李想，張春奎，汪彬，韓冰

(1.中國人民解放軍61363部隊，陜西 西安 710054； 2.西安市勘察測繪院，陜西 西安 710054)

傾斜攝影實景三維建模技術(shù)探討與實踐

李想1*，張春奎2，汪彬2，韓冰2

(1.中國人民解放軍61363部隊，陜西 西安 710054； 2.西安市勘察測繪院，陜西 西安 710054)

傾斜攝影技術(shù)是近幾年興起的一項新的測繪技術(shù)。簡要介紹了該項技術(shù)原理，總結(jié)了利用傾斜攝影技術(shù)生產(chǎn)實景三維數(shù)據(jù)的技術(shù)路線，通過實踐驗證了該項技術(shù)在城市大比例尺實景三維建模產(chǎn)方面的可行性，為城市快速開展大面積三維建模探索了新的途徑。

傾斜攝影；實景三維建模；大比例尺

1 前 言

傾斜攝影技術(shù)是國際測繪領(lǐng)域近些年發(fā)展起來的一項高新技術(shù)。相比基于DLG或高分辨率DOM數(shù)據(jù)、外業(yè)紋理照片，采用3ds Max、AutoCAD、Photoshop等建模軟件的傳統(tǒng)人工三維建模方式，具有效率高、周期短、數(shù)據(jù)真實以及測繪精度高等優(yōu)點，在測繪、規(guī)劃、國土、交通、應(yīng)急指揮、公共安全、地質(zhì)災(zāi)害評估、城市精細(xì)化管理等方面逐步得到廣泛應(yīng)用，受到越來越多行業(yè)管理者的認(rèn)可與青睞。

就目前技術(shù)發(fā)展而言，傾斜實景三維建模技術(shù)可分為兩種：①機(jī)載激光雷達(dá)和機(jī)載傾斜攝影相結(jié)合技術(shù)；②完全傾斜航空攝影實景三維建模技術(shù)。本文就機(jī)載激光雷達(dá)和機(jī)載傾斜攝影相結(jié)合技術(shù)做一探討，并利用該技術(shù)在西安市長安區(qū)進(jìn)行了 1∶1 000比例尺精度的實景三維模型數(shù)據(jù)生產(chǎn)實踐。

2 技術(shù)原理

機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)(LiDAR系統(tǒng))是一種利用飛行器作為載體，對地球表面進(jìn)行掃描來獲取地球表面高精度、高密度激光點云數(shù)據(jù)的一種新型的對地觀測技術(shù)。機(jī)載LiDAR施測后得到的數(shù)據(jù)為GPS數(shù)據(jù)、激光測距數(shù)據(jù)、姿態(tài)數(shù)據(jù)，這幾種數(shù)據(jù)聯(lián)合解算得到點云數(shù)據(jù)。利用點云濾波處理軟件，將點云數(shù)據(jù)按照地面點和非地面點進(jìn)行分類，分別構(gòu)建高精度數(shù)字高程模型(DEM)和地上各類要素三維模型骨架。傾斜攝影測量技術(shù)是一種從多角度觀測的攝影測量技術(shù)，通過統(tǒng)一飛行平臺上搭載的多臺傳感器，同時從多個角度(五鏡頭和三鏡頭傾斜相機(jī))獲取高分辨率影像數(shù)據(jù)，采用傳統(tǒng)攝影測量技術(shù)解算處每張影像的空間地理位置信息。在統(tǒng)一的空間參考坐標(biāo)系下，基于分類的點云數(shù)據(jù)，采用影像融合和自動匹配技術(shù)，將傾斜影像自動匹配到相應(yīng)空間的三維模型骨架上，從而快速構(gòu)建成實景三維模型數(shù)據(jù)。

3 航攝儀介紹

3.1 機(jī)載激光掃描系統(tǒng)(ALS70-HP)

ALS70是可搭載在多種航空飛行平臺上獲取地表激光反射數(shù)據(jù)的機(jī)載激光掃描集成系統(tǒng)，可全天候進(jìn)行航空遙感作業(yè)。最大脈沖頻率 500 kHz，航攝高度 200 m～3 500 m，最大掃描角度75°最大存儲容量 500 G。它采用了新的控制系統(tǒng)和測量系統(tǒng)的模塊化處理，同一系統(tǒng)在相同高度上可運行雙倍的脈沖頻率，結(jié)合Leica MPiA(空中內(nèi)插多脈沖發(fā)射技術(shù))技術(shù)能大大提高點云密度和工作效率，快速獲取高精度DTM、DEM和DSM。與光學(xué)或數(shù)字影像結(jié)合使用，加上少量控制點可獲得正射影像產(chǎn)品。

3.2 多角度傾斜攝影測量系統(tǒng)(Leica RCD30 Oblique)

Leica RCD30 Oblique是一款專為高精度三維城市模型制作和帶狀地形圖測繪應(yīng)用而設(shè)計的世界上第一臺六千萬要素多光譜中幅面相機(jī)。它擁有獨特的攝影測量設(shè)計特點，不僅能夠提供優(yōu)質(zhì)的圖像質(zhì)量和極高的精度，也具有極高的靈活性。它由一個配備 50 mm鏡頭的垂直相機(jī)和四個配備 80 mm鏡頭的傾斜相機(jī)(4個傾斜相機(jī)位于前后左右，呈35°)組成，一次飛行可同時獲取地物的垂直影像和側(cè)面紋理信息。同時，系統(tǒng)集成了高精度的POS系統(tǒng)，通過高精度GPS-INS數(shù)據(jù)可快速獲取每張像片精確的外方位元素。此外，該系統(tǒng)還集成了從飛行設(shè)計、航攝執(zhí)行到影像預(yù)處理的完整軟件解決方案，方便用戶快速投入作業(yè)。該系統(tǒng)由相機(jī)鏡頭、相機(jī)控制、相機(jī)操作、相機(jī)導(dǎo)航和相機(jī)存儲五大部件組成。

4 技術(shù)路線

4.1 航飛設(shè)計

航飛設(shè)計主要包括激光雷達(dá)點云數(shù)據(jù)航飛設(shè)計和傾斜攝影航飛設(shè)計兩部分。

(1)激光雷達(dá)點云數(shù)據(jù)航飛設(shè)計。根據(jù)ALS70的系統(tǒng)技術(shù)性能和三維數(shù)據(jù)制作對激光點云數(shù)據(jù)要求，對航飛區(qū)域按照航高 1 500 m、航速 240 km/h、旁向30%重疊、平均點密度在 0.65 m左右進(jìn)行航飛設(shè)計。

(2)傾斜攝影航飛設(shè)計。包括航攝基準(zhǔn)面和航攝飛行相對高度的確定、航線的敷設(shè)等。

航攝基準(zhǔn)面依據(jù)公式：H基=(H高+H低)/2，公式中，H基代表航攝基準(zhǔn)面，H高代表航攝區(qū)域高點平均高程，H低代表航攝區(qū)域低點平均高程。

航攝飛行相對高度依據(jù)公式：h=f*GSD/a，公式中，h航攝飛行相對航高，f代表航攝儀焦距，GSD代表地面分辨率，a代表像元尺寸。

在本次航攝中，取垂直鏡頭焦距f為 50 mm，像元尺寸a為 6 um，地面分辨率GSD為 7 cm，由公式得到航攝飛行的相對高度h=583 m。

測區(qū)航線按東西方向布設(shè)，航向重疊度設(shè)計為70%，旁向重疊度設(shè)計為50%。

4.2 航攝數(shù)據(jù)預(yù)處理

包括POS數(shù)據(jù)預(yù)處理和影像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與檢查。POS數(shù)據(jù)可以通過IPAS TC進(jìn)行基站差分處理或精密單點定位(PPP)處理，檢查POS數(shù)據(jù)的完整性及飛行姿態(tài)，對于姿態(tài)變化劇烈的航線要注意標(biāo)注，并要在影像檢查時重點檢查這些航線的重疊度。同時快速檢查云、煙、遮擋等情況。

4.3 像片控制點布設(shè)及測量

由于采用的ALS70激光掃描系統(tǒng)和Leica RCD30傾斜攝影測量系統(tǒng)都集成了高精度的POS系統(tǒng)，在航攝過程中，自動獲取了高精度的POS數(shù)據(jù)，降低了對地面控制點的依賴程度。因此，像控點布設(shè)采取4角加中心1點共5點雙點布設(shè)為基礎(chǔ)，按照1點/像控點密度展開控制點布設(shè)，采用基于城市連續(xù)運行衛(wèi)星定位綜合服務(wù)系統(tǒng)(CORS)的網(wǎng)絡(luò)RTK進(jìn)行觀測，其像控點測量精度應(yīng)滿足平面點位精度Mo=50 mm；高程點位精度Mo=50 mm的精度指標(biāo)。

4.4 傾斜攝影測量系統(tǒng)數(shù)據(jù)預(yù)處理

生產(chǎn)預(yù)處理是攝影測量中至關(guān)重要的一步，對生產(chǎn)成果的好壞起到?jīng)Q定性的作用。在傾斜攝影測量系統(tǒng)中包括傾斜相機(jī)POS數(shù)據(jù)解算、多角度影像空三加密工作。

POS數(shù)據(jù)解算：RCD30 Oblique記錄的POS數(shù)據(jù)通過IPAS TC進(jìn)行基站差分處理或精密單點定位(PPP)處理，同時結(jié)合相機(jī)精確的內(nèi)方位元素、偏心角和線元素分量偏移值及每個相機(jī)的Event和PhotoID文件，計算輸出工程區(qū)相片的外方位元素。

數(shù)字空中三角測量：利用IPAS TC進(jìn)行基站差分處理或精密單點定位(PPP)處理，同時結(jié)合相機(jī)精確的內(nèi)方位元素、偏心角和線元素分量偏移值及每個相機(jī)的Event和PhotoID文件，通過IPAS CO軟件計算輸出工程區(qū)相片的初始外方位元素，利用多角度空三加密系統(tǒng)自動進(jìn)行空三區(qū)域內(nèi)的點匹配；利用點匹配結(jié)果和初始外方位元素進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)平差，結(jié)合外業(yè)控制資料計算出每一張影像精確的外方位元素。

4.5 實景三維數(shù)據(jù)生產(chǎn)

在以上工作的基礎(chǔ)上，首先利用傾斜影像數(shù)據(jù)獲取建筑物邊線、特征線，用于建筑物特征處理。同時，對點云數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，排除飛點和柱狀地物點、提取地面點數(shù)據(jù)。將建筑物特征線和LiDAR點云數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加，用建筑物特征線代替激光點云構(gòu)成的不規(guī)則建筑物特征線，使建筑物特征整齊一致(如圖1所示)。利用相關(guān)軟件將測區(qū)LiDAR點云數(shù)據(jù)和多角度影像數(shù)據(jù)自動批量生成實景三維數(shù)據(jù)(如圖2所示)。

圖1 建筑物邊線與點云數(shù)據(jù)融合

圖2 實景三維模型數(shù)據(jù)

4.6 建筑物模型的單體化處理

為了滿足城市精細(xì)管理的需要，需要對生產(chǎn)的實景三維模型數(shù)據(jù)進(jìn)行單體化處理。其方法是將實景三維數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為3ds Max支持的3ds或obj格式，在3ds Max下對每個建筑或其他要素從大場景中進(jìn)行拆分提取，根據(jù)命名規(guī)則進(jìn)行命名并輸出成MAX格式的單個要素對象，如圖3所示。

圖3 單體化后的3ds Max模型

4.7 總體技術(shù)路線

實景三維數(shù)據(jù)生產(chǎn)總的技術(shù)路線如圖4所示。

圖4 總體技術(shù)路線

5 質(zhì)量評定

為了評價實景三維數(shù)據(jù)產(chǎn)品質(zhì)量，在測區(qū)共選擇了146檢測點?；诔鞘蠧ORS系統(tǒng)，利用GPS-RTK進(jìn)行測量，其檢測結(jié)果如表1所示：

精度檢測結(jié)果表 表1

經(jīng)過檢測，采用本項目技術(shù)路線所生產(chǎn)的城市實景三維產(chǎn)品精度滿足 1∶1 000比例尺精度要求。

6 結(jié) 語

利用傾斜攝影技術(shù)生產(chǎn)城市三維數(shù)據(jù)測繪產(chǎn)品，解決了傳統(tǒng)三維建模技術(shù)效率低、周期長、真實性較差的不足，為城市三維地理信息產(chǎn)品的快速生產(chǎn)提供了更加高效的途徑。當(dāng)然，由于該技術(shù)采用航空攝影自動化建模方式，也存在著一些天然缺陷，如：在樹木稠密區(qū)，因樹木遮擋，建筑底部的外立面紋理無法獲取，需要采用人工方式加以補(bǔ)充；紋理的清晰度無法達(dá)到傳統(tǒng)三維模型紋理效果。

[1] 張祖勛，張劍清. 數(shù)字?jǐn)z影測量學(xué)[M]. 武漢：武漢測繪科技大學(xué)出版社，1997.

[2] 楊國東，王民水. 傾斜攝影測量技術(shù)應(yīng)用及展望[J]. 測繪與空間地理信息，2016，39(1)：13～15.

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TheDiscussionandPracticeofReal3DModelingTechnologyBasedonObliquePhotography

Li Xiang1，Zhang Chunkui2，Wang Bin2，Han Bing2
(1.61363 troops of the Chinese People's Liberation Army，Xian 710054，China；2.Xian Institute of Prospecting and Mapping，Xian 710054，China)

Oblique photography is a new surveying and mapping technique in recent years. The paper briefly introduces the principle of the technology，summarizes the technical route of real 3D modeling technology Based on Oblique photography，verifies the feasibility of this technology in large scale city real 3D modeling，explores a new approach for the rapid development of large area city 3D modeling.

oblique photography；real 3D modeling；large scale

1672-8262(2017)06-95-03

P231

B

2017—03—19

李想(1980—)，女，工程師，主要從事地圖制圖工作。