曹小朋王強(qiáng)輝

（1.廣州科測空間信息技術(shù)有限公司，廣東 廣州 510630；2.廣州建通測繪地理信息技術(shù)股份有限公司，廣東 廣州 510000）

0.引言

當(dāng)前，數(shù)字城市對(duì)三維實(shí)景模型的需求越來越迫切，建設(shè)城市大規(guī)模三維模型數(shù)據(jù)庫對(duì)于實(shí)景三維中國的推進(jìn)具有重要意義。國內(nèi)外諸多學(xué)者對(duì)城市實(shí)景三維重建進(jìn)行了研究，王雙美、何原榮等基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)對(duì)大型或復(fù)雜建筑體進(jìn)行三維重建研究[1，2]，陳健 等提出基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的SAR建筑目標(biāo)三維重建方法[3]，并取得較好效果。當(dāng)前大規(guī)模城市建筑物三維重建的主要數(shù)據(jù)源來自傾斜攝影，原因在于傾斜攝影技術(shù)相較于傳統(tǒng)人工方式更高效、經(jīng)濟(jì)。傳統(tǒng)三維建模方法存在成本高、周期長、紋理失真、精度低等缺點(diǎn)。當(dāng)前主流的城市三維重建方法主要利用機(jī)載五鏡頭傾斜攝影相機(jī)獲取一個(gè)下視和多個(gè)側(cè)視的影像數(shù)據(jù)，導(dǎo)入三維重建軟件，快速生成城市的全要素三維場景。通過這種方式生成的三維模型無法對(duì)建筑物進(jìn)行屬性掛接，模型數(shù)據(jù)缺乏語義，由于主要的應(yīng)用場景是三維場景匯報(bào)、演示，故在數(shù)字城市項(xiàng)目中無法發(fā)揮“可計(jì)算、可推理、可預(yù)測”的數(shù)字三維底座，難以產(chǎn)生實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值。本文提出的城市三維實(shí)景單體化建模方法在解決以上問題的基礎(chǔ)上，滿足實(shí)際生產(chǎn)精度高、效果好、標(biāo)準(zhǔn)化和單體化等要求，在數(shù)字城市發(fā)展中具有廣闊的應(yīng)用前景。

1.傾斜攝影測量技術(shù)概述

傾斜攝影測量技術(shù)是國際測繪遙感行業(yè)發(fā)展起來的一項(xiàng)高新技術(shù)，通過放置在飛行平臺(tái)上的多個(gè)傳感器從下視和4個(gè)傾斜方向捕獲圖像。該技術(shù)具有全面、客觀、真實(shí)、成本低、效率高等特點(diǎn)[4]。

長期以來，基于傾斜攝影測量技術(shù)獲取的傾斜圖像通常用于軍事偵察、可視化和解譯。因此，傾斜圖像通常遠(yuǎn)離研究人員和公眾的關(guān)注視野，導(dǎo)致數(shù)字城市項(xiàng)目建設(shè)者普遍采用標(biāo)準(zhǔn)垂直正射影像作為數(shù)字底圖，政府、企業(yè)和公眾也習(xí)慣使用Google地球或其他類似服務(wù)中的正射影像數(shù)據(jù)進(jìn)行選定地物的定向和目視檢查。然而，垂直正射影像是從單一方向進(jìn)行目標(biāo)觀測，為充分利用多個(gè)視角的信息，必須從不同方向獲取和管理多張圖像。這些傾斜圖像可讓人全方位觀測地物，其對(duì)政府和公眾越來越有吸引力。

主流的傾斜攝影測量平臺(tái)包括海克斯康集團(tuán)的CityMapper-2和Leica RCD30 Oblique航攝儀[5]、瑞典Pictometry公司的Pictometry、美國微軟的UltraCam Osprey 4.1航攝儀、北京四維遠(yuǎn)見信息技術(shù)有限公司的SWDC-5、大疆經(jīng)緯M300RTK等。主流的三維重建軟件包括美國Bentley旗下的Context Capture、俄羅斯Agisoft Metashape、Skyline PhotoMesh、我國的大疆智圖、大勢智慧等。

傾斜攝影測量技術(shù)主要應(yīng)用在以下方面：

（1）城市和基礎(chǔ)設(shè)施測量、規(guī)劃、分析，包括地籍采集和管理、建筑物和結(jié)構(gòu)的對(duì)比測量、景觀建筑和城市規(guī)劃、三維視線計(jì)算、不動(dòng)產(chǎn)的面積、立面和結(jié)構(gòu)測量；

（2）管理軍事和安全行動(dòng)，包括關(guān)鍵位置的信息的快速獲取、關(guān)鍵位置的準(zhǔn)確可視化、周邊地區(qū)和基礎(chǔ)設(shè)施識(shí)別、軍事路線規(guī)劃；

（3）關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施保護(hù)，包括政府大樓、醫(yī)院、監(jiān)獄、機(jī)場、港口、火車站、商場、電力、軍事和警察設(shè)施。

2.城市三維重建方法

本文基于機(jī)載五鏡頭傾斜航攝儀獲取不同視角的影像數(shù)據(jù)（包括1個(gè)下視和4個(gè)側(cè)視）進(jìn)行城市建筑物三維重建。與Context Capture等不同，通過該方法生成的建筑物為單體化模型。主要技術(shù)流程：全自動(dòng)空三定向、全自動(dòng)點(diǎn)云生產(chǎn)、建筑物三維矢量面收集與整理、自動(dòng)構(gòu)建框架模型、自動(dòng)紋理映射。最終可快速生成城市大面積單體化三維實(shí)景模型數(shù)據(jù)，建模流程如圖1所示。

圖1 %三維重建技術(shù)流程圖

2.1 空中三角測量

數(shù)據(jù)處理的一個(gè)重要步驟是消除外定向中的任何系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差，即空中三角測量。該過程高度自動(dòng)化，唯一需要人工交互的步驟是手動(dòng)量測地面控制點(diǎn)以計(jì)算基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換。自動(dòng)點(diǎn)匹配(APM)技術(shù)極大加快了空三處理速度，為大型數(shù)字?jǐn)z影測量項(xiàng)目的傾斜攝影提供嚴(yán)密的空中三角測量解決方案。光束法空中三角測量系統(tǒng)具有成熟、可靠、嚴(yán)密的平差數(shù)學(xué)模型等先進(jìn)技術(shù)，為帶有GNSS/Inertial Measurement Unit（IMU）慣導(dǎo)定位定向數(shù)據(jù)的攝影測量項(xiàng)目提供完善的工作流，在保證精度的前提下，大大減少對(duì)外業(yè)地面控制點(diǎn)的需求數(shù)量，具有高效高質(zhì)的優(yōu)勢。

2.2 傾斜點(diǎn)云自動(dòng)提取

利用立體像對(duì)自動(dòng)提取高密度點(diǎn)云數(shù)據(jù)，其點(diǎn)云匹配算法為SGM（Semi-Global Matching,半全局匹配），其附帶工具可對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行稀疏和平滑處理。利用SGM算法直接從影像中產(chǎn)生高密度點(diǎn)云。這些點(diǎn)云不僅為每個(gè)點(diǎn)提供X,Y,Z坐標(biāo)信息，還包含從原始影像中獲取的輻射信息。點(diǎn)云的密度與原始影像一致，因此點(diǎn)云可顯示為數(shù)字表面模型。

2.3 建筑物三維矢量面收集與整理

收集城市規(guī)劃及建設(shè)部門現(xiàn)有的建筑物數(shù)字線劃圖或房屋普查數(shù)據(jù)，利用工具轉(zhuǎn)換為相應(yīng)格式（如，Shapefile,dxf,dwg）,作為建筑物三維輪廓線。

2.4 自動(dòng)構(gòu)建房屋框架模型

在框架模型生產(chǎn)工具中，導(dǎo)入建筑物三維輪廓線、建筑物所在區(qū)域的DEM數(shù)據(jù)、高密度點(diǎn)云（或激光點(diǎn)云），快速生成建筑物三維框架模型，以完成城市三維重建。

2.5 自動(dòng)紋理映射

將五個(gè)鏡頭的影像文件、定向文件，以及上一步構(gòu)建的建筑物框架模型導(dǎo)入紋理映射工具中，程序自動(dòng)檢測所有可用的立體像對(duì)，并給提取的建筑物屋頂及側(cè)面兩部分自動(dòng)賦予紋理如圖2所示。

圖2紋理遮擋原理圖

由圖2可知：紋理映射工具采用紋理遮擋原理。紋理映射主要流程如下：

（1）從航片中自動(dòng)提取模型紋理；

（2）從點(diǎn)云數(shù)據(jù)中自動(dòng)提取建筑物模型；

（3）自動(dòng)提取屋頂及立面顏色；

（4）使用最好的匹配影像并考慮遮擋；

（5）逐像素的貼立面紋理。

3.試驗(yàn)評(píng)定

在某城市劃定25 km2測區(qū)作為試驗(yàn)區(qū)，使用UltraCam Osprey 4.1傾斜相機(jī)采集該測區(qū)的傾斜影像數(shù)據(jù)，并利用以上技術(shù)路線對(duì)該測區(qū)的建筑物進(jìn)行三維重建。

3.1 UltraCam Osprey 4.1傾斜相機(jī)介紹

UltraCam Osprey 4.1大幅面航空相機(jī)可同時(shí)采集攝影測量級(jí)別的下視和傾斜圖像，以業(yè)界領(lǐng)先的圖像和數(shù)據(jù)質(zhì)量實(shí)現(xiàn)航空圖形采集效率，結(jié)合業(yè)界領(lǐng)先的定制鏡頭系統(tǒng)，在細(xì)節(jié)分辨率、清晰度和動(dòng)態(tài)范圍方面提供極高的圖像質(zhì)量。

采用自適應(yīng)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償（AMC）方法補(bǔ)償多向運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)的圖像模糊，并額外補(bǔ)償傾斜圖像中的地面采樣距離變化，以獲得高質(zhì)量的清晰度和逼真度。航攝速度高達(dá)60m/s，80%的前向重疊，每0.7s收集120億像素，并且旁向上具備20544個(gè)像素，從而減少了飛行路線、提高了飛行收集效率。在困難的交通管制區(qū)域可采集的影像數(shù)據(jù)地面分辨率可達(dá)2.5cm。相機(jī)物理參數(shù)如表1所示。

表1 UltraCam Osprey 4.1參數(shù)表

3.2 試驗(yàn)過程

采用賽斯納208 B飛機(jī)，在相對(duì)航高900 m情況下，南北向豎直飛行47條航線（其中6條航線用于檢校場飛行），總航線長450 km，搭載UltraCam Osprey 4.1相機(jī)，設(shè)置2977×5個(gè)曝光點(diǎn)，以下視分辨率為0.08 m、航向重疊度為70%、旁向重疊度為70%獲取面積約25 km2的傾斜影像。共飛行1個(gè)架次，同時(shí)實(shí)測10個(gè)地面控制點(diǎn)和6個(gè)檢查點(diǎn)，其精度滿足1∶1 000大比例尺成圖要求。測區(qū)航線設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3測區(qū)航線設(shè)計(jì)圖

以UltraCam Osprey 4.1相機(jī)獲取的傾斜影像、GNSS/IMU提供的外方位元素及相機(jī)參數(shù)作為數(shù)據(jù)源，在攝影測量軟件中進(jìn)行空中三角測量時(shí)，利用前方交會(huì)計(jì)算下視和傾斜影像每個(gè)像元的物方坐標(biāo)，使用APM算法生成大量連接點(diǎn)，對(duì)連接點(diǎn)進(jìn)行平差，結(jié)合人工調(diào)整、自動(dòng)粗差剔除等操作，構(gòu)建較高精度的區(qū)域網(wǎng)。

將控制點(diǎn)引入已構(gòu)建的區(qū)域網(wǎng)，并根據(jù)其在影像上的布設(shè)情況合理分布。將布設(shè)控制點(diǎn)進(jìn)行單獨(dú)平差測試，在確?？刂泣c(diǎn)精確性的基礎(chǔ)上，結(jié)合連接點(diǎn)進(jìn)行整體區(qū)域網(wǎng)平差，將整個(gè)區(qū)域網(wǎng)歸化至項(xiàng)目定義的投影坐標(biāo)系下。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

本測區(qū)控制點(diǎn)在x、y、z方向的中誤差分別為0.071 6 m、0.0845 m、0.089 2 m，最大誤差為0.153 1 m、0.180 5 m、0.184 0 m，精度結(jié)果如表2所示。

表2三維重建精度 單位：m

基于以上結(jié)果，開展SGM匹配，生成高密度點(diǎn)云；同時(shí)收集范圍內(nèi)房屋普查dwg矢量數(shù)據(jù)，利用三維重建軟件進(jìn)行三維單體建模，總體耗時(shí)為4小時(shí)30分，利用傳統(tǒng)3dMAX進(jìn)行重建則需1個(gè)多月的時(shí)間。由此可見：采用本文方法進(jìn)行三維重建的效率較高。

將建立好的單體模型及DEM、DOM等數(shù)據(jù)導(dǎo)入三維瀏覽器中，可對(duì)成果進(jìn)行三維可視化。三維重建成果真實(shí)，效果美觀。局部效果如圖4所示。

圖4三維重建局部效果圖

4.結(jié)束語

基于以上研究得出以下結(jié)論：

基于傾斜攝影測量技術(shù)的數(shù)字城市三維重建方法相對(duì)于傳統(tǒng)三維重建方法而言，自動(dòng)化程度高，三維建模效果好，提高了項(xiàng)目生產(chǎn)效率，總體上為數(shù)字城市項(xiàng)目降低了成本。同時(shí)，由于本文三維重建后的單體模型是對(duì)象化成果，故不僅可量測，還可滿足數(shù)字城市項(xiàng)目中對(duì)不動(dòng)產(chǎn)房屋幢的屬性查詢、分析等需求，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

下一步，為提高三維重建的精度和效果，還可融合激光 點(diǎn)云數(shù)據(jù)和地面照片等數(shù)據(jù)進(jìn)行深入研究。