趙偉山,李治明,胡天明,張正文

（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）

傾斜攝影技術(shù)是國際測繪遙感領(lǐng)域近年發(fā)展起來的一項(xiàng)高新技術(shù)，它以覆蓋范圍廣、分辨率高的方式全面感知現(xiàn)實(shí)場景，具有真實(shí)反映建筑形狀、建筑特征、現(xiàn)狀和樓層高度等信息，模型可量測、周期短等特點(diǎn)，是城市三維建模的主流趨勢[1-2]。而近景攝影測量系統(tǒng)，采用地面拍攝設(shè)備與高精度定位設(shè)備，結(jié)合高效的后處理軟件，軟硬件系統(tǒng)高度集成。實(shí)現(xiàn)以非接觸式，遠(yuǎn)程、在線作業(yè)模式，全面提升信息采集的效率和精度，廣泛應(yīng)用于竣工測量、城市三維建模、橋隧道路檢測、施工監(jiān)測、交通應(yīng)急等行業(yè)。SWDC 系列數(shù)字航空攝影儀基于高檔民用相機(jī)，經(jīng)過加固、精密單機(jī)檢校、平臺拼接、精密平臺檢校而成，并配備測量型雙頻GPS 接收機(jī)、GPS 航空天線、航空攝影管理計(jì)算機(jī)；系統(tǒng)還集成了航線設(shè)計(jì)、飛行控制、數(shù)據(jù)后處理等一系列自主研發(fā)軟件，其中的關(guān)鍵技術(shù)是多相機(jī)高精度拼接。本文通過生產(chǎn)實(shí)踐，總結(jié)了一套基于傾斜攝影的空地一體實(shí)景三維模型單體化建模的方法，可以應(yīng)用到大范圍區(qū)域的三維建模生產(chǎn)中。

1 生產(chǎn)技術(shù)路線

利用傾斜航空攝影測量技術(shù)手段快速、有效、完整地獲取地面物體的影像及紋理特征信息，利用近景攝影測量技術(shù)手段獲取地面影像，依照現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)，測繪行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)以及有關(guān)規(guī)定，通過聯(lián)合解算獲取空三加密成果；利用ContextCapture Center進(jìn)行自動化實(shí)景建模。結(jié)合武漢天際航公司自主研發(fā)的DP-Modeler建模軟件在三維實(shí)景Mesh 模型基礎(chǔ)上進(jìn)行精細(xì)化單體建模、紋理貼圖以及地面影像的替換[3-6]，單體化模型總體生產(chǎn)流程如圖1所示。

圖1 單體化模型總體生產(chǎn)流程

1.1 影像獲取

1.1.1 傾斜影像獲取

采用大飛機(jī)搭載SWDC-5C 系列數(shù)字航攝儀對測區(qū)進(jìn)行航空攝影作業(yè)，獲取了厘米級高分辨率的垂直和傾斜影像，能夠獲取地物側(cè)面更加真實(shí)豐富的紋理信息，彌補(bǔ)了正射影像只能獲取地物頂面紋理的不足，保證了數(shù)據(jù)成果的平面和高程精度。SWDC-5 是國內(nèi)最早推出的國產(chǎn)航空傾斜攝影儀，通過1 個(gè)垂直拍攝和前后左右4 個(gè)40～45°傾角拍攝得到多視角影像、建筑物墻體真實(shí)紋理。

1.1.2 地面影像獲取

采用TBOX 近景攝影測量系統(tǒng)獲取地面影像，首先使用地面高精度定位設(shè)備TBOX 連接GSCORS 基站，通過差分GPS（RTK）方式獲取精確的POS 數(shù)據(jù)，衛(wèi)星信號較好的條件下精度可以達(dá)到厘米級；然后使用移動手機(jī)連接互聯(lián)網(wǎng)，再通過藍(lán)牙連接TBOX設(shè)備，手機(jī)就可以拍攝到具有精確位置信息的地面影像。由于后期空三加密的需要，拍攝時(shí)照片間需保持80%以上的重疊度。不連續(xù)的建筑群之間進(jìn)行影像分組，建筑要盡量多拍攝照片，這樣就確?？杖龝r(shí)獲取盡可能多的同名點(diǎn)，保證空三成果的精度。

1.2 空地一體聯(lián)合空三加密

1.2.1 POS數(shù)據(jù)解算

使用差分后處理軟件對POS數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲取厘米級高精度POS數(shù)據(jù)，并根據(jù)需求將選定坐標(biāo)系統(tǒng)下得到的曝光點(diǎn)坐標(biāo)，根據(jù)當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系統(tǒng)計(jì)算出的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)，轉(zhuǎn)換為當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)。

1.2.2 空地一體聯(lián)合空三加密

影像匹配是攝影測量的基本問題之一，多視影像具有覆蓋范圍大，分辨率高的特點(diǎn)。因此，如何在匹配過程中充分考慮冗余信息，快速準(zhǔn)確地獲取多視影像上的同名點(diǎn)坐標(biāo)，進(jìn)而獲取地物的三維信息，是多視影像匹配的關(guān)鍵。

將預(yù)處理好的傾斜相片、地面影像數(shù)據(jù)及POS數(shù)據(jù)列表匹配好，進(jìn)入自動化實(shí)景三維模塊處理，完成定向。首先通過輔助POS系統(tǒng)提供的多視影像外方位元素，對每級影像進(jìn)行地物要素同名點(diǎn)匹配和自由網(wǎng)平差，建立要素連接點(diǎn)、連接線、控制點(diǎn)坐標(biāo)、云臺輔助數(shù)據(jù)的自檢校區(qū)域網(wǎng)平差方程，然后通過聯(lián)合解算獲取空三解算成果[7-8]。

1.3 自動化實(shí)景建模

1.3.1 點(diǎn)云加密

根據(jù)空三解算成果，進(jìn)行特征匹配和逐像素密集匹配，獲取高精度高分辨率數(shù)字地面模型，點(diǎn)云濾波和匹配單元融合后形成統(tǒng)一的全要素點(diǎn)云，完成點(diǎn)云轉(zhuǎn)換，生成具有自然紋理顏色的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

1.3.2 構(gòu)建TIN網(wǎng)模型

模型制作的計(jì)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(gè)模型小塊進(jìn)行處理。對每個(gè)區(qū)塊內(nèi)模型精細(xì)構(gòu)網(wǎng)，可以快速生成TIN網(wǎng)模型。

1.3.3 實(shí)景三維模型輸出

對TIN 網(wǎng)模型自動紋理映射，建立地物幾何信息與紋理信息的對應(yīng)關(guān)系，同時(shí)進(jìn)行整體勻光勻色梳理，以此生成基于真實(shí)影像位紋理的高分辨率實(shí)景三維模型，對真實(shí)場景的還原達(dá)到了無限接近真實(shí)世界，如圖2所示。

圖2 實(shí)景三維模型

1.4 單體化建模

1.4.1 白模制作

模型的輪廓及高度基于實(shí)景三維模型成果，在國產(chǎn)建模軟件DP-Modeler環(huán)境下進(jìn)行采集。利用傾斜攝影可實(shí)現(xiàn)單張影像測量，在垂直影像上獲取頂部結(jié)構(gòu)，四周傾斜影像上獲取房屋立面結(jié)構(gòu)信息，對其進(jìn)行推拉、編輯、調(diào)整得到最終模型[9-10]，如圖3所示。

圖3 白模制作效果

建筑物輪廓線及高度信息采集需要滿足以下要求：

1）模型現(xiàn)勢性與傾斜影像時(shí)相保持一致，精度滿足各級模型采集要求，對重點(diǎn)區(qū)域需要更新的應(yīng)進(jìn)行數(shù)據(jù)更新與獲取，影像與現(xiàn)實(shí)不符時(shí)，根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行補(bǔ)充建模。

2）模型輪廓線和高度信息應(yīng)以傾斜影像或?qū)嵕叭S模型為基礎(chǔ)，滿足各等級模型平面和高度精度要求。

3）模型應(yīng)以準(zhǔn)確表達(dá)對象幾何形態(tài)特征為原則，通過傾斜影像、實(shí)景三維模型或圖像視頻等方式來確定對象細(xì)節(jié)特征。

4）對于重點(diǎn)建筑可進(jìn)行超高精度單體化三維建模。高精度單體化建模技術(shù)結(jié)合空地一體化影像與專業(yè)模型編輯軟件強(qiáng)大的模型編輯能力，做到資源共享、功能聯(lián)動，優(yōu)勢互補(bǔ)，在保持強(qiáng)大模型編輯功能的同時(shí)，借助空地一體化多角度影像實(shí)現(xiàn)重點(diǎn)建筑、復(fù)雜異形物的重建，例如古建筑，可以結(jié)合空地一體化高精度單體化模型和紋理貼圖檢索功能，解決其重建問題。

1.4.2 紋理自動映射

可通過攝影測量算法，實(shí)現(xiàn)模型貼圖自動從傾斜影像中采集，貼圖分辨率即為影像分辨率，且一鍵完成模型貼圖，如圖4所示。區(qū)別于傳統(tǒng)人工識別、賦予貼圖的模式，提高單體化模型貼圖真實(shí)性，提高生產(chǎn)效率。

圖4 紋理自動映射

1.4.3 手工修飾貼圖

完成模型貼圖后，由于樹木、公共設(shè)施的遮擋不免有些瑕疵。根據(jù)貼圖手工編輯功能，可直接調(diào)用修圖軟件進(jìn)行紋理修改，單張貼圖存在色差或者遮擋時(shí)，編輯紋理去掉色差或遮擋。貼圖利用傾斜影像或近景攝影采集的影像，保證模型高精度，模型紋理高真實(shí)性。

1.4.4 建筑單體化模型渲染

在建筑單體化模型構(gòu)建完成后，使用專業(yè)三維設(shè)計(jì)軟件的渲染器工具對模型材質(zhì)、色彩、光照進(jìn)行渲染，提高模型顯示品質(zhì)。

1.4.5 模型修飾

傾斜攝影自動化建模生成的實(shí)景三維模型普遍存在破洞、紋理拉花、搭連、漂浮、水面隆起等問題，尤其是近地面部分有比較大的瑕疵。針對這種情況，DP Modeler 能對Mesh 三角網(wǎng)進(jìn)行直接編輯，實(shí)現(xiàn)Mesh模型的局部修飾。三角網(wǎng)選擇、補(bǔ)洞、擬合到平面、平滑、漂浮物自動清理、墻線拉直功能、Mesh切割、網(wǎng)格細(xì)分、Mesh紋理修改等功能。

1.4.6 模型與場景融合

在建筑單體化模型構(gòu)建完成后，與真三維實(shí)景場景進(jìn)行融合，保證單體化建筑與三維實(shí)景融為一體，既能整體展現(xiàn)實(shí)景真三維場景，又能單獨(dú)選中單棟建筑，查看屬性信息，如圖5所示。

2 技術(shù)優(yōu)勢

項(xiàng)目主要采用了基于傾斜攝影的空地一體三維單體化建模技術(shù)，主要優(yōu)勢如下：

1）針對城市區(qū)域傾斜攝影底商紋理拍攝清晰度不夠、地物遮擋現(xiàn)象比較突出的問題，采用基于SWDC-5C 傾斜相機(jī)的空地一體三維單體化建模技術(shù)，將具備準(zhǔn)確外方位元素的近景攝影影像進(jìn)行空三定位，實(shí)現(xiàn)傾斜影像與地面影像一體化，使得地面影像可以和航空影像一樣進(jìn)行模型的紋理映射，底商紋理的替換更加方便和智能，大大減少了人工工作量。

2）通過垂直與傾斜影像的全自動聯(lián)合空中三角測量[11]、多視影像密集匹配、數(shù)字表面模型生成、三維空間網(wǎng)格模型生成、紋理映射、真正射影像糾正等過程，進(jìn)行自動化加工處理后，對自然環(huán)境中的地形地貌、地物設(shè)施等場景的三維模型構(gòu)建過程，無需人工干預(yù)地從多源數(shù)據(jù)中獲取連續(xù)影像，實(shí)現(xiàn)自動化生成三維實(shí)景模型，實(shí)景三維建模具備高效率、高精度、高真實(shí)感、低成本的優(yōu)勢。

3）利用空三平差原理，設(shè)計(jì)合理數(shù)量和均勻分布的像控點(diǎn)，結(jié)合POS系統(tǒng)提供的外方位元素和相機(jī)安裝位置關(guān)系，輔助控制點(diǎn)強(qiáng)連接幾何條件，GPS/IMU實(shí)現(xiàn)多視角影像自檢校區(qū)域網(wǎng)平差計(jì)算，從而平差得到了高精度的實(shí)景三維模型。實(shí)景三維建模具備高效率、高精度、高真實(shí)感、低成本“三高一低”的優(yōu)勢，所得到的實(shí)景三維模型可以用來直接進(jìn)行單體化建模。

4）基于實(shí)景三維模型，采用圖像快速建模系統(tǒng)，采集建筑物等其他要素的輪廓，通過紋理數(shù)據(jù)的自動映射生產(chǎn)單體化模型，該軟件實(shí)現(xiàn)了大大提高建模效率和質(zhì)量，更加逼真的展示了建筑物的細(xì)部特征。

5）通過連接GSCORS，采用近景攝影測量系統(tǒng)獲取近地面影像，實(shí)現(xiàn)以非接觸式作業(yè)模式，全面提升信息采集的效率和精度。使得拍攝照片的定位精度達(dá)到了厘米級，實(shí)現(xiàn)了地面補(bǔ)拍照片與傾斜影像位置的無縫銜接。

3 結(jié) 語

傾斜攝影技術(shù)及其成果會在以后的測繪生產(chǎn)與空間信息服務(wù)中扮演更加重要的角色。航空傾斜影像不僅能夠真實(shí)地反映地物情況，而且還通過采用先進(jìn)的定位技術(shù)，嵌入精確的地理信息、更豐富的影像信息、更高級的用戶體驗(yàn)，極大地?cái)U(kuò)展了遙感影像的應(yīng)用領(lǐng)域。同時(shí)，傾斜攝影技術(shù)使得目前高昂的三維城市建設(shè)成本將大大降低。由于傾斜攝影三維場景為用戶提供了更豐富的地理信息，更友好的用戶體驗(yàn)以及其低廉的成本，該技術(shù)將越來越多的應(yīng)用于空間規(guī)劃、應(yīng)急指揮、國土資源管理、違法亂建查處、三維不動產(chǎn)等行業(yè)。