应用航空摄影测量的城市三维建模

王长虹

摘 要：A3作为一种新型航空摄影系统，在数据采集应用中具有高效率、高分辨率、高精度的特点，同时还能采集真正射和倾斜影像数据，在城市三维建模中具有独特的技术优势。基于A3航摄数据制作三维模型，在传统建模路线上进行了局部创新，新建了一套新的建模方法和技术流程，充分利用A3数据优势，提高模型质量和生产效率。

關键词：A3 航空摄影 城市三维模型 纹理

中图分类号：P208 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）04（a）-0046-03

三维城市模型的构建，一直是测绘领域的主要发展趋势和热门研究课题，在城市规划、国土管理、通信、房地产、城市应急减灾、虚拟现实等行业领域具有极为重要的应用价值。

目前业内针对城市三维建筑模型还没有一个建模标准，笔者基于近两年的项目与技术实践，认为构筑数字城市中的模型数据应该至少包含以下要素：高精度的地形数据、准确的建筑模型以及真实的城市纹理和真实的要素模型等，这是城市最真实化的展示。基于最真实的城市模型数据，才可以实现三维视角下的城市空间信息管理、查询和分析，使普通用户不仅能有接近现实世界真实的感受，也为专业用户提供城市空间现状更为真实、客观和准确的数据分析。

1 A3航空摄影技术介绍

1.1 硬件简介

2011年以色列VisionMap公司推出了大幅面A3数字航摄仪，将传统框幅式与推扫式优点结合起来，并且配备300 mm超长焦距，可以高效率同步获取正射和倾斜高分辨率影像。

A3数字航摄仪由存储器、小型计算机、GPS、电源、控制终端接口及旋转双镜头组成。相机质量为35 kg，尺寸为53×53×53 cm，镜头数量2个，焦距300 mm。

1.2 主要技术特点

（1）300 mm超长焦距在相同航高下可以获取超高分辨率影像数据，保证城市影像分辨率质量和效果。（2）109°超大视场角可以获取超大幅面影像数据，不但采集效率高，还可以同步采集不同角度的影像。（3）70%以上超高重叠度可获取同一地物的多角度观测影像，保证航带间影像加密点数量，提高空三精度。（4）LightSpeed全自动数据处理系统，可以保证数据的生产效率。

2 三维模型制作方法

2.1 技术路线

基于A3航空摄影数据特点，同时吸收了传统建模方法中手工制作的优点，形成了一套较完整的解决方案，可以有效解决传统城市三维建模的不足。

该方案利用A3数字航摄仪提供的超大幅面立体像对（superlarge format，SLF）同步采集建筑物矢量模型、地形，并利用大角度倾斜影像映射建筑模型侧面纹理。另外，为了弥补航空采集不足，地面底商、楼宇遮挡以及小品等区域，通过地面拍照方式进行采集制作，如图1所示。

该技术路线具有如下特点：

（1）利用A3高空航空摄影的作业方式，可以进行大面积、高效率的采集，特别适合大范围、快速的城市建模需求。（2）超大幅面立体像对（SLF）可以用于采集准确的建筑物轮廓几何信息，并同步提取高分辨率的纹理，节省纹理单独制作环节。（3）A3长焦距影像可以制作城市准真正射影像，保证城市密集区的视觉效果，与三维模型整合的三维场景更真实。（4）此种方式建立的建筑物模型为单体的、对象化的模型，可以对各个模型进行单独的加工、修改、编辑，甚至添加各种属性信息。（5）实景模型数据精确，三维GIS分析结果准确度更高，可以满足规划、国土、城市管理等领域的应用需求。

2.2 三维模型制作

利用超大幅面立体像对（SLF）进行三维模型的制作。在立体采集环境的支持下，类似传统DLG采集模式，采集建筑物几何信息。较传统航摄相机，SLF立体像对由于视场角度大，可以最大可能采集到建筑物侧面几何信息，如图2所示。

2.3 实景纹理制作

（1）倾斜影像空间定位。

经过空三加密输出的SLF立体像对具有精确的影像外方位元素，可以准确恢复每张影像的空间位置，具有精确的三维坐标信息，如图3所示。

（2）纹理制作。

在制作出高精度的体框模型后，基于定位后倾斜影像本身的特点，结合数字三维及空间几何投影技术选取每个模型面，获得其角点的物方坐标（X，Y，Z），已知倾斜影像的外方位元素及倾斜影像本身的投影框物方坐标（X，Y，Z），通过判断每张倾斜影像与该模型面是否相交筛选出与之模型面对应的所有影像集，然后利用共线方程，计算出所选模型面在每张像片上的投影像点坐标（x，y），通过筛选算法按照影像质量及影像投影面最优原则将相应影像集排序，挑选最优影像稍作编辑，最后将所选像片纹理部分截取并计算出纹理坐标自动映射到模型面上，从而实现实景三维模型的自动化纹理提取映射功能，如图4所示。

3 应用案例

2014年4月，在长沙市选取了约50 km2建成区进行A3影像数据采集，为了更好采集侧面纹理，测区采用双向交叉飞行方式，测区技术参数见表1。

该项目制作完成1∶1 000数字高程模型（DEM）、数字正射影像（DOM），并针对核心区进行了实景城市模型制作，如图5所示。

4 三维建模技术探讨

4.1 精细的模型不一定真实

在传统三维模型制作中，为了三维可视化效果的需要，模型数据在制作与认识上偏离了三维应用的根本需求。模型制作的精细、精美并不等于数据的真实、可靠。传统精细模型的制作多数依靠人工拍照方式进行结构细化，受制于地面拍照范围限制，多数模型结构只能靠经验估算。在缺少准确数据的支撑前提下，一味地追求模型精细度，最终导致的是人为制造的精细，增加了大量冗余数据，降低了数据使用效率。同时因为真实度不高，在实际数据应用中无法体现三维的价值。以数码航摄、激光雷达等为代表的新技术中，可以保证建筑模型的相对与绝对精度，另外利用倾斜影像作为纹理源，保证了每个模型面都具备唯一的真实纹理，杜绝虚假纹理，增加了模型的真实度。

4.2模型可对象化操作

随着倾斜摄影技术快速发展，基于大重叠度倾斜影像可以快速重建城市三维，提高了用户浏览地图时的城市三维体验。但是，在近距离浏览该数据时，可以发现在建筑细节方面还有较大缺陷，不能进行精细化三维应用。另外，该数据不同于传统的三维数据，在成果格式和应用平台均有特殊要求，只能以特定的格式和平台进行浏览展示。模型的可对象化操作与目前地理信息平台数据三维分析需求相对应。只有可对象化操作的模型才方便进行编辑、更新和关联相关属性信息，进行城市精细化管理应用。如在建筑方案规划对比中，可以进行单体模型替换，多方案综合对比。在城市拆迁分析中，关联建筑年代、住户人口等相关信息，准确分析拆迁成本等重要数据。

4.3 城市级三维数据的考验

传统三维建模受作业效率限制，基本以小场景景观建模为主，数据量对三维平台考验不大。在倾斜摄影技术出现后，城市量级的快速建模需求得以解决。随之而来是城市三维整体數据量的激增，对三维应用平台带来了巨大的考验。因此，一方面在分析应用需求的同时，制定适宜的模型制作标准，控制模型数据量；另一方面三维应用平台还需要不断完善承载能力，提高大数据的加载流畅度和纹理显示效果。只有在三维数据和平台相互促进不断提高时，才能真正展现出城市真实的三维场景，将三维数据服务于城市管理和决策。

5 结语

A3作为一种新型航空摄影系统，在数据采集中具备高效率、高分辨率、高精度的特点，同时还能采集真正射和倾斜影像数据，在城市三维建模中具有独特的技术优势。基于A3航摄数据制作三维模型，在传统建模路线上进行了局部创新，新建了一套新的建模方法和技术流程，充分利用A3数据优势，提高模型质量和生产效率。城市三维模型只有在满足现势性、真实性和准确性的基础上，且能结合现有三维GIS平台进行单体化操作、城市级大数据分析，才能发挥三维数据价值，为城市智慧决策提供分析依据。

参考文献

[1] 张祖勋，张剑清.数字摄影测量学[M].武汉：武汉大学出版社，1997.

[2] 何文林，郭文.航空摄影测量像片控制点布设方案研究[J].四川测绘，2003，26（1）：43-48.

[3] 张剑清，潘励，王树根.摄影测量学[M].2版.武汉：武汉大学出版社，2009.