倪少華,姜志哲,徐慶
(1.秦皇島市城市規(guī)劃管理信息中心,河北 秦皇島 066001;2.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司,陜西 西安 710065; 3.常州市測繪院,江蘇 常州 213002)
傾斜攝影測量三維建模技術是測繪遙感領域近些年發(fā)展起來的一項高新技術,實現(xiàn)了城市三維建模由“假三維”變成“真三維”。它以大范圍、高精度、高清晰的方式全面感知復雜場景,通過高效的數(shù)據(jù)采集設備及專業(yè)的數(shù)據(jù)處理軟件生成數(shù)據(jù)成果,直觀地反映了地物的外觀、位置、高度等信息,為真實效果和測繪精度提供保證。具有建模成本低、周期短、數(shù)據(jù)量小等優(yōu)點,是城市實景三維建模的主流技術。
傾斜攝影三維建模雖然有諸多優(yōu)勢,但作為近年來的一項新興技術,在實際的生產(chǎn)應用中也存在一些問題。例如,由于航攝盲區(qū)造成三維模型會存在空洞區(qū)域,尤其是水面區(qū)域;空三階段,因像片及POS參數(shù)的質(zhì)量問題,會出現(xiàn)匹配錯誤以及點位不足等情況,導致三維模型的空洞;還有三維場景中存在懸浮的植被、燈桿等;這些問題都需要后期通過手動修補優(yōu)化,才能滿足精細化三維建模的需求。
本文就利用傾斜攝影測量三維建模技術開展了秦皇島市主城區(qū) 1∶1 000城市實景三維模型數(shù)據(jù)采集實踐和分析,對傾斜攝影三維建模數(shù)據(jù)生產(chǎn)和后期處理有一定的參考意義和實用價值。
為滿足秦皇島市基礎測繪、城市規(guī)劃、建設、管理和國土資源調(diào)查需要,秦皇島市開展了建成區(qū) 1∶1 000城市實景三維模型數(shù)據(jù)生產(chǎn)及建庫工作。本項目實施區(qū)域為秦皇島市,位于華北與東北過渡地帶、河北省的東北部,實測范圍涵蓋了北戴河區(qū)、海港區(qū)、山海區(qū),建筑物密集,充分反映了秦皇島市整體城市面貌。本項目設計實施區(qū)域為 95 km,實際航攝建模區(qū)域面積為 99 km,具體航攝范圍如圖1所示。
圖1 航攝范圍圖
根據(jù)本項目生產(chǎn)1∶1 000城市三維模型數(shù)據(jù)的特點,屬于大比例尺數(shù)據(jù)的采集,因此選用運-5運輸機作為飛行平臺。航攝任務使用RCD30傾斜相機作為傾斜攝影系統(tǒng),它是適用于全景相機和遙感應用中唯一的中幅面相機。RCD30數(shù)字航空傾斜攝影儀區(qū)別于傳統(tǒng)的豎直航攝,除一個子相機獲取正下方影像外,還可同時從前后左右4個方向以45°傾斜角度對地面進行拍攝,得到被拍攝物的多視角影像、建筑物墻體真實紋理,可廣泛用于數(shù)字城市、數(shù)字地球、智慧城市等的基礎地理空間框架建設。此外,徠卡RCD30還配備了完整的數(shù)據(jù)后處理軟件,能高效完成最終產(chǎn)品提交。
項目采用機載POS——慣性定位及定向系統(tǒng)(IMU、GPS組合系統(tǒng))(POS AV 510)為航空數(shù)字攝影系統(tǒng)提供機載POS系統(tǒng)服務功能。機載POS AV 510系統(tǒng)是Applanix公司制造的慣性定位定向系統(tǒng),利用該系統(tǒng)降低了空三加密的需要,減少對地面控制點的需求,方便了數(shù)據(jù)生產(chǎn)質(zhì)量的控制。它能夠直接獲取航空攝影測量數(shù)據(jù)的外定向元素,高速和高精度處理定位、速度、俯仰、滾動和偏流數(shù)據(jù),為航空數(shù)據(jù)生產(chǎn)極大地節(jié)約了時間和成本,提高了項目的運行效率。
本項目空三加密處理采用Leica研發(fā)的LeicaPostProcessing軟件對原始影像數(shù)據(jù)進行輻射校正,然后采用空中三角測量軟件進行空三加密。
(1)主要技術指標
①平面位置中誤差:內(nèi)業(yè)加密點和地物點,相對于最近野外控制點的圖上點位中誤差如表1所示。
加密點對最近野外控制點平面位置中誤差 表1
②高程中誤差:內(nèi)業(yè)加密點、高程注記點和等高線對最近野外控制點的高程中誤差不得大于表2規(guī)定。
加密點對最近野外控制點高程中誤差 表2
以上中誤差的兩倍為限差。
通過空三加密過程,對于內(nèi)業(yè)檢核無誤的外業(yè)像控成果,直接使用外業(yè)測量數(shù)據(jù)提供下工序使用。
(2)空三加密工作流程
采用Z/I ImageStation Automatic Triangulation 5.1空三加密的工作流程如圖2所示。
本項目采用地面控制點與POS系統(tǒng)獲取的EO(外方位元素),通過光束法區(qū)域網(wǎng)整體聯(lián)合平差得到空三加密成果,使得平均每立體像對的加密點都約為20個,分別按1個空三分區(qū)進行聯(lián)合平差。平差統(tǒng)計的平面和高程精度如表3所示。
圖2 空三加密流程圖
空三精度驗證簡要描述 表3
檢查點及像控點位置、基線數(shù)滿足要求。像控點刺點位置與實測位置一致。檢查GPS測量像控點精度,符合像控點測量成果資料的檢查要求。
三維建模數(shù)據(jù)處理過程包括平差點提取、平差處理、三維模型構建、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換等。數(shù)據(jù)處理用到的輸入數(shù)據(jù)包括原始航飛影像、影像的外方位元素、相機參數(shù)、控制點數(shù)據(jù)、測區(qū)邊界等。平差處理的主要目的是實現(xiàn)所有圖像數(shù)據(jù)的絕對定向,建立絕對位置關系,為三維建模提供絕對定向參數(shù)。經(jīng)過空三加密后獲取了大量高密度的點云數(shù)據(jù),對數(shù)據(jù)進行切塊分割,對分割的區(qū)塊內(nèi)的密集點云構建不規(guī)則三角網(wǎng)TIN,并生成無紋理的城市實景三維模型(即白模)?;赟mart3D強大的紋理映射算法對每個模型的三角面自動賦予紋理,效果如圖3~圖5所示。
圖3 TIN網(wǎng)構建圖
圖4 白模三維模型圖
圖5 紋理貼圖后的三維模型圖
受分辨率、視線遮擋、目標運動、建筑物結(jié)構特殊性、弱紋理等因素的影響,導致三維模型成果中出現(xiàn)3D漏洞、模型扭曲、紋理缺失、模型粘連、孤立懸浮物等質(zhì)量問題,影響實景三維模型的瀏覽效果,這些問題都需要手動修補優(yōu)化,才能滿足精細化三維建模的需求。模型后期處理軟件主要包括3ds Max、Geomagics、Meshmixer等,本文主要討論利用3ds Max軟件進行模型二次修復的方法。
因本項目建模區(qū)域大,必須依據(jù)模型所在區(qū)域的位置及模型類型,準確定義模型錯誤的分類及處理辦法,針對模型數(shù)據(jù)實際存在的貼圖模糊、扭曲,結(jié)構錯誤、空洞、粘連等情況,將模型存在問題主要分為以下幾種,如圖6~圖9所示。
圖6 貼圖模糊
圖7 結(jié)構破損
圖8 漂浮物
圖9 模型空洞
3.2.1 將obj格式的三維數(shù)據(jù)導入3ds Max中
將obj文件導入3ds Max中有兩種方式,一是單個文件導入,二是批量文件導入。
(1)單個文件導入方式
①啟動3ds Max程序后,點file——import,打開導入文件對話框,按照順序依次導入obj文件。
②導入文件參數(shù)設置
取消勾選Rotate model,保證模型Y軸不反轉(zhuǎn);取消勾選Unify,保證模型法線正確;其他為默認勾選狀態(tài)。
(2)批量文件導入方式
①啟動3ds Max程序后,點MAXScript → New Script,打開的編輯器中輸入一段代碼(從略)修改obj文件存放路徑;
②ctrl+s保存該script文件并命名為obj.ms;
③點擊MAXScript → Run Script,選擇保存的obj.ms文件,點擊Open即可。
3.2.2 瓦片數(shù)據(jù)編輯
通過3ds Max軟件的點線面編輯工具,對模型的缺失進行修補,凹凸不平進行拉平,冗余進行刪除。
(1)漂浮物及冗余刪除
首先在max里將模型轉(zhuǎn)換成線框模式,在多邊形網(wǎng)格層級選中頂點或面片層級,選中冗余部分進行刪除即可。
(2)凹凸及粘連拉平
首先在頂點級別選中需要處理的所有頂點,然后點Weld面板上的Collapse(塌陷)命令,將其變成一個頂點,其次修改頂點高度與地面高度相符合,最后切換到頂視圖,移動頂點到合適的位置即可。
利用上述方法對模型存在問題進行修復,處理后模型前后對比效果如圖10~圖13所示。
圖10 漂浮物處理
圖11模型空洞處理
圖12 建筑破損處理
圖13 模型貼圖模糊處理
本文根據(jù)秦皇島市1∶1 000傾斜攝影實景三維建模項目,利用傾斜攝影測量技術,總結(jié)了生產(chǎn)城市實景三維模型數(shù)據(jù)的實施方案,在實現(xiàn)建筑物的正射影像與其立面紋理的結(jié)合,高效快速的三維建模以及用手工方式對模型進行修補優(yōu)化以精細化三維建模等方面進行了討論。指出傾斜攝影技術建模能大大降低城市三維實景模型數(shù)據(jù)采集的時間和費用,具有很好的應用前景。