段政明

摘要：在城市建設(shè)和自然變化等多種因素的疊加作用下，各類復(fù)雜多樣、對(duì)歷史研究具有重要意義的古建筑在損壞后因缺少資料而極難修復(fù)，因此，對(duì)其進(jìn)行數(shù)字化保護(hù)，為后續(xù)修繕提供數(shù)據(jù)支撐意義重大。文章主要在傾斜攝影測量技術(shù)基礎(chǔ)上，進(jìn)行多角度影像間特征匹配能力分析，驗(yàn)證空中航線規(guī)劃的傾斜攝影和自由航飛采集近景攝影測量結(jié)合的精細(xì)化三維重建方法可行性。

關(guān)鍵詞：復(fù)雜建筑；傾斜攝影測量；多角度影像；精細(xì)化重建

中圖分類號(hào)：P231? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

在城市建設(shè)和自然變遷等多方面的作用下，我國存世的各類古建筑一直面臨破壞的風(fēng)險(xiǎn)，這些建筑具有悠久歷史和文化意義，對(duì)歷史研究具有重要作用，因此，對(duì)其進(jìn)行數(shù)字化保護(hù)，為后續(xù)可能的修繕提供數(shù)據(jù)支撐意義重大［1］。

隨著測繪地理信息行業(yè)的技術(shù)發(fā)展，一些能夠進(jìn)行三維實(shí)景重建的技術(shù)得到了實(shí)驗(yàn)應(yīng)用，此類三維數(shù)據(jù)具有可視化更直觀、紋理信息更清晰、測量精度更準(zhǔn)確等特性，能夠真實(shí)地還原所構(gòu)建的模型外貌，為建筑物的數(shù)字化提供了新方法［1-2］。常見的實(shí)景三維重建方法主要有三維激光掃描和傾斜攝影測量兩種，兩種方法在三維重建上各自具有不同的優(yōu)勢，適合不同場景的三維重建工作［3］。

本文在對(duì)兩種方法進(jìn)行對(duì)比后，選擇在傾斜攝影測量技術(shù)的基礎(chǔ)上開展復(fù)雜建筑的三維重建研究工作。探索多角度影像特征匹配問題，實(shí)現(xiàn)空中航線規(guī)劃的傾斜攝影和自由采集近景攝影結(jié)合的，精度可達(dá)毫米級(jí)的精細(xì)化三維重建技術(shù)方案。

1 三維建模方法

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備儀器

經(jīng)過探討研究后，選擇大疆精靈4Pro無人機(jī)作為傾斜攝影測量采集設(shè)備，該款無人機(jī)具有價(jià)格低廉、操作簡潔和小巧靈活等諸多優(yōu)勢，能夠更好地兼具經(jīng)濟(jì)性和適用性。該無人機(jī)搭載一臺(tái)有效像素2 000萬的相機(jī)和具有較好防抖效果的云臺(tái)。

1.2 傾斜攝影測量技術(shù)

傾斜攝影測量的主要技術(shù)原理是通過采集同一物體多角度的、具有重疊的紋理特征影像，提取影像間的同名特征點(diǎn)，利用共線方程等計(jì)算方法恢復(fù)影像位置姿態(tài)信息［4］；繼而通過像素獲取物體表面三維點(diǎn)的坐標(biāo)，構(gòu)建出點(diǎn)云數(shù)據(jù)［5］；將三維密集點(diǎn)云連接成三角網(wǎng)組成白模模型后，映射相應(yīng)的紋理即可得到實(shí)景三維模型［6］，此模型具有真實(shí)的紋理和坐標(biāo)數(shù)據(jù)，可視化、可量測效果好（見圖1）。

相較于三維激光掃描技術(shù)，基于影像數(shù)據(jù)的傾斜攝影測量技術(shù)具有數(shù)據(jù)量小、采集數(shù)據(jù)角度多樣化、設(shè)備經(jīng)濟(jì)低廉等特點(diǎn)，能夠更快速、高效的采集數(shù)據(jù)信息構(gòu)建大范圍的實(shí)景三維模型［7-8］。

2.3 多角度影像特征匹配分析

影像采集相機(jī)位置姿態(tài)的變化會(huì)使影像間產(chǎn)生不同的角度差異，在航線規(guī)劃采集數(shù)據(jù)時(shí)差異變化較小，但在進(jìn)行自由采集獲取復(fù)雜建筑近景多角度影像時(shí)，角度的多樣化、差異化會(huì)增大影像空三解算難度，甚至導(dǎo)致解算失?。?］。

因此，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證多角度影像匹配問題十分必要，本實(shí)驗(yàn)主要用良好匹配點(diǎn)對(duì)這一指標(biāo)評(píng)價(jià)不同傾斜角度影像間匹配效果，良好的匹配點(diǎn)對(duì)可被認(rèn)為是正確的特征匹配，其數(shù)量越多可以認(rèn)為匹配效果越好（見圖2）。

實(shí)驗(yàn)主要選取一處復(fù)雜仿古建筑作為研究對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行自由影像采集，通過環(huán)繞飛行間隔4度采集建筑影像90張，提取多張角度間隔連續(xù)變大的影像，將具有代表性、廣泛使用的A-SIFT算法作為同名點(diǎn)對(duì)特征匹配算法，對(duì)不同角度間隔的影像進(jìn)行特征的提取和特征點(diǎn)的匹配，比較不同角度間隔影像間的同名特征點(diǎn)匹配效果，分析角度變化對(duì)傾斜影像匹配的影響（見圖3）。

多角度影像間匹配結(jié)果統(tǒng)計(jì)匯總?cè)绫?所示。

分析表格數(shù)據(jù)可知，匹配到的點(diǎn)對(duì)數(shù)量和兩張影像間的傾斜角度呈負(fù)相關(guān)，角度間隔越大，匹配算法的匹配效果越差，這一結(jié)果與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)是具有一致性的；在此基礎(chǔ)上，對(duì)角度間隔4°～64°的影像對(duì)間進(jìn)行匹配，獲得不同相對(duì)傾斜角度的良好匹配結(jié)果，構(gòu)建相對(duì)傾斜角度與良好匹配點(diǎn)對(duì)數(shù)之間的關(guān)系曲線，如圖4所示。

在影像間相對(duì)傾斜角度增加到10°周圍時(shí)，良好匹配的點(diǎn)對(duì)數(shù)量會(huì)大幅度減少，因此，可以分析認(rèn)為影像間相對(duì)傾斜角度10°～12°作為一個(gè)分界區(qū)，超過此分界的影像只能匹配到很少的同名特征點(diǎn)對(duì)數(shù)量，這會(huì)直接影響傾斜攝影測量得到的多角度影像整體進(jìn)行空中三角測量解算效果，最終影響三維模型重建的成果質(zhì)量。

3 復(fù)雜古建筑精細(xì)化重建應(yīng)用

3.1 區(qū)域基本情況

多角度傾斜影像進(jìn)行復(fù)雜古建筑三維重建實(shí)驗(yàn)場地選擇一處仿古建筑，該建筑周圍無其他大型建筑整體，較為獨(dú)立，側(cè)面墻體紋理較為豐富，適合作為技術(shù)應(yīng)用驗(yàn)證場地。該仿古建筑整體呈規(guī)則矩形，長約為14 m，寬約為10 m，高度約為10 m。

3.2 多角度影像數(shù)據(jù)采集

3.2.1 空中航線規(guī)劃的傾斜攝影

使用精靈4Pro進(jìn)行固定航高影像采集，根據(jù)現(xiàn)場情況，航線飛行高度為45 m，航向和旁向重疊度設(shè)置不低于70%，共采集到270張傾斜影像數(shù)據(jù)。

3.2.2 自由采集近景攝影

固定航高采集影像因?yàn)榉直媛瘦^低、影像角度固定，無法較好的采集到復(fù)雜建筑側(cè)面精細(xì)紋理，此時(shí)使用無人機(jī)進(jìn)行自由角度影像采集，采集建筑側(cè)面精細(xì)紋理信息，采集時(shí)要確保相鄰傾斜影像相對(duì)傾斜角度不大于10°，從而保證多角度影像間能夠匹配到足夠的特征，進(jìn)行空三解算，最終采集到600張影像。

3.3 模型構(gòu)建效果分析

通過將固定航線規(guī)劃采集影像與自由角度采集影像進(jìn)行聯(lián)合空三解算［10］，在空三解算的基礎(chǔ)上進(jìn)行密集點(diǎn)云生成、三角網(wǎng)白膜構(gòu)建、紋理映射，最終得到復(fù)雜古建筑精細(xì)化的外部模型（見圖5），對(duì)模型整體表現(xiàn)效果進(jìn)行分析，截取模型細(xì)節(jié)進(jìn)行比對(duì)（見圖6），多角度傾斜影像聯(lián)合構(gòu)建復(fù)雜建筑模型在重復(fù)紋理特征、側(cè)面精細(xì)紋理細(xì)節(jié)方面具有更完整的表達(dá)和展示。

4 結(jié)語

本文在對(duì)多角度傾斜影像間的特征匹配問題進(jìn)行探討后，利用空中航線規(guī)劃的常規(guī)傾斜攝影和自由采集近景攝影測量結(jié)合，進(jìn)行多角度傾斜影像間的聯(lián)合空中三角測量解算，恢復(fù)影像間的姿態(tài)和位置，最終構(gòu)建實(shí)景三維模型，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)分析后證實(shí)模型整體精度、紋理細(xì)節(jié)具有大幅度提升，能夠較好地實(shí)現(xiàn)精細(xì)化三維重建。該方法具有整體操作簡單，技術(shù)設(shè)備要求較低等特點(diǎn)，適合進(jìn)行靈活的復(fù)雜建筑精細(xì)化建模工作。

參考文獻(xiàn)

［1］尚濤，孔黎明.古代建筑保護(hù)方法的數(shù)字化研究［J］.武漢大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2006（1）：72-75.

［2］楊曉波，李欣亮，趙青，等.基于多源數(shù)據(jù)的西藏傳統(tǒng)古建筑三維精細(xì)化重建——以布達(dá)拉宮為例［J］.實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2019（8）：4-8.

［3］索俊鋒，劉勇，蔣志勇，等.基于三維激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)的古建筑建模［J］.測繪科學(xué)，2017（3）：179-185.

［4］袁修孝，蔡楊，史俊波，等.北斗輔助無人機(jī)航攝影像的空中三角測量［J］.武漢大學(xué)學(xué)報(bào)（信息科學(xué)版），2017（11）：1573-1579.

［5］吳軍，姚澤鑫，程門門.融合SIFT與SGM的傾斜航空影像密集匹配［J］.遙感學(xué)報(bào)，2015（3）：431-442.

［6］范沖，王學(xué).三維城市建筑物的紋理映射綜述［J］.測繪與空間地理信息，2014（7）：1-4.

［7］龔健雅，季順平.從攝影測量到計(jì)算機(jī)視覺［J］.武漢大學(xué)學(xué)報(bào)（信息科學(xué)版），2017（11）：1518-1522.

［8］龔健雅，季順平.攝影測量與深度學(xué)習(xí)［J］.測繪學(xué)報(bào)，2018（6）：693-704.

［9］楊化超，姚國標(biāo)，王永波.基于SIFT的寬基線立體影像密集匹配［J］.測繪學(xué)報(bào)，2011（5）：537-543.

［10］袁修孝，朱武，武軍酈，等.無地面控制GPS輔助光束法區(qū)域網(wǎng)平差［J］.武漢大學(xué)學(xué)報(bào)（信息科學(xué)版），2004（10）：852-857.

（編輯 何 琳）

Application of complex building fine reconstruction based on multi-angle tilt image

Duan? Zhengming

（Yangling Vocational and Technical College， Yangling 712100， China）

Abstract：? Under the superposition of various factors such as urban construction and natural change， it is extremely difficult to repair various complex and diverse ancient buildings of great significance to historical research due to lack of data after damage. Therefore， it is of great significance to carry out digital protection for them and provide data support for subsequent repair. Based on the tilt photogrammetry technology， this paper analyzes the feature matching ability between multi-angle images， and verifies the feasibility of the refined 3D reconstruction method combining the tilt photogrammetry of air route planning and the free-flight close-range photogrammetry.

Key words： complex building; tilt photogrammetry; multi-angle image; refined reconstruction