胡天明,李治明

(1.甘肅省測繪工程院，甘肅 蘭州 730000；2.甘肅省應(yīng)急測繪工程研究中心，甘肅 蘭州 730000)

目前傾斜攝影實現(xiàn)了獲取城市實景三維模型的高度自動化[1]，成為了城市大場景三維建模的首選，但傾斜攝影模型由于其生成技術(shù)機制為一體化模型，即“一張皮”，無法與空間實體進行關(guān)聯(lián)，并沒有得到具體的單個要素的虛擬模型，將其變?yōu)橐粋€個可以單獨處理、編輯的個體，并附著相應(yīng)的屬性信息[2]；三維實景模型數(shù)據(jù)量較大，給三維場景的加載和發(fā)布帶來很多不便；三維模型質(zhì)量參差不齊，存在 “漏洞”和拉花現(xiàn)象[3]，因此建立實景模型后進行單體化很有必要。另外底商貼圖替換在單體化建模中的重要性不言而喻，但是目前單體化建模時底商替換的效率依然較低，大部分還是按照傳統(tǒng)的先拍攝建模區(qū)域內(nèi)的建筑物底商的照片，再根據(jù)模型找到對應(yīng)的底商照片進行貼圖，這種方式大大增加了單體化建模的工作量，建模效率較低；另一方面城市傾斜攝影拍攝到近地面建筑物側(cè)面影像的清晰度不能滿足要求，尤其是有高層建筑區(qū)域中，底商紋理拍攝清晰度不夠，而且近地面地物遮擋現(xiàn)象比較突出[4]。

基于以上問題，考慮使用GPS差分的外業(yè)近景攝影，獲取厘米級的近景影像的GPS位置信息，然后參考航空攝影測量空中三角測量的方法對近景影像進行空三加密，獲取近景影像的準確外方位元素，將具備準確外方位元素的近景攝影影像在單體化建模軟件中進行定位，使得近景攝影影像可以和航空影像一樣進行模型的紋理映射，可以很方便的快速對建筑進行近地面的貼圖，直接進行底商貼圖，極大的提升了單體化建模的效率和效果。

1 總體技術(shù)路線

通過傾斜航空攝影測量技術(shù)手段，依照現(xiàn)行國家標準，測繪行業(yè)標準以及有關(guān)規(guī)定，進行航空攝影和地面影像獲取，然后對影像進行空三加密，ContextCapture Center進行實景建模，在建模軟件在三維實景模型基礎(chǔ)上，采用人機交互的方式采集模型輪廓線[5]，制作單體化白模，然后使用空三加密后的傾斜攝影對模型進行貼圖，最后通過對近景攝影獲取建筑物清晰的紋理也同樣空三加密后并替換原有貼圖利用影像及其空三加密成果進行精細化單體建模、紋理貼圖。

圖1 總體技術(shù)路線圖

2 影像數(shù)據(jù)獲取

2.1 航空傾斜攝影

利用航線設(shè)計軟件及全國30 m格網(wǎng)DEM數(shù)據(jù)，對測區(qū)范圍內(nèi)的高程進行統(tǒng)計。根據(jù)測區(qū)最低和最高高程進行航攝分區(qū)，具體依據(jù)《1:500 1:1 000 1:2 000地形圖航空攝影規(guī)范》中有關(guān)航攝分區(qū)的技術(shù)要求來進行航攝分區(qū)和航線設(shè)計。

像控點的布設(shè)按照區(qū)域網(wǎng)布點法進行。按一定距離在測區(qū)內(nèi)均勻布點，測區(qū)的四角、凸凹轉(zhuǎn)角處均需布設(shè)像控點。四角的控制點布設(shè)在了航攝分區(qū)范圍外邊緣處及兩條航線重疊區(qū)域。像控點主要用于空三加密，同時檢測點用于成果數(shù)據(jù)的精度檢測。

航空攝影飛行需要辦理空域批文，飛行前由機組空域協(xié)調(diào)人員向民航空管管中心申報飛行計劃。然后根據(jù)航攝設(shè)計參數(shù)進行航空攝影。

2.2 近景攝影

通過傾斜影像圖片的貼圖方式來表現(xiàn)建筑的細節(jié)結(jié)構(gòu)的方式，缺點是底商貼圖不清晰。在重點的沿街區(qū)域或是商業(yè)建筑區(qū)，為了將建筑底部的底商細化，更好的展示沿街景觀，把建筑中該有的結(jié)構(gòu)通過模型和貼圖能夠清晰的表現(xiàn)出來，必須進行近地面影像的補拍。

地面近景影像使用T-BOX影像設(shè)備采集。T-BOX通過4G網(wǎng)絡(luò)連接GPS基站或者連接CORS，同時手機通過藍牙連接進行GPS位置信息傳輸，就可以使得手機獲取的建筑物影像具備精確的位置信息。為了后期空三加密的需要提升空三精度，拍攝時連續(xù)的建筑影像之間必須具有重疊，重疊度須達到80%以上，不連續(xù)的建筑群之間應(yīng)進行影像分組，建筑拐彎處盡量多拍攝照片，確?？杖@取盡可能多的同名點。

圖2 近地面影像采集

3 影像空三加密

3.1 航空影像空三加密

將傾斜攝影采集的影像數(shù)據(jù)和精密解算的GPS數(shù)據(jù)導(dǎo)入PhotoScan空三軟件，自動化對影像進行幾何校正、同名點匹配、多視影像聯(lián)合平差，最后將平差后的外方位元素賦予每張傾斜影像，獲取下視影像和傾斜影像的精確的外方位元素，即全部影像具有在虛擬三維空間中的精確位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了傾斜攝影實時量測，得到每張影像精確的外方位元素及消除畸變差的影像，以供后續(xù)三維重建使用。

3.2 近景影像空三

TBOX基于攝影測量、計算機視覺與計算幾何算法進行地面影像的空三計算。

通過導(dǎo)入地面影像和相機POS信息，然后對已有控制點進行刺點，通過空三解算，可獲取每張影像上的每個像素對應(yīng)的真實地理坐標位置。

圖3 地面影像空三加密

4 傾斜攝影實景建模

4.1 密集點云生成

根據(jù)空三加密成果，使用空三加密軟件高效提取影像特征點，生成高密度點云數(shù)據(jù)。

4.2 構(gòu)建TIN網(wǎng)模型

模型制作的計算任務(wù)量較大，為提高數(shù)據(jù)處理速度，處理過程中將攝區(qū)分割成N個模型小塊進行處理。對每個區(qū)塊內(nèi)模型精細構(gòu)網(wǎng)，可以快速生成TIN網(wǎng)模型。

4.3 自動紋理映射

對TIN網(wǎng)模型自動紋理映射，可以根據(jù) TIN 網(wǎng)中每個三角形的空間位置，找到每個三角形面在紋理影像中對應(yīng)的實際紋理區(qū)域，實現(xiàn)三維TIN模型與紋理圖像的配準。把配準的紋理圖像反投影到對應(yīng)的三角面片上，以便隨時對模型進行真實感的繪制，實現(xiàn)紋理貼附[6]，自動映射最佳視角的影像作為模型紋理，以此生成基于真實影像位紋理的高分辨率實景真三維模型，實景真三維模型是對真實場景的高度還原。

圖4 實景三維模型

5 單體化建模

5.1 建模準備

將實景三維模型、空三加密后的航空傾斜影像、近景影像及其對應(yīng)的空三成果導(dǎo)入DP-Modeler中建立三維建模工程，實現(xiàn)實景三維模型、航空傾斜影像、近景影像的多源數(shù)據(jù)的匹配融合，在融合后的DP-Modeler輔助建模工程中就可以作白模并進行模型的貼圖。

5.2 白模制作

模型的輪廓及高度基于空三加密后的三維實景模型和傾斜影像成果，利用傾斜攝影可實現(xiàn)單張影像測量的原理, 在DP-Modeler建模軟件環(huán)境下在實景模型上進行采集，在垂直影像上獲取頂部結(jié)構(gòu), 從四周傾斜影像上獲取房屋立面結(jié)構(gòu)信息, 然后對其進行推拉、編輯、調(diào)整得到最終模型[7]，即白模。在采集中除了利用DP-Modeler建模軟件提供的基本模型創(chuàng)建工具, 對于異形或復(fù)雜的建筑物還可調(diào)用3Dmax進行編輯[8]。

5.3 紋理自動映射

通過傾斜影像及空三加密成果，模型貼圖自動從傾斜影像中映射，自動進行白模貼圖。它是用傾斜影像貼圖的方法來表現(xiàn)建筑的紋理，把建筑中該有的結(jié)構(gòu)通過模型和貼圖表現(xiàn)出來。

5.4 手工貼圖修飾

對紋理自動映射后的模型進行貼圖手工編輯，單張貼圖存在色差或者遮擋時，編輯紋理去掉色差或遮擋。利用傾斜影像后的模型紋理真實性高，更符合實景數(shù)字城市要求。

5.5 地面紋理處理

由于后期獲取的地面補拍影像存在非建筑元素的遮擋及影像顏色亮度、因鏡頭影像畸變及拍攝角度產(chǎn)生角度偏差等問題無法直接使用，需要經(jīng)過處理后才能用于地面紋理替換?？梢圆捎肞hotoshop圖片處理軟件進對獲取的地面拍攝影像進行畸變糾正、亮度對比度調(diào)整以及非建筑元素的去除。通過畸變糾正后的影像能夠真實反映建筑的垂直水平關(guān)系，無角度、扭曲現(xiàn)象；部分圖片由于拍攝時光線太強或較暗，需要對其亮度、對比度等指標進行調(diào)整；另外還要去掉影像中遮擋建筑的樹木、車輛、人等非建筑元素。

5.6 地面紋理替換

地面紋理處理后就可以根據(jù)模型位置選擇相應(yīng)的地面影像對模型進行底商替換,依照傾斜影像反映的建筑底部細節(jié)表現(xiàn)來替換原有的傾斜影像。

地面紋理替換時首先選擇建筑物及對應(yīng)的地面影像，然后根據(jù)地面影像拍攝范圍的大小決定是否需要對建筑面進行分割，選擇需要貼圖的面，按照貼圖面對地面影像進行微調(diào)后貼圖，這樣就完成該面的貼圖替換，其余面以此類推。注意建筑物面分割時需要盡可能的選擇較大的面貼圖，可以大大提升替換的效率高，另外可以防止貼圖之間的錯位。

地面拍攝的近地面和建筑側(cè)面要素數(shù)據(jù)完整、細節(jié)清晰, 是傾斜攝影獲取的影像數(shù)據(jù)的補測, 能夠很好地修復(fù)傾斜攝影在近地面和建筑側(cè)面的數(shù)據(jù)失真現(xiàn)象[9]，另一方面航空傾斜影像貼圖為地面補拍影像貼圖提供了參考依據(jù)，確保在地面補拍影像貼圖過程中模型及紋理的精度。

圖5 模型底商替換

圖6 三維單體化模型

6 結(jié) 語

本建模方法充分利用了實景模型成果, 而且作業(yè)人員無需借助輔助設(shè)備, 即可人工基于Mesh模型還原的現(xiàn)實世界完成單體化建模[10]，該方法一方面實現(xiàn)了三維模型的單體化，得到了高精度、高分辨率、高真實度的單體三維模型，更重要的是它實現(xiàn)了大城市實景建模中由于航攝航高較高而出現(xiàn)的底商紋理不夠清晰的問題；另外通過高精度地面近景攝影，使得近地面紋理具備了高精度POS信息，通過空三加密的成果將模型與地面影像一體化，使得地面紋理替換更加方便和智能，大大減少了人工工作量。這種空地一體單體化三維建模的技術(shù)方法在類似項目中具有很好的推廣和借鑒意義。