浅谈利用倾斜影像进行三维数字城市重建的关键技术

张志高

摘要：倾斜航空摄影具备有效地获取地物侧面纹理、可对同一地区进行多视角重复观测，能获得更符合人眼视觉的直观世界的影像等优势，因而被广泛应用于数字三维城市建模等领域。本人日常工作包含了航空测量相关方面的内容，本文就是基于多年的测量经验，对利用倾斜影像进行三维数字城市重建中的特点、同名点匹配以及获取建筑物模型等内容进行分析，以供参考。

关键字：倾斜影像；三角测量；原理；模型

中图分类号：P23 文献标识码A

引言

由于倾斜摄影技术在获取纹理的同时，其搭载的倾斜相机能够同时获得地物的侧面纹理，使得航空倾斜摄影技术逐渐成为研究热点。但是由于倾斜视角的问题，导致获得的相片遮挡严重，相片内部的尺度不一，造成了数据处理上的困难。因此，正确认识并运用倾斜影像技术，对解决倾斜影像用于城市三维建模的难题具有重要作用。

1倾斜影像的特点

倾斜影像相对于垂直影像有三大特点：相片倾斜角大、相片尺度不均一、遮挡问题严重。第一，倾斜角：倾斜角的大小是判断是否为倾斜影像的根本依据，按照倾斜角度的不同将影像分成三类，垂直影像、低倾斜角影像和高倾斜角影像；第二，变化的尺度：由于倾斜角的存在，影像的尺度是变化的，影像在地面上的投影形状为梯形，前景的分辨率比后景的要高；第三，遮挡：由于常规摄影仪焦距不可变，遮挡问题会随着飞行高度的降低和倾斜角度的加大变的更严重，实际作业过程中常使用增加航向和旁向重叠度来减少遮挡造成的影响。

2航空倾斜影像的处理研究

航空摄影测量的主要任务是将地面的中心投影变换为正射投影。随着科技的进步，人们对航拍及测绘技术的应用逐渐广泛，通过该方法，可以对得到的照片进行处理，得到三维数据进而绘制输出图纸，同时对建筑物等形状复杂的目标可进行近距离、多角度三维测绘。下面针对倾斜影像处理中的几项关键问题展开分析。第一，几何问题：几何问题实际上指的是如何获得每张倾斜影像摄影时刻的姿态和位置的问题，其中主要有两个难点，分别是倾斜影像间同名点的匹配问题、多相机的联合平差问题；第二，点云的生成：通过倾斜影像的密集匹配得到表达地表的密集点云是倾斜影像处理的关键步骤，倾斜影像进行密集匹配生成稠密点云有三个难点：巨大的影像间的透视差异、倾斜影像内部的地面采样元不一致、高度的冗余性造成大量噪声；第三，表面重建：在获得密集的三维点云的基础上重建出物体的表面是倾斜影像建模的另一重要問题，基于泊松方程的表面构建算法、基于水平集的算法等都可以较有效地解决三维点云构建地物表面的问题；第四，纹理映射：在构建完成三维表面后，需要为三维表面赋着纹理，并且通过相应的计算公式，将其纹理相片得分计算出来，并把得分最高的相片作为纹理候选片，该方法能够改善纹理映射问题。

3航空三角测量倾斜影像的同名点匹配

3.1确定影像连接关系

数字城市重建是一个巨大的工程，需要一个全自动化的处理流程，因而不能依赖人工处理。在进行同名点匹配的时候，可以采取以下方式进行：利用数据及其飞行高度计算每张影像在地面上的投影四边形；对任意两个具有重叠的四边行，计算重叠面积与原始多边形的面积的比值，取两比值之间的最小值，并设此比值为重叠度值；给定阈值，设定重叠度小于阈值的像为不存在连接关系，反之则认为可能存在连接。如图1所示，就是根据重叠度判读连接性原理。

3.2利用虚拟水平相片进行特征点提取与描述

由于同名点的确定需要通过匹配特征点之间的描述完成，因此需要保证特征点的描述具备适应这种尺度不均一的影像的特性，或者寻求解决视点变化带来的尺度不一致的问题的方法。计算虚拟水平相片的过程如下：首先给定一个虚拟的平面，利用影像的方位元素计算相片在该平面上的投影多边形；其次，计算相片中心在该平面上的大小，并以此为釆样间隔将投影多边形中的每个釆样反算至原始影像中获取灰度信息。

3.3特征点匹配

特征点的匹配只在具有连接关系的影像间进行，由于任何匹配算法都避免不了误匹配的存在，因而必须采取一定的措施减少误匹配。在实际工作中，可以采用双向匹配策略，计算出基本矩阵进行核线约束，并设定上下视差的距离阈值，以剔除部分不满足核线约束条件的误匹配点。

4利用影像高程同步模型获取建筑物模型

4.1影像高程同步模型概述

影像高程同步模型存储了每一单元的真实高程信息，从而形成建筑物等地物目标的真实三维表达模型，其中，地形表面的高程信息来自于数字高程模型。建筑物墙体在影像高程同步模型中看起来仍是倾斜的，这是因为其保留了原始的几何投影关系。影像高程同步模型的产生是一个几何投影关系重建的过程，其流程主要分为数据获取、影像高程同步模型构建、多余点去除和栅格化处理四大部分。

4.2影像高程同步模型用于大比例尺城市测图

在三维数字城市建设、城区规划中，城市建筑物是人们关注的重点。在传统的摄影测量处理中，一般采用立体像来提取建筑物的三维信息，但需要投入大量的人力、物力，速度慢、效率低，不能反映城市发展的现状。在文档对象模型上，一旦获得了一个建筑物的屋顶的平面和高程信息，利用数字高程模型即可方便快速地建立起一个简单的建筑物三维模型，这是一个半自动的过程，使用矢量化制图工具在文档对象模型上勾绘建筑物屋顶的轮廓线，得到一个带高程值的平面矢量图形文件，再利用数字高程模型的地形高程信息，自动计算出建筑物的高，从而自动完成该栋建筑物三维模型的构建。

4.3倾斜影像在影像高程同步模型测图上的应用

倾斜影像的加入能够为获得的三维模型提供高质量的侧面纹理，将获得的白模赋上纹理，具有可视化的效果。城市建筑物的结构复杂，不可避免的会出现摄影死角，因而，对于这些死角的纹理的修补依然是个问题.可选择的方案有两种：一是利用周边的纹理进行修补；二是通过地面影像补拍进行贴图。图2展示了倾斜影像摄影死角的示例

结语

当前，倾斜视角的存在导致了影像内容发生了巨大变化，使得影像内部的尺度不一致，且大倾角使得遮挡严重。数字城市三维重建需要矢量数据和独立的建筑物模型数据，利用倾斜影像可以将测图获得的建筑物模型赋上纹理，获得更具可视化效果的地物模型。在今后的工作中，加强对该技术的应用和完善，对促进城市更好的发展具有重要意义。

参考文献：

[1]朱俊锋.利用倾斜影像进行三维数字城市重建的关键技术研究[D].武汉大学，2014.

[2]胡文庆.倾斜摄影测量三维重建在城市规划管理中的应用研究[D].昆明理工大学，2016.

[3]杨存英.基于倾斜影像的建筑物提取与参数化三维重建[D].西安科技大学，2016.endprint