的山地城市實(shí)景三維精細(xì)化重建與單體化研究[J].測繪通報(bào)，2017(11)：128-132.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0362.

P23

A

0494-0911(2017)11-0128-05

2017-08-07

社會事業(yè)與民生保障科技創(chuàng)新專項(xiàng)(cstc2017shmsA1380)

連 蓉(1988—)，女，助理工程師，從事無人機(jī)低空遙感及實(shí)景三維等相關(guān)研究工作。E-mail: Lianrong@dl023.net