張俊輝，艾海濱，王慶棟，韓曉霞

(1.國家基礎(chǔ)地理信息中心，北京 100830；2.中國測繪科學(xué)研究院，北京 100830)

航空攝影三維重建技術(shù)伴隨著多視角攝影測量技術(shù)及計(jì)算機(jī)硬件和軟件的不斷更新而日漸成熟，它通過飛行器搭載多臺(tái)不同角度的傳感器，分別從垂直、傾斜等不同的角度采集影像，獲取地面物體更為完整準(zhǔn)確的信息，以滿足用戶對三維信息的需求。中高空航天航空攝影測量能夠得到地面高程信息、地物地貌信息，對有明顯輪廓的建筑物能提供較高的三維重建精度，是目前地形及城市建筑物三維信息獲取主要的手段之一[1]。近年來，高分辨率衛(wèi)星獲得了較快的發(fā)展，其獲取的圖像經(jīng)過輻射校正后達(dá)到了相當(dāng)高的精度，結(jié)合衛(wèi)星變軌或相機(jī)側(cè)擺等方式，同一地域的重訪周期大大縮短，非常有利于對目標(biāo)場景的三維精細(xì)化建模，并使利用高分辨率衛(wèi)星影像制作三維地形及建筑物建模成為可能。全球地理信息資源建設(shè)工程是對全球范圍內(nèi)地形地貌、地理環(huán)境和相關(guān)自然與人文現(xiàn)象等信息進(jìn)行采集、處理與應(yīng)用的活動(dòng)。2018年，工程計(jì)劃完成境外重點(diǎn)區(qū)域約20 km2的三維模型生產(chǎn)任務(wù)，原計(jì)劃采用無人機(jī)傾斜攝影的方式在境外典型區(qū)域采集資料，但在實(shí)際實(shí)施過程中，受簽證、海關(guān)等多方面因素影響，未能實(shí)現(xiàn)境外作業(yè)。因此，如何利用高分辨率光學(xué)衛(wèi)星影像進(jìn)行全球重點(diǎn)區(qū)域的三維模型生產(chǎn)成為亟待解決的問題。

高分光學(xué)遙感測繪衛(wèi)星的分辨率和精度不斷提高。WorldView-3衛(wèi)星的分辨率為0.31 m，代表了全球商業(yè)遙感衛(wèi)星的最高水平。它利用單臺(tái)相機(jī)快速重定向，可實(shí)現(xiàn)同軌多個(gè)熱點(diǎn)目標(biāo)定制成像、同軌大區(qū)域目標(biāo)多條帶拼接成像和同軌同一目標(biāo)多視角立體成像等多種成像模式[2]。同軌立體影像無控制點(diǎn)幾何定位精度優(yōu)于其標(biāo)稱的3.5 m，平面定位精度可達(dá)1.8 m，高程精度達(dá)0.9 m[3]。GeoEye-1衛(wèi)星影像全色分辨率為0.41 m，能以3 m的定位精度精確確定目標(biāo)位置，滿足影像三維建模精度要求。隨著信息通信技術(shù)、3S技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，新型地理信息數(shù)據(jù)開始涌現(xiàn)[4-5]。眾源地理數(shù)據(jù)是由民眾自行獲取并通過互聯(lián)網(wǎng)公開開放的一種新型地理空間數(shù)據(jù)[6-7]，以互聯(lián)網(wǎng)眾源影像為數(shù)據(jù)源進(jìn)行全球地理信息資源建設(shè)是當(dāng)前研究的前沿趨勢。針對數(shù)據(jù)源存在質(zhì)量參差不齊、信息嚴(yán)重冗余、覆蓋不均勻、三維坐標(biāo)缺失等問題的情況[6-8]，基于眾源影像數(shù)據(jù)的快速檢索[9-11]、匹配[12-14]、相機(jī)位姿恢復(fù)[15-18]及三維重構(gòu)[15,19-20]等算法技術(shù)相繼出現(xiàn)，極大促進(jìn)了地理信息三維建模的發(fā)展。綜上所述，針對境外重點(diǎn)區(qū)域精細(xì)化三維建模數(shù)據(jù)獲取與產(chǎn)品制作的技術(shù)難點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)歸納一種利用高分辨率光學(xué)衛(wèi)星影像進(jìn)行重點(diǎn)目標(biāo)及建筑物精細(xì)化三維建模的方法。該方法選取迪拜市中心城區(qū)為試驗(yàn)區(qū)域，以國內(nèi)外主流高分辨率光學(xué)衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)為主要數(shù)據(jù)源，以DEM/DOM、控制點(diǎn)數(shù)據(jù)等已有數(shù)據(jù)庫為控制信息，以互聯(lián)網(wǎng)眾源影像為輔助數(shù)據(jù)源，首先進(jìn)行衛(wèi)星影像精準(zhǔn)定向及眾源影像的高精度位置姿態(tài)恢復(fù)，生成高精度幾何信息(DSM/DOM)；然后利用精化的RPC參數(shù)及生成的幾何信息進(jìn)行區(qū)域內(nèi)主要建筑物的三維模型生產(chǎn)制作，并由此形成高分辨率衛(wèi)星影像三維建模原型系統(tǒng)，滿足生產(chǎn)單位快速制作符合精度和精細(xì)度要求的三維數(shù)字模型的需要。

1 數(shù)據(jù)與總體流程

1.1 迪拜市城區(qū)數(shù)據(jù)概況

迪拜市位于阿拉伯半島中部、阿拉伯灣南岸，是阿聯(lián)酋第一大城市、海灣地區(qū)中心，沿海岸線呈西南—東北走向，長約30 km，最寬處大于10 km，地形以平原為主。迪拜市受地理環(huán)境等因素的影響，形成了獨(dú)特的建筑風(fēng)格，建筑多為拔地而起的后現(xiàn)代主義重重高樓，多集結(jié)于迪拜市的商業(yè)灣和Sheikh Zayed主街道兩旁，展現(xiàn)了現(xiàn)代建筑史的輝煌靚麗。原始影像數(shù)據(jù)為GeoEye-1衛(wèi)星及WorldView-3衛(wèi)星獲取的兩組立體像對，其地理位置分布及詳細(xì)信息分別如圖1、表1所示。其中，Burj Khalifa Tower是當(dāng)今世界最高建筑，高度達(dá)到828 m，超過150 m高的大樓總共有233棟，且大多數(shù)建筑的形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜獨(dú)特，巨大的視差變化給后期的三維建模及單體化處理增加了難度。

圖1 GeoEye-1、WorldView-3原始影像及其地理位置分布(Google Earth)

表1 GeoEye-1、WorldView-3原始影像信息

1.2 影像三維建模總體流程

本文設(shè)計(jì)的高分辨率光學(xué)衛(wèi)星影像精細(xì)化三維建模方法如圖2所示。該方法在高分辨率衛(wèi)星影像區(qū)域網(wǎng)平差處理及眾源影像空中三角測量得到精準(zhǔn)定向參數(shù)，并生成影像DSM/DOM的基礎(chǔ)上，利用3ds Max建模軟件的二次開發(fā)接口，實(shí)現(xiàn)典型城市區(qū)域的三維快速建模，并從眾源影像上自動(dòng)生成建筑物表面紋理，實(shí)現(xiàn)建筑物三維模型的紋理重建，構(gòu)建出更加真實(shí)、準(zhǔn)確的三維建筑模型。

圖2 高分辨率衛(wèi)星影像三維精細(xì)化建模方法流程

2 影像數(shù)據(jù)的空三處理及精準(zhǔn)幾何信息生成

2.1 衛(wèi)星影像區(qū)域網(wǎng)平差方法

為適應(yīng)全球地理信息資源建設(shè)對海量遙感數(shù)據(jù)處理規(guī)?；?、產(chǎn)品生產(chǎn)業(yè)務(wù)化和數(shù)據(jù)生產(chǎn)高效智能化的迫切需求，以解決海量衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)無控、精確、快速、一體化智能處理為目標(biāo)，本文選用在工程中全面應(yīng)用的高分辨率衛(wèi)星影像大規(guī)模聯(lián)合區(qū)域網(wǎng)平差的方法進(jìn)行多源衛(wèi)星影像的精準(zhǔn)定向。以國家基礎(chǔ)測繪數(shù)據(jù)等精度已知且可驗(yàn)證的參考DEM/DOM、少量控制點(diǎn)等構(gòu)成的數(shù)據(jù)庫為約束，選用改進(jìn)的影像匹配算法[21]進(jìn)行高分辨率衛(wèi)星影像間連接點(diǎn)的自動(dòng)獲取，以整體聯(lián)合區(qū)域網(wǎng)平差[22]的方式獲取衛(wèi)星影像的精準(zhǔn)定向RPC參數(shù)。試驗(yàn)區(qū)域GeoEye-1、WorldView-3影像獲取連接點(diǎn)數(shù)及區(qū)域網(wǎng)平差單位權(quán)中誤差結(jié)果詳見表2。

表2 GeoEye-1、WorldView-3區(qū)域網(wǎng)平差結(jié)果

2.2 眾源無序影像位姿恢復(fù)方法

由于影像分辨率、拍攝角度等條件的限制，僅通過衛(wèi)星影像無法完全實(shí)現(xiàn)建筑物精細(xì)化建模及紋理重建，因此需要輔以互聯(lián)網(wǎng)眾源影像數(shù)據(jù)完成三維模型制作。本文選用一種大規(guī)模無序影像的自動(dòng)檢索及空中三角測量方法[23]恢復(fù)影像拍攝的位置姿態(tài)信息。該方法以基于內(nèi)容的影像檢索[9]及基于SFM算法的漸進(jìn)式影像姿態(tài)恢復(fù)[15]為基礎(chǔ)，通過對下載的影像數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，確立無序影像連接關(guān)系，快速準(zhǔn)確獲取相同內(nèi)容影像，通過多角度多視影像間的穩(wěn)健匹配及平差，完成網(wǎng)絡(luò)眾源影像姿態(tài)恢復(fù)。同時(shí)，為了保證眾源影像定向坐標(biāo)系與衛(wèi)星影像定向坐標(biāo)系一致，本文利用衛(wèi)星影像區(qū)域網(wǎng)平差中的加密點(diǎn)作為眾源影像的控制點(diǎn)進(jìn)行眾源影像的區(qū)域網(wǎng)平差處理，最終生成高精度位姿參數(shù)。

2.3 影像精準(zhǔn)幾何信息生成

針對高分辨率衛(wèi)星影像特征，采用流行的SGM算法和多視影像匹配算法[22]，基于多基線、多重匹配特征(特征點(diǎn)、格網(wǎng)點(diǎn)、邊緣等)、由粗到精的多級金字塔匹配、概率松弛匹配等策略，自動(dòng)獲取區(qū)域的高精度DSM，并對DSM成果進(jìn)行微分糾正，完成影像成像方程式的計(jì)算，生成糾正后的正射影像圖。如圖3所示。

圖3 GeoEye-1、WorldView-3影像生成的DSM/DOM

3 影像精細(xì)單體建模

高分辨率衛(wèi)星影像精細(xì)單體建模主要包括3大部分：首先輸入原始衛(wèi)星影像、精準(zhǔn)定位后的定位參數(shù)和定義產(chǎn)品坐標(biāo)系統(tǒng)，系統(tǒng)自動(dòng)構(gòu)建實(shí)時(shí)核線立體模型；然后在此立體模型的基礎(chǔ)上，分別利用模型幾何結(jié)構(gòu)、模型紋理及其他輔助3大工具集進(jìn)行高質(zhì)量高效的三維模型的幾何結(jié)構(gòu)和紋理的重建；最后輸出滿足實(shí)際生產(chǎn)需求的建筑物三維模型。

3.1 模型幾何結(jié)構(gòu)

模型幾何結(jié)構(gòu)構(gòu)建主要是從立體模型上人工采集結(jié)構(gòu)點(diǎn)和結(jié)構(gòu)線，通過自動(dòng)構(gòu)建多邊形面和幾何體完成半自動(dòng)的三維模型的幾何結(jié)構(gòu)重建。建筑物按照建模的幾何結(jié)構(gòu)可以分為平頂屋、坡頂屋、多脊屋、圓頂屋、錐頂屋、圓柱形屋等[24]。

在衛(wèi)星影像立體模型上進(jìn)行簡單平頂房屋量測時(shí)，首先確定屋頂角點(diǎn)，提取出房屋輪廓線，然后通過量測房屋附近的一個(gè)地面點(diǎn)坐標(biāo)，計(jì)算出房屋高度信息。算法根據(jù)輪廓線和高度信息構(gòu)建房屋模型，并在3ds Max中顯示結(jié)果。坡頂屋在平頂屋策略基礎(chǔ)上，對坡頂屋脊線進(jìn)行采集，算法根據(jù)采集到的屋脊線對頂面進(jìn)行修改，生成坡頂屋模型。多脊屋的屋脊相互交錯(cuò)，可以基于可見性的向量夾角與最近距離判別法，建立屋脊線間、輪廓線與屋脊線間的拓?fù)潢P(guān)系，完成多脊屋的幾何結(jié)構(gòu)重建。對于圓頂屋，需要在屋頂量測3個(gè)不共線的點(diǎn)，計(jì)算屋頂?shù)陌霃胶颓蛐?；對于錐頂屋，則需要量取一個(gè)頂點(diǎn)來構(gòu)建模型。本文采用基于可見性的嵌入式填充構(gòu)網(wǎng)算法[24]實(shí)現(xiàn)復(fù)雜建筑物的重建。算法要求在量測房屋的輪廓線和屋脊線的同時(shí)，一并采集房屋的特征關(guān)聯(lián)線，采集的線框越多，房屋的模型效果越細(xì)致。如圖4所示。

圖4 各類型房屋建模效果

3.2 模型紋理映射

基于衛(wèi)星影像構(gòu)建的建筑物三維模型的側(cè)面紋理不夠清晰(如圖5(a)所示)，鑒于境外數(shù)據(jù)難以實(shí)現(xiàn)直接實(shí)地地面拍攝，本文采用互聯(lián)網(wǎng)下載的眾源影像(如圖5(b)所示)進(jìn)行部分知名建筑物的紋理映射，并選取互聯(lián)網(wǎng)上的相似相片進(jìn)行其他建筑的虛假紋理映射。紋理貼圖結(jié)果如圖5(c)所示。涉及的具體步驟簡單分為全自動(dòng)紋理映射、地面影像紋理貼圖，以及紋理編輯及色彩自動(dòng)處理。

圖5 基于網(wǎng)絡(luò)相片的模型紋理映射效果

(1)全自動(dòng)紋理映射：由于眾源影像有重疊，同一個(gè)建筑物的一個(gè)面可能出現(xiàn)在多張影像上，每張包含該面紋理信息的影像都有差別，可能出現(xiàn)紋理信息不全、紋理信息面積過小、紋理面朝向相反等情況。要從影像中找到最適合該墻面的最佳紋理，主要分為3步：定位紋理數(shù)據(jù)源、紋理方向性判斷、紋理面積判斷[24]。利用共線方程將地面點(diǎn)反投到數(shù)據(jù)源影像上的方法，可以確定紋理區(qū)域。通過計(jì)算并分配紋理坐標(biāo)的方式，直接對紋理進(jìn)行自動(dòng)糾正，可實(shí)現(xiàn)紋理的正確映射。

(2)地面影像紋理貼圖：為了彌補(bǔ)側(cè)面紋理精細(xì)度問題，本文采用網(wǎng)絡(luò)下載的分辨率較高的地面照片，通過簡單交互即可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)相片的貼圖。首先選擇三維幾何結(jié)構(gòu)中的某一個(gè)面，調(diào)入相片，三維模型選中面通過共線方程將物方點(diǎn)坐標(biāo)投影到相片上；然后人工將面片上各個(gè)頂點(diǎn)拖拽到模型選中面的正確位置；最后自動(dòng)計(jì)算紋理映射參數(shù)，實(shí)現(xiàn)紋理的貼圖。

(3)紋理編輯及色彩自動(dòng)處理：若紋理出現(xiàn)遮擋或色彩出現(xiàn)問題，可以進(jìn)行紋理編輯。首先選擇需要矯正的面；然后選擇最佳紋理影像；最后調(diào)整、提取紋理。如果需要對紋理影像進(jìn)行圖像編輯，可以選擇PhotoShop進(jìn)行進(jìn)一步的處理，在PhotoShop中只能進(jìn)行色彩方面的處理，不能修改紋理圖片長寬比例，否則紋理坐標(biāo)會(huì)出現(xiàn)異常。

3.3 模型自動(dòng)DEM貼合

三維建模原型系統(tǒng)中具備房屋自動(dòng)直角化、模型自動(dòng)與DSM貼合、自動(dòng)采集捕捉、影像亮度與對比度調(diào)節(jié)、幾何精度質(zhì)檢、模型和紋理重命名等其他輔助功能。其中，模型在與DSM匹配過程中是否顧及地形的起伏是建筑物精細(xì)化三維建模和成果應(yīng)用的關(guān)鍵。若建筑物沒有與地形很好地貼合和匹配，就會(huì)造成地物飄在空中或鉆入地下等與客觀事實(shí)不符的情況[25]。本文在建筑物半自動(dòng)量測過程中，基于DSM內(nèi)插原理，通過生成的DSM對建筑物底部面各頂點(diǎn)高程進(jìn)行約束，完成建筑物底面高度信息的自動(dòng)追蹤，實(shí)現(xiàn)模型與DSM的自動(dòng)貼合。

圖6 建筑物模型自動(dòng)DSM貼合原理

3.4 典型建筑物建模結(jié)果

本文利用GeoEye-1衛(wèi)星及WorldView-3衛(wèi)星影像處理結(jié)果及生成的DSM/DOM結(jié)果，分別選取典型建筑密集區(qū)域進(jìn)行建筑物單體化模型構(gòu)建。其中，GeoEye-1影像區(qū)域建模位置為Sheikh Zayed主街道區(qū)域兩側(cè)，典型建筑包含Princess Tower、Almars Tower等，建模面積約4 km2，建筑物總數(shù)約為300棟；WorldView-3影像區(qū)域建模位置為Burj Khalifa Tower及周邊區(qū)域，建模面積約1 km2，建筑物總數(shù)約為50棟。單體化建模結(jié)果如圖7—圖11所示，單體化建模精度可以達(dá)到相同比例尺的數(shù)字線化圖精度。

圖7 GeoEye-1衛(wèi)星影像區(qū)域建筑物單體化建模結(jié)果

圖8 Princess Tower單體化建模結(jié)果

圖9 Almars Tower單體化建模結(jié)果

圖10 WorldView-3衛(wèi)星影像區(qū)域建筑物單體化建模結(jié)果

圖11 Burj Khalifa Tower單體化建模結(jié)果

4 結(jié) 語

本文以高分辨率光學(xué)衛(wèi)星影像為主要數(shù)據(jù)源，以DEM/DOM、控制點(diǎn)數(shù)據(jù)等已有數(shù)據(jù)庫為控制信息，以互聯(lián)網(wǎng)眾源影像為輔助數(shù)據(jù)源，完成了衛(wèi)星影像精準(zhǔn)定向及眾源影像的高精度位置姿態(tài)恢復(fù)，并生成高精度DSM/DOM。在此基礎(chǔ)上形成了高分辨率衛(wèi)星影像三維建模原型系統(tǒng)，并進(jìn)行了區(qū)域內(nèi)典型建筑物單體化建模，解決了基于高分辨率影像全球重點(diǎn)景區(qū)高精度三維建模的關(guān)鍵技術(shù)問題，實(shí)現(xiàn)了全球重點(diǎn)景區(qū)精細(xì)三維模型的高效產(chǎn)出，對促進(jìn)全球地理信息資源建設(shè)與維護(hù)更新具有重要意義。