詹江波吳海峰

（1.青田縣城建測量隊 浙江青田 323900；2.青田縣土地規(guī)劃勘測隊 浙江青田 323900）

1 引言

傳統(tǒng)航空攝影測量技術(shù)是通過無人機搭載單相機鏡頭，以正射方式拍照，獲取高分辨率影像數(shù)據(jù)，從而制作DOM(數(shù)字正射影像)和DEM(數(shù)字高程模型)，三維建模則主要依靠二維的平面矢量圖、正射影像圖等數(shù)據(jù)為底圖建立白膜，通過將高程數(shù)據(jù)和拍攝的紋理數(shù)據(jù)貼在白膜上來構(gòu)建［1］。由于傳統(tǒng)的建模方法效率低，勞動強度大、生產(chǎn)成本高等缺點，而且受到傳感器和數(shù)據(jù)處理算法等軟硬件的限制，并不能快速高效地還原最真實的三維場景，已經(jīng)逐漸被淘汰［2］。

2 傾斜攝影測量系統(tǒng)及模型生產(chǎn)流程

為支撐智慧城市建設(shè)與深化更廣泛、更精準化的城市管理與規(guī)劃應(yīng)用，具有精細幾何與語義信息的“單體化模型”成為亟需。目前獲取高精度和完整性的三維地理信息模型的方法之一就是傾斜攝影測量技術(shù)。

傾斜攝影測量系統(tǒng)主要由地面飛控系統(tǒng)、無人機、控制測量、實景建模及單體化建模軟件共計4個部分組成。飛控部分主要規(guī)劃設(shè)計無人機的飛行航線、航高、以及對無人機飛行監(jiān)視控制和數(shù)據(jù)通信等。無人機部分主要由機載定位系統(tǒng)和多視相機組成，多視相機現(xiàn)在的主流是5鏡頭，部分生產(chǎn)廠家也有9鏡頭的相機，決定模型最終成果質(zhì)量的很大一部分因素就是搭載的相機鏡頭，像素越高、焦距越長，拍攝出的模型質(zhì)量越高，但長焦距往往會降低作業(yè)效率，需要在模型質(zhì)量及航飛效率上進行平衡?？刂茰y量主要是航測區(qū)域的控制網(wǎng)設(shè)計和像控點的測量。無人機航拍前要對測區(qū)進行現(xiàn)場踏勘，首先，根據(jù)已有GNNS控制點位去布設(shè)像控點，像控點的數(shù)量和位置依據(jù)測量規(guī)程要求的精度和測區(qū)的大小均勻布設(shè)；其次，根據(jù)申請的空域時間和范圍合理規(guī)劃飛行航線，保證影像的航向重疊、旁向重疊、分辨率等符合作業(yè)要求。航攝完成之后的第一步工作就是數(shù)據(jù)處理及初模的出具。目前，主流的初模軟件有SMART 3D 、Agisoftphotoscan、3D survey 等等，這幾款軟件最大能一次處理幾千張甚至上萬張照片。

根據(jù)這些建模軟件所生成的模型為三角網(wǎng)模型，是不包含語義信息的模型，存在結(jié)構(gòu)問題（自相交、非流型結(jié)構(gòu)、孔洞），數(shù)據(jù)散亂不適合復雜GIS分析。作為整個空間信息的載體，三角網(wǎng)Mesh模型顯然不滿足需求。同時，由于城市建筑構(gòu)造復雜，建筑密度高，大范圍的建立高精度的單體化模型將會耗費大量的人力物力。建模工作整體效率無法滿足現(xiàn)狀需求，成為目前三維建模行業(yè)的痛點，根據(jù)統(tǒng)計，目前1平方公里的建筑數(shù)量在有些城區(qū)達到幾百甚至上千個，為了解決這個難題，將“單體化模型”，采用OGC CityGML標準進行規(guī)范化描述，將模型精細度分為不同的層級，以達成按需建模的目的，避免過度建模而浪費人力物力，也避免建模精細度不足造成成果無法使用等情況。

目前，主流的單體化建模軟件有DP MODELOsketch，可通過直接對原始影像交互式重建，亦可對Mesh模型 （街景工廠、Smart3D成果）進行精加工，輸出的精細化的三維數(shù)字城市產(chǎn)品。

3 多層次細節(jié)建筑物重構(gòu)方法

作為城市骨架內(nèi)容的建筑物，OGC標準CityGML定義了五級不同的細節(jié)層次，具體情況如下表：

等級 LOD0 LOD1 LOD2 LOD3 LOD4幾何信息DEM/DSM塊體模型屋頂結(jié)構(gòu)詳細的建筑結(jié)構(gòu) 室內(nèi)結(jié)構(gòu)語義信息 連續(xù)地表形態(tài)單體建筑物屋頂、立面門窗、陽臺、煙囪 室內(nèi)設(shè)備

現(xiàn)有傾斜攝影測量SFM與MVS流水線到多層次細節(jié)建筑物重建的三個關(guān)鍵問題，分別是語義提取、規(guī)則化、自動化，其中語義提取的主要環(huán)節(jié)是建筑物區(qū)域的語義分割、屋頂和立面區(qū)域分割以及其它細部結(jié)構(gòu)的提取與符號化（Iconization）表達。規(guī)則化指的是城市建筑規(guī)則性檢測，主要包括平面特征:平行、正交、對稱等，線特征:中點、等距、黃金分割。

曲面特征:圓形弧、同心圓，中心點共線、球面、正切，這些規(guī)則化對于建模的速度以及質(zhì)量有著極大的提升作用。自動化則是最后的目的，自動重建LOD建筑物的2-Manifold結(jié)構(gòu)、LOD建筑物的自動紋理映射（遮擋、紋理變形、勻光）等，通過自動化結(jié)構(gòu)建模及紋理映射可以減少大量的重復機械性的工作。

多層次細節(jié)建筑物重建主要有四種方法，分別為過程化建模、模型驅(qū)動、數(shù)據(jù)驅(qū)動、交互式，每種方法都有自己的優(yōu)缺點。過程化建模的優(yōu)點是可基于已有語法快速構(gòu)建大范圍的適用于電影或游戲場景，缺點是編輯語法規(guī)則難度較大，且?guī)缀尉韧ǔ２还潭?。模型?qū)動方法的優(yōu)點是能夠快速構(gòu)建典型的建筑物結(jié)構(gòu)或者結(jié)構(gòu)相似性很大的建筑物，缺點是對邊界及屋頂結(jié)構(gòu)復雜的建筑物無能為力。數(shù)據(jù)驅(qū)動方法的的優(yōu)點是靈活度較高，即使沒有相片資料也能完成模型重構(gòu)。最后一種方法是交互式方法，這種方法的優(yōu)點有三個，其一是直觀：直接在影像勾繪；其二是精確:貼準影像即保證幾何精度；其三是工作效率高：針對傾斜影像可導入空三信息與三角網(wǎng)模型，消除最繁瑣的影像定向與創(chuàng)建三維標記的步驟，這種方法也是目前多數(shù)單體化建模軟件所采取的方法。

4 傾斜攝影在城市建筑建模方面存在的不足

傾斜攝影生產(chǎn)的不管是快速三角網(wǎng)模型還是最終的包含詳細信息的單體化模型，所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量是巨大的，1平方公里的模型數(shù)據(jù)可以達到TB級別，對于數(shù)據(jù)的平臺發(fā)布，利用都是巨大的挑戰(zhàn)，也是目前城市建筑三維模型的瓶頸之一，模型輕量化是眼前必須解決的問題，只有解決了輕量化的問題，模型單體化和數(shù)據(jù)的融合才能更順暢地進行，三維空間模型的利用才會有突破。

5 結(jié)束語

傾斜影像已成為大規(guī)模城市三維重建的主要數(shù)據(jù)源，三維空間模型未來是支持智慧城市的框架基礎(chǔ)，隨著計算機處理能力的提高，網(wǎng)絡(luò)傳輸速度的加快，建模方法的革新，具有精細化、可量測、真實感、高精度、對象化、更新快、定制化的三維地理信息，也將成為行業(yè)應(yīng)用和公眾服務(wù)的基礎(chǔ)支撐。