基于WorldView-3卫星多视角数据的三维实景建模技术研究

祝晓坤

(北京市测绘设计研究院，北京 100038)

基于WorldView-3卫星多视角数据的三维实景建模技术研究

祝晓坤*

(北京市测绘设计研究院，北京 100038)

目前亚米级立体卫星影像因其不受空域限制且重访周期短，已逐步成为航空摄影的有益补充，用于满足城市大比例尺地形图更新测绘的需要。而随着航空倾斜摄影测量技术在三维实景建模中的广泛应用，卫星影像平台的发展也让高分辨率卫星大倾角数据进入到我们的视野，研究基于高分辨率、多视角的立体卫星影像在三维实景建模应用的原理和方法具有实际意义。本文首次定制获取了三景不同倾角的WorldView-3卫星数据，其中两景是常规小倾角 0.31 m多光谱立体影像一景是大于45°的 0.5 m大倾角、多光谱卫星影像。本文对其三维实景建模的工艺和关键技术包括对基于卫星影像的纹理提取和自动映射技术、不同地物的采集方法进行了探讨，并提出星载高分立体多视角影像在三维建模方面的优劣势。

倾斜摄影测量；WorldView-3；三维实景建模；多视角；卫星影像

1 引 言

倾斜摄影测量是在同一飞行平台上搭载多角度航摄仪，同时从垂直、倾斜等不同的角度采集影像的技术，它可以获取地面物体更为完整准确的信息[1]。航空倾斜摄影的出现带来了技术的革新，早在2008年第21届国际摄影测量与遥感大会和2011年第53届德国摄影测量周，倾斜摄影技术都是大会讨论的关键议题，引起广大学者的浓厚兴趣。与传统航空摄影获得的垂直拍摄影像不同，倾斜摄影能够获取多个视角的影像，从而使得采集侧面信息成为可能；此外因具有较高的分辨率和较大的视场角，可以获取同一地物高分辨率纹理影像和高精度几何信息，并部分解决了单一角度地物遮挡问题[2]。可以说，倾斜摄影为三维建模提供了现势性高、真实性强的纹理和几何信息，成为当今快速三维建模的一个研究热点，其搭载平台也从大飞机，到直升机和无人机，灵活多变。

由于航空飞行的性价比低，我们很早从航空测图转向航天测图，那么利用卫星立体影像数据可以满足三维建模的需要吗？目前亚米级高分辨率卫星影像使得航天大比例尺测图成为可能[3]，分辨率高达 0.3 m～0.5 m的WorldView系列卫星相继投入使用，尤其是在WorldView-3、WorldView-4发射后，使高分辨率卫星从单星测图向更高效实时的星座测图方向迈进， 0.41 m的全色GeoEye-1经过试验验证可以满足 1∶2 000修测要求[4]，那么 0.31 m多光谱WorldView-3和WorldView-4将有可能达到 1∶2 000的测图精度和立体采集要求，这使得航天测图在取代航空测图方面又博得一票，那么在几何精度保证的基础上，纹理获取是否可以满足呢？

图1 WorldView-3拍摄美国拉斯维加斯市(侧摆角为63.7°)[DigitalGlobal公司版权]

由于WorldView系列卫星携带了“控制力矩陀螺”，可以旋转拍摄，侧摆角课题达到近70°，从而实现大面积采集功能，侧摆角的灵活设置使得卫星也具有类似航空倾斜摄影的功能。如图1是利用WorldView-3拍摄美国拉斯维加斯市，拍摄时卫星指向地面的位置离此地往东 1 700 km处，侧摆角为63.7°，这一功能也使得基于遥感亚米级高分辨率卫星多视角数据开展三维建模成为可能，一方面可以通过密集匹配构建mesh三维模型，一方面可以通过立体采集和纹理贴图制作三维实景模型。前者可以通过Smart3D等软件实现，后者目前还没有形成有效的工艺，本文定制获取了3个角度的WorldView-3北京市石景山实验区的数据，探讨了基于该数据进行三维实景建模的工艺和主要关键技术。

2 实验数据采集

为了开展上述研究工作，定制获取了北京市石景山和门头沟交接处 100 km2的3个侧视角度的WorldView-3影像数据(如表1所示)。实验区具体位置和影像如图2(包括局部影像放大效果)：

实验数据情况列表 表1

图2实验区数据分布位置和融合影像

3 基于WorldView-3多视角数据三维建模流程和关键技术

3.1技术流程

为了开展多视角数据三维建模，首先对原始数据进行融合、匀色等预处理；然后通过空三平差，进行相对定向(连接点匹配)、像控点量测和平差，生成满足 1∶5 000大比例尺测图精度要求的两组高分辨率影像空三定向结果；利用定向模型，开展建筑物、道路、水、陡坎的矢量采集，地形采用SGM像素级密集点云匹配，制作高精度的数字地表模型(DSM)，通过滤波和插值得到高精度数字高程模型(DEM)，并在3ds Max下实现三维模型构建和编辑。利用三组影像空三定向结果，根据采集的矢量数据，自动提取建筑物顶面和侧面纹理，并实现纹理的自动贴图。具体技术路线如图3所示：

图3基于WorldView-3多视角数据三维建模技术流程

3.2关键技术

主要的关键技术包括以下三方面：

(1)预处理

①影像融合：采用Pan Sharpen融合模型将 0.31 m全色和 1.44 m8波段多光谱的WorldView-3三组影像数据进行融合。

②辐射校正和直方图匹配：为了保证三组融合影像效果的一致性，以第一组影像为主影像，进行了辐射校正和直方图匹配，并进行16 bit到8 bit的位深转换。

(2)定向和平差

①自动连接点匹配：由于影像倾角不一致，分辨率不一致，采用了SIFT匹配的方式进行了自动连接点匹配。为了保证连接点匹配数量，通过影像间同名点距离量取设置搜索半径，注意大倾角影像同小倾角影像间距离最大，本次实验数据设置为200像素，匹配连接点(连接点如图4圆圈)点数在航带间设置为100个。根据平差结果进行连接点编辑。保证相对定向精度。

图4三组影像定向点和连接点的分布图

②影像控制点量测：采用历年影像控制点库中控制点数据，共7个控制点(图4中三角形)，依据点之记进行刺点，分别对小倾角两组影像和三组影像进行平差，前者经过定向点和检查点误差统计，满足 1∶2 000空三定向要求，后者满足 1∶5 000空三定向要求。三组定向点和连接点分布如图4所示：

(3)三维建模

①像素级密集匹配：采用SGM像素级密集匹配，生成 0.5 m的DSM，由于视角少，高楼去由于阴影和遮挡的影响，生成的DSM部分地区有错误，采用自动滤波和人工编辑，生成高精度DEM，作为三维模型的地形层，局部地区的DSM和DEM如图5所示。

图5 DSM和DEM结果

②定向矢量线采集。

a.建筑物矢量线采集。包括平顶、坡顶、人字形顶、楼顶、尖顶、弧顶房屋的采集，主要以楼顶面的方式采集矢量，楼顶女儿墙尽量采集，地面以编辑后的DEM为主，将建筑顶面拉至地面生成建筑物模型。采集矢量和房屋如图6所示：

图6采集矢量和人字形顶房屋立体采集模型

b.道路和水涯线采集。道路两边线对应的高度一致，并采集步行道边线和隔离带边线，以区分车道、步行道、绿化带。水涯线的采集是为了确定位置和高度。如图7所示：

图7道路和水的矢量采集

c.陡坡和泊岸边线采集。带护坡的道路要采集坡脚线，地形的斜坡线、泊岸、坡脚线方便定位和后期制作模型。在实验过程中考虑到影像的识别和模型的精细程度，只采集道路和水周边人工绿化或者硬化的斜坡，尤其是 1.5 m以上的斜坡和泊岸并采集坡脚线。如图8所示：

图8道路边坡采集

d.独立地物采集。采集路灯、电线杆、旗杆、加油站、路牌、信号灯、树木定位点，其中路灯、电线杆、旗杆、路牌、信号顶采集上下两个点，确定高度和位置。如图9所示：

图9 电线杆采集

③影像纹理自动提取和映射

目前还没有针对卫星影像的纹理自动提取和映射的软件，卫星成像通常是有理函数模型(RFM)来模拟严格成像模型的，对于WorldView-3，.RPB文件即为其RFM(RPC)参数，其物方和像方坐标关系如式(1)所示，

(1)

其中，(x，y)和(B，L，H)分别是像方、物方正则化坐标值，Fx、Gx、Fy、Gy为有理函数，最高三次。通过连接点和控制点优化后的参数是通过像方仿射变换精化的结果，具体为以下6个参数(a0，b0，c0，a1，b1，c1)：

xnew=a0+b0x+c0y

ynew=a1+b1x+c1y

(2)

因此，通过上述原始的RFM(RPC)参数和仿射变换的6个参数，根据采集的矢量线划和DEM，自动计算每张像片各面纹理范围的像素坐标，提取每张像片的顶面纹理和侧面纹理，按照面积最优的纹理映射方法[5，6]，选取最优纹理影像，并按照模型连接关系命名，如图10所示。由于只有三景卫片，根据每个建筑物模型平均提取5个～10个面，根据纹理节点数和建筑物复杂程度，开发的程序每分钟可以提取30个～50个建筑物不等。

图10 模型纹理自动提取和映射

④三维模型编辑

对不满足要求的地形进行精细化处理、去重面处理、纹理遮挡贴图编辑等。从而生成满足要求的三维模型。该模型具有 1∶5 000的可量测精度和真实的纹理信息。图11是对小区建筑物模型编辑后的结果。

图11 多视角卫星影像三维模型成果

4 结 语

随着高分辨率卫星星座模式、重访周期的加快以及不受飞行空域限制的优势，卫星获取数据相比航空摄影更加灵活便捷，有利于应急响应和快速监测。除了卫星影像分辨率不断提高，卫星姿态角随着传感器平台的发展可以像侧视雷达一样获取航天“倾斜”影像，利用这些影像，我们可以制作并获取类似倾斜摄影测量一样的三维实景产品，本文尝试定制采用多视角高分辨率卫星影像开展该项研究工作，在全国属于首次。但在实验中，发现还存在以下问题：

(1)卫星由于飞行高度远大于航空飞行高度，而且影像侧面纹理的分辨率为 0.5 m，远小于倾斜摄影测量的纹理分辨率，因此三维模型的效果不佳，尤其是低矮房屋，其侧面纹理基本无法识别，需要纹理库的纹理进行补充；

(2)在利用立体航片进行DSM像素级密集匹配中，航空影像由于相片多，建筑物周边的信息充足，不会出现漏洞和错匹配情况，而本次实验中，仅采用了三景卫星影像密集匹配的DSM结果高层建筑物周边漏洞多，需要采用邻近等方法进行漏洞内插，并进行人工编辑。可以预见，更多倾角的卫星影像将有效得以补该缺陷。

[1] 王庆栋. 新型倾斜航空摄影技术在城市建模中的应用研究[D]. 兰州：兰州交通大学，2013.

[2] 杨国东，王民水. 倾斜摄影测量技术应用及展望[J]. 测绘与空间地理信息，2016(1)：13～15，18.

[3] 祝晓坤，左琛，刘晓琳等. 米级/亚米级卫星遥感影像大比例尺立体测图试验研究[J]. 测绘与空间地理信息，2016，39(3)：28～31.

[4] 虞欣，贾光军，陈倬. 基于有理函数和像方仿射变换组合模型的高分辨率卫星影像区域网平差[J]. 测绘通报，2010，10：1～16.

[5] 詹总谦，李一挥，桂鑫源. 倾斜摄影测量与SketchUp二次开发技术相结合的建筑三维重建[J]. 测绘通报，2017，5：71～74.

[6] 张春森，张卫龙，郭丙轩等. 倾斜影像的三维纹理快速重建[J]. 测绘学报，2015，44(7)：782～790.

Studyonthe3DModelingTechnologyBasedonMulti-viewWorldView-3SatelliteData

Zhu Xiaokun

(Beijing Institute of Surveying and Mapping，Beijing 100038，China)

The stereo satellite submeter images with periodic revisit cycle，,not limited by the airspace，,has gradually become a useful supplement for aerial photography to meet the need of updating urban large-scale topographic map. With the wide application of aerial oblique photogrammetry technology in 3D modeling，,the development of satellite image platform makes it possible to supply high resolution spaceborne oblique data acquired with large pitch angle lens. It is of practical significance to study the principles and methods of 3D modeling based on high resolution and multi-view stereo satellite images. In this paper，,three sets of WorldView-3 satellite data with different viewing angles were specially ordered. There are a pair of conventional steep angle multispectral stereo images with pixel size of 0.31m and one large-angle，,greater than 45 degrees，,multi spectral satellite image with resolution of 0.5m. The process and technologies of 3D modeling with the testing data were discussed，,including texture extraction and automatic mapping work flow，,and the acquisition methods for different ground objects. The advantages and disadvantages of spaceborne high resolution stereo multi-view images in 3D modeling were concluded.

oblique photogrammetry；WorldView-3；3D modelling；multi-view satellite images

1672-8262(2017)05-6-06

P236

A

2017—07—24

祝晓坤(1981—)，女，高级工程师，研究方向摄影测量与遥感。

2017年度国家测绘地理信息局青年学术和技术带头人科研计划课题。

本论文获得2017年“华正杯”城市勘测优秀论文一等奖。