基于倾斜摄影测量技术的城市三维建模方法研究

2014-11-28牛鹏涛NIUPengtao

价值工程 2014年26期

牛鹏涛NIU Peng-tao

（河南工业职业技术学院，南阳 473009）

（Henan Polytechnic Institute，Nanyang 473009，China）

0 引言

近年来，国际地理信息领域将传统航空摄影技术和数字地面采集技术结合起来，发展了一种称为机载多角度倾斜摄影的高新技术，简称倾斜摄影技术。倾斜摄影技术通过在同一飞行平台上搭载多台或多种传感器，同时从多个角度采集地面影像，从而克服了传统航空摄影技术只能从垂直角度进行拍摄的局限性，能够更加真实地反映地物的实际情况，弥补了正射影像的不足，通过整合POS、DSM及矢量等数据，进行基于影像的各种三维测量。基于人眼视觉适合于观察倾斜透视像片的特点，倾斜影像测量技术更适合于网络环境应用。针对倾斜摄影数据的特点，人们进行了多方面的研究探讨。该技术可广泛应用于测绘、国土安全、城市管理等领域。

1 倾斜摄影测量技术

基于多角度观测的倾斜摄影测量技术（Oblique Photography Technique）是新一代的摄影测量技术。它主要包括倾斜摄影数据获取技术和数据处理技术。倾斜摄影测量技术的数据获取部分一般由四个个倾斜摄影相机和一个垂直摄影相机构成，与GPS 接收机、高精度IMU 进行高度集成。摄影相机用来提供影像信息，而GPS、IMU 则分别提供位置和状态信息。在后续的数据处理过程中，一般通过在系统中集成定位、定姿设备或进行空中三角测量处理为拍摄的每张影像提供位置姿态信息。倾斜摄影测量技术使得“非现场”测量和分析可以在倾斜航片上进行，这—突破取决于它通过摄影测量方式获得的垂直正射像片和倾斜正射像片被整合到一个“场景文件”中，而“场景文件”则能够提供对任一构筑物及特征物的多视向、多维度的观察，将地物的观测引入符合人眼视觉的真实直观世界。

2 倾斜摄影测量技术在国内外的发展现状

国外对倾斜摄影测量技术的研究起始于上世纪90 年代，目前该技术的应用已经逐渐推广，并在北美、欧洲得到广泛的应用。世界上最早研究倾斜摄影技术的公司是美国的PICTOMETRY 公司。目前PICTOMETRY 公司的倾斜摄影系统对人们使用地理空间信息的方式产生了很大的影响。美国微软公司开发的Bing Maps 的使用也引发了Google Earth 的高度关注。2005 年，欧洲的Blom 集团与PICTOMETRY 公司签署了协议，以利用其倾斜摄影测量技术对覆盖西欧人口超过5 万的所有城镇、大约1000 个城市，十万余平方公里的地域提供图像分辨率为10cm-12cm、位置精度约0.5m 的数据服务。

国内测绘行业于2010 年首次引进倾斜摄影技术。国内方面，刘先林院士研制的SWDC-5 倾斜摄影系统在河南省平顶山市新城区成功完成了试验，该系统通过同一飞行平台用5 个视角对地面进行拍摄，通过集成POS 系统获取影像的位置、姿态信息。位于武大科技园空间信息产业基地的华正空间（武汉）软件技术有限公司在机载多镜头倾斜摄影测量系统的基础上自主研发了地理空间信息和应用平台系统“3DRealWorld”，该系统软件是具有世界领先水平的基于航空倾斜影像的地理空间信息和应用平台系统。北京天下图公司则作为全国首次引进斜摄影技术的航摄单位，将美国PICTOMETRY 公司的机载倾斜摄影设备及相关解决方案引入中国，结合北京天下图在国内航摄领域的技术优势和市场资源，形成了自有的倾斜摄影影像获取及应用技术。

3 基于倾斜摄影成果的三维测量技术

使用常规基于垂直摄影像片的摄影测量技术进行三维建模，只能够处理屋顶等平面上和部分立面纹理，而大部分的立面纹理需要费时费力的地面摄影来提供。由于倾斜摄影测量能够直接观测到地面建筑物的立面并能够在影像上直接测量物体的高度、长度，或参考激光雷达获取的DSM 建立建筑物的几何模型。建筑物几何模型的纹理由倾斜摄影像片提供，甚至可以通过倾斜航空像片技术与三维块状模型技术组合得到具有真实图像纹理细节的三维建筑物模型。

倾斜摄影测量系统进行三维建模的主要过程是，基于多角度倾斜相机摄影数据获取系统飞行拍摄的影像、拍摄时同步记录的POS 数据、该区域DSM 数据、DLG 数据等资料，进行必要的加工处理，建立基于机载多角度倾斜摄影影像的三维测量系统。其主要过程如图1 所示。

图1

4 利用倾斜摄影测量技术的城市三维建模方法

在三维建模过程中，我们一般将简单建筑物视为一个多面体，将复杂的建筑物视为多个多面体的组合。城市中的建筑物随着近年来建筑科学的发展，外形越来越复杂，要建立建筑物三维模型，多个多边形模块组成的建筑物模型是我们城市三维建模遇见的基本问题。而另一方面，三维建模还需要根据建筑物的几何信息和建筑物表面的真实纹理进行贴图。

目前建筑物的三维建模方法主要有模拟建模、半模拟建模和测量建模，前面两种方法的思路为：通过地物的平面轮廓模型与地物的高程模型结合，方法简单，但是与实际模型比较差距较大。城市三维建模的方法主要是测量建模，可通过航空摄影测量的方案实现，主要方法包括基于航空影像的交互式获取和基于航空影像及地面摄影对建筑物特征线特点进行自动提取这两种方法。前者能够真实地获取建筑物信息，但是整个过程中需人工干预，数据处理缓慢，后者则可以满足大批量数据处理，但是需要整合的信息量大，目前应用较为困难。综上所述，目前较为合适的方法为：从测区DLG 数据中提取建筑平面边界数据。以倾斜摄影测量的立体像对为基础，将平面边界数据与摄影测量预处理的产品（DSM、DEM）进行配准、套合，继而进行建筑物几何模型的建立。具体的建模思路如下：

由机载倾斜摄影系统实施航空倾斜摄影，对航摄后获取的原始影像及POS 数据进行处理，包括亮度、饱和度等视觉方面的统一；垂直和倾斜影像的筛选甄别；根据已有检校数据对POS 系统进行改正，确实精确的方位元素。然后根据以上成果，利用垂直影像、倾斜影像数据和空三测量加密成果，进行影像密集匹配，生产出基于真实影像超高密度点云的DSM 数据，初步制作全要素的三维数字城市模型场景，最后利用模型编辑软件进行后处理，生产出全要素的三维数字城市模型及场景。