多视角影像自动化实景三维建模的生产与应用

2016-06-01黄健，王继

测绘通报 2016年4期

关键词：倾斜摄影

黄　健，王　继

(江苏省测绘工程院，江苏南京 210013)

多视角影像自动化实景三维建模的生产与应用

黄健，王继

(江苏省测绘工程院，江苏南京 210013)

Production and Application of Automatic Real 3D Modeling of Multi-view Images

HUANG Jian,WANG Ji

摘要：多视角摄影是近年国际上新兴发展的航空摄影技术。本文依托项目介绍了以多视角航摄获取的多视影像数据采用基于图像的自动化建模技术进行数字城市实景三维模型数据生产的技术和流程；进行了数据成果的质量检测及评定，并据此对数据成果进行了相应的分析；最后结合该技术陈述了笔者的观点，对于多视角摄影测量技术的应用和实景三维模型数据的自动化生产具有较好的参考作用。

关键词：多视角航空摄影；倾斜摄影；多视影像；实景三维模型

快速、高效地获取并更新维护数字城市三维模型数据一直是三维建模技术研究的热点。按数据采集方式和建模手段，城市三维建模技术可分为以下几类[1-2]：①基于CAD的建模技术；②三维组件式自动建模技术；③基于摄影测量的城市三维建模技术；④全景照片建模技术；⑤移动测量建模技术；⑥激光扫描建模技术等。

在常规建模方法中，方法①使用3ds Max等模型设计软件，以现有大比例尺地形图矢量数据为基础进行三维建模，在建立逼真、高精度的三维建筑模型方面具有优势，但是其建模生产存在成本高、效率低等问题。方法②将按照一定规则建好的如建筑物盒子、地下管线、交通设施、市政设施等具有一定的相似性或可描述性的三维模型组件存储起来，以供在三维场景中进行调用，其特点是效率高、成本低，但是其一般只应用于模型精度要求不高的环境。方法③利用航空摄影测量技术采集测量获取最新DLG二维或三维矢量数据，再进行建模，其优点是可高精度构建测区范围内所有垂直方向可视的地物模型和地形地貌三维景观等，但是垂直方向不可见的建筑物侧面纹理信息需要靠其他手段来获取并构建。从以上分析可以看出：方法②模型精度不高，在数字城市建设中应用有限，而方法①和③在三维建模阶段都需要依靠大量技术娴熟的三维建模人员使用诸如Sketch Up、3DMax等三维模型设计软件耗费巨大工作量手工进行建模作业。数字城市三维建模的生产存在生产工艺复杂、对人员技术要求高、劳动强度大、生产周期长、产品质量不可控等不利因素，制约了三维GIS的发展和推广。

使用多视角航空摄影测量技术获取多视影像数据，运用基于图像的自动化三维重建技术进行三维建模的构建，可以极大地提高数字城市三维模型的生产效率，为三维GIS提供现势、逼真、可靠的实景三维模型数据。

一、多视角摄影技术

利用摄影测量技术进行三维建模是常规方法中精度相对较高、建模效果较好的一种。但是在摄影测量中，由于如卫星、飞机等的传感器都是垂直于地面安置，受航高和空间摄影姿态限制，仅能获得建筑的高度信息和顶部纹理信息，难以满足数字城市建模三维数据获取的要求。如果将镜头按一定角度进行倾斜安置，使得视准轴与建筑物侧面法线夹角减小，则可以有效解决建筑物侧面纹理信息的获取问题。多视角摄影技术就是基于该理念应运而生的。多视角摄影技术又称为倾斜摄影技术，它是国际测绘遥感领域近年发展起来的一项技术，通过在同一飞行平台上搭载多台传感器，同时从垂直、倾斜等不同的角度采集影像，获取地面物体更为完整准确的信息[3-4]是数字城市建模三维数据获取手段的主流趋势。虽然倾斜摄影更常出现，但因倾斜不能反映多相机、多摄影角度的特征，本文中更倾向于使用多视角摄影这一技术定语。多视角摄影技术的应用使得在航摄时可以在较相似的摄影条件和现势性条件下获取建筑物顶部和侧面的特征和纹理信息，使得数据的相关性加强，为之后进行的基于图像的自动化模型构建创造了条件。

Smart3Dcapture(简称S3C)是法国Acute3D公司开发的一套基于图形运算单元的快速三维场景运算软件，其运行无需人工干预，仅依靠连续的二维影像就能还原出可以达到原始影像像素分辨率的实景三维模型，是目前世界上最优秀的基于图像的三维重建软件[5]。S3C软件的应用结合多视影像数据使得数字城市三维模型的自动化生产更易于实现。

二、项目概述

主城区基础三维城市景观建模是数字丹阳地理空间框架建设中的一个子项目。江苏省测绘工程院联合上海航遥公司采用AMC580多视角航空照相机系统以多视角数码航空摄影技术实施数据获取，采用Acute3D公司的S3C自动三维建模软件来实施项目区域内数字城市实景三维模型构建。

本次航摄和建模的范围为丹阳市主城区，实际航摄及建模区域面积约为120平方千米。采用多视角数码航空摄影技术，获取1个垂直影像和4个倾斜影像的真彩色数码影像数据，相对航高为740 m；采用网络RTK作业模式进行像片控制测量；采用多视影像空中三角测量技术进行区域网空三加密；采用基于GPU并行运算的影像密集匹配技术及后续三维建模技术进行Mesh模型构建及纹理映射；采用逆向工程技术对生产后Mesh模型进行模型数据修补和优化；最后采用LOD技术及OSG技术协调GIS技术实现对三维模型数据进行发布应用。

“数字丹阳”项目的基于多视角航空摄影的数字城市三维模型生产建设生产工艺流程如图1所示。

三、精度检测和质量评定

为验证利用多视影像数据使用S3C软件实施自动化三维建模所生产出的实景三维模型数据的精度和质量情况，在模型自动化创建结束之后，江苏省测绘工程院组织对该初级模型数据进行了精度检测。检查方法采用人机交互检查和通过外业实地抽样巡查相结合的方法实施。

经检测，其数据质量综述如下：①影像地面分辨率为0.08 m，影像精度达到Ⅱ级；②地形模型：能反映地形起伏特征和地表影像，检测精度优于0.75 m，达Ⅲ级要求；③建筑要素模型：主要对房屋建筑顶部和楼体采用主体建模及基本轮廓和外结构进行几何建模表现，外立面采用能基本反映地物色调、细节特征结构的影像，屋檐、开放阳台、下穿结构、门廊、女儿墙等突出物和重点装饰表现不完整；④植被要素模型：对带状绿化树、绿化林地、苗圃等采用主体建模表现，及采用多面片的方式表现，外立面采用能基本反映树木色调和特征的影像，花圃(坛)、草地一般用地形表现(Ⅱ级)；护树设施与绿地护栏一般未表现(Ⅲ级)；⑤交通要素模型：地面道路、路基、桥梁、铁路等用主体建模表现，纹理基本能反映路面材质和交通标线(Ⅱ级)。

图1

检查结论为综合模型的平面精度、高度精度、地形精度、影像分辨率、模型精细度及纹理精细度等各项技术指标达到的等级，检查认为该三维模型成果达到二级三维模型景观的要求[5]。

四、数据与效率分析

通过精度检测和质量评定发现，在S3C空三解算模块中采用该区域网控制点布设方案进行空三加密解算，再通过S3C模型重建模块生产出的模型成果，相对于规范[10]在几何精度上平面精度和高度精度均可满足1∶1000的三维模型成果几何精度要求，但是在地形精度方面还有所欠缺，只能达到1∶2000的几何精度要求。有多视影像的参与解算并未显著提高航空摄影测量中地形高程精度的水平。众所周知，在航空摄影测量中，高程精度和平面精度及基高比密切相关，在高程估算上，高程精度为平面精度/基高比，对于AMC580系统的垂直相机，其焦距为55 mm，像幅宽度为40.310 4 mm，航向重叠度最小72%，对于1、2邻片(重叠度72%)，基高比为：1∶4.873；对于1、3邻片(重叠度24%)，基高比为：1∶1.795。其最佳高程估算值即平面最小中误差(0.27 m)/最大摄影基线的基高比(1∶1.795)，也达到了0.485 m，无法满足地形Ⅱ级精度要求。由此可见，地物高程精度和像片的外方位元素的定位精度及像片的基高比密切相关，如果要提高高程精度，即提高外方位元素的定位精度(增加控制点密度，但相对于航向、旁向已很高重叠度的摄区，其将给控制作业和内业转点作业带来巨大作业量，且提高高程精度水平有限)，或提高基高比(由于提高像片重叠度的限度有限，因此选用较短焦距的摄影相机和降低航摄高度是较有效的提高高程精度的方法，但短焦距对相机传感器的尺寸和分辨率要求较高，而降低航摄高度对数据的获取成本及城市的高度限制都有要求)，这需要进行综合考虑加以实施。

地形精度代表的是模型的高程方面的绝对精度，高度精度代表的是模型在高程方面的相对精度，由于该实施方案生产出的模型的高度精度较高，可将模型单体化提取出来后安置到具有满足地形精度要求的三维地形场景中，这也是解决模型地形精度的一种手段，但整体三维模型场景的效果将大打折扣。

模型数据虽相比于常规工艺生产出的模型具有真实、细腻的特点，但也有不尽如人意的地方，在模型质量检测中发现：①空中有如半截高压铁塔等部分悬挂的遮挡物；②个别高层建筑模型立面变形明显；③少部分池塘水面纹理有漏洞；④个别道路表面出现异常横状纹理；⑤个别道路表面纹理有缺损，表示不完整；⑥少部分水面纹理有明显的拼接缝，过渡不自然；⑦个别桥下水面有变形、悬挂；⑧个别道路模型表面有起伏，与实地现状不符等问题。

对于错误①：引起此类错误与影像数据的分辨率与计算机进行影像匹配的辨析能力有关。该类地物的厚度或部件尺寸通常过小，在分米级。当地物的厚度尺寸临界甚至小于影像的分辨率及几何精度水平时，计算机无法将其与周边特征区分开来，要想通过自动化完成该地物的正确建模将是困难的，需通过人工编辑来补齐模型。

对于错误②：经分析，此类建筑物侧面均属于玻璃幕墙或具有较强光反射效果的材料，造成计算机识别困难甚至是无法识别，因此在重新建模时错误或无法建模，也需通过人工干预的方式进行模型修正处理。

对于错误③：由于水的流动、光的反射及纹理的单一都能造成计算机识别错误，需人工拟合处理缺损面。

对于错误④、⑥：是由于影像匀光匀色处理不到位，造成数据在纹理映射时未平滑过渡，因此映射影像数据需重新处理后再重新进行映射来解决。

对于错误⑤、⑧：该问题是由于该路面的纹理单一，局部影像相似度大，造成计算机视觉识别困难，以及数据滤波不充分造成，需进行模型修测处理。

对于错误⑦：是由于多视角相机系统的摄影角度导致数据遮挡，而在其他影像中又没有适合的数据补充，程序在影像匹配时缺少充分的解算条件，因此造成该系列问题，需要进行模型修测处理。

以上这些模型错误都是在自动建模阶段形成，需在其后使用第三方软件进行模型修测处理后，再回S3C软件进行纹理重新映射处理进行解决。

相对于使用常规手段和建模软件手工或半自动建立起来的模型，使用S3C软件自动化建模在效率上有了极大的提高。如对于丹阳市这样县级市城区规模的测区(约100 km2范围)，利用传统手段，需10～20个熟练建模作业人员约一年的时间才能完成三维模型的构建；而使用自动建模模式在S3C软件下建模，从航摄到最终模型生成，仅需1～2人使用拥有4个节点的S3C系统构建在不到3个月的时间即可完成。但是，由于以上质检中存在的问题，需要对模型进行修测和优化处理，这当中就需要加派能够熟练运用逆向工程软件的作业人员对模型进行处理，这样需要约十人左右，持续2～3个月才能完成。这样计算其效率相对于传统模型的构建，提高仅2～4倍。当考虑到多视角影像的航摄成本，以及S3C软件系统的前期投入和整个测区以数十甚至数百TB的数据存储量，其投入和产出需要权衡考虑。

五、相关技术思考

三维实景模型属于三维模型的范畴。三维实景模型以其生产自动化的高效率和逼真细腻地物的现势景观表现而体现出其相对于其他建模方式模型在大范围城市三维场景模型方面的巨大优势。但在现有的三维模型应用条件下，三维实景模型也有其局限性，如：①数据的存储容量过大，三维可视化数据加载困难；②模型面片数过多，模型数据的单体化效果不佳，不利于GIS对模型数据进行分析；③模型的细部表现噪声较多，当屏幕镜头拉近时，展示效果不佳等。

对于①，通过LOD技术对数据进行分层分块组织实际上已经解决，此外,即是使得显示效果更流畅的问题。同时参照DOM数据和DEM数据，它们也不是在一个文件中存放整个测区的数据，而是需要对其进行数据分幅管理，由于LOD技术已经涉及将数据分块，即将模型数据分为若干个Tile，再根据Tile的索引组织成索引文件去进行调度管理。由于传统的三维模型大多为手工创建，各作业人员建模难免会有差异，为保持模型的完整性，通常模型的分块存储是以街区为单位，以保持模型的完整性，这样模型文件的分块和组织就比较随意和无规律。但是以本技术流程自动生产的实景三维模型由于是自动连续生产出来的，不存在数据接边问题，数据分块也可以精确控制，因此可以对模型数据进行标准化管理，将Tile块按照相应比例尺进行分幅。但是，基于Tile数据的优化考虑，即单个Tile的存储容量、模型数据的三维可视化加载和显示的流畅性等，不能以对应的成图比例尺去分幅，而是建议按对应比例尺的模型数据分为4个Tile块，分别命名为图幅号+A、B、C、D来组织和存储数据。

②中的困难实际上可归结于是否有必要简化模型的面片和实施模型的单体化的问题。生产出的三维实景模型本质上就是在DSM上映射了航摄像片的纹理信息，其更接近于二维地理信息数据中的DOM数据，例如在GIS系统中，不会为提取DOM中某个目标地物而将其影像单独裁切开来，而是使用与之匹配的点或是面来反映该地物的信息，在三维GIS系统，完全可以使用点或地物的外包盒子来挂载该地物的GIS属性信息，而三维实景模型只需反映该地物的实体外壳特征。这样只有地物的独立显示和消隐等少数三维GIS操作实现起来较困难，而其余的三维GIS可视化应用交互都基本上可以实现。

③实际上是一个模型显示尺度的问题，例如DOM数据，对于比例尺1∶1000的DOM，在小于1∶1000的尺度上去观察，它是完全满足视觉要求的，如果强行将其放大到1∶100的尺度去观察，其分辨率将无法满足视觉的辨析要求。同样，对于以比例尺1∶1000的要求生产出的三维实景模型，如若强行将其拉到很近去观察，并评价其精细度水平，其评价方法也是不合理的。因此，对于③中的问题，是否应该考虑进行相应的条件限制，从而可以宏观上去把握产品的整体质量。

参考文献：

[1]李德仁，龚建雅，邵振峰. 从数字地球到智慧地球[J].武汉大学学报(信息科学版)，2010,35(2):127-132.

[2]桂德竹，林宗坚，张成成.倾斜航空影像的城市建筑物三维模型构建研究[J]. 测绘科学，2012,37(4)：140-142.

[3]朱庆，徐冠宇，杜志强,等.倾斜摄影测量技术综述[EB/OL].[2014-04-16]. http:∥www.paper.edu.cn.

[4]王伟，黄雯雯，镇姣. Pictometry倾斜摄影技术及其在3维城市建模中的应用[J]. 测绘与空间地理信息，2011,34(3):181-183.

[5]国家测绘地理信息局. 三维地理信息模型数据产品规范：CH/T 9015—2012[S].北京：测绘出版社，2012.

[6]国家测绘地理信息局. 三维地理信息模型生产规范：CH/T 9016—2012[S].北京：测绘出版社,2012.

[7]国家测绘地理信息局. 三维地理信息模型数据库规范：CH/T 9017—2012[S].北京：测绘出版社,2012.

[8]张祖勋,张剑清.数字摄影测量学[M].武汉:武汉大学出版社,2013.

[9]孙宏伟.基于倾斜摄影测量技术的三维数字城市建模[J].现代测绘,2014,37(1):18-21.

[10]汪彬.基于倾斜摄影的三维城市建模[J].地球, 2014(9): 211-212.

中图分类号：P23