倾斜摄影实景三维建模技术探讨与实践

李想，张春奎，汪彬，韩冰

(1.中国人民解放军61363部队，陕西 西安 710054； 2.西安市勘察测绘院，陕西 西安 710054)

倾斜摄影实景三维建模技术探讨与实践

李想1*，张春奎2，汪彬2，韩冰2

(1.中国人民解放军61363部队，陕西 西安 710054； 2.西安市勘察测绘院，陕西 西安 710054)

倾斜摄影技术是近几年兴起的一项新的测绘技术。简要介绍了该项技术原理，总结了利用倾斜摄影技术生产实景三维数据的技术路线，通过实践验证了该项技术在城市大比例尺实景三维建模产方面的可行性，为城市快速开展大面积三维建模探索了新的途径。

倾斜摄影；实景三维建模；大比例尺

1 前 言

倾斜摄影技术是国际测绘领域近些年发展起来的一项高新技术。相比基于DLG或高分辨率DOM数据、外业纹理照片，采用3ds Max、AutoCAD、Photoshop等建模软件的传统人工三维建模方式，具有效率高、周期短、数据真实以及测绘精度高等优点，在测绘、规划、国土、交通、应急指挥、公共安全、地质灾害评估、城市精细化管理等方面逐步得到广泛应用，受到越来越多行业管理者的认可与青睐。

就目前技术发展而言，倾斜实景三维建模技术可分为两种：①机载激光雷达和机载倾斜摄影相结合技术；②完全倾斜航空摄影实景三维建模技术。本文就机载激光雷达和机载倾斜摄影相结合技术做一探讨，并利用该技术在西安市长安区进行了 1∶1 000比例尺精度的实景三维模型数据生产实践。

2 技术原理

机载激光雷达系统(LiDAR系统)是一种利用飞行器作为载体，对地球表面进行扫描来获取地球表面高精度、高密度激光点云数据的一种新型的对地观测技术。机载LiDAR施测后得到的数据为GPS数据、激光测距数据、姿态数据，这几种数据联合解算得到点云数据。利用点云滤波处理软件，将点云数据按照地面点和非地面点进行分类，分别构建高精度数字高程模型(DEM)和地上各类要素三维模型骨架。倾斜摄影测量技术是一种从多角度观测的摄影测量技术，通过统一飞行平台上搭载的多台传感器，同时从多个角度(五镜头和三镜头倾斜相机)获取高分辨率影像数据，采用传统摄影测量技术解算处每张影像的空间地理位置信息。在统一的空间参考坐标系下，基于分类的点云数据，采用影像融合和自动匹配技术，将倾斜影像自动匹配到相应空间的三维模型骨架上，从而快速构建成实景三维模型数据。

3 航摄仪介绍

3.1 机载激光扫描系统(ALS70-HP)

ALS70是可搭载在多种航空飞行平台上获取地表激光反射数据的机载激光扫描集成系统，可全天候进行航空遥感作业。最大脉冲频率 500 kHz，航摄高度 200 m～3 500 m，最大扫描角度75°最大存储容量 500 G。它采用了新的控制系统和测量系统的模块化处理，同一系统在相同高度上可运行双倍的脉冲频率，结合Leica MPiA(空中内插多脉冲发射技术)技术能大大提高点云密度和工作效率，快速获取高精度DTM、DEM和DSM。与光学或数字影像结合使用，加上少量控制点可获得正射影像产品。

3.2 多角度倾斜摄影测量系统(Leica RCD30 Oblique)

Leica RCD30 Oblique是一款专为高精度三维城市模型制作和带状地形图测绘应用而设计的世界上第一台六千万要素多光谱中幅面相机。它拥有独特的摄影测量设计特点，不仅能够提供优质的图像质量和极高的精度，也具有极高的灵活性。它由一个配备 50 mm镜头的垂直相机和四个配备 80 mm镜头的倾斜相机(4个倾斜相机位于前后左右，呈35°)组成，一次飞行可同时获取地物的垂直影像和侧面纹理信息。同时，系统集成了高精度的POS系统，通过高精度GPS-INS数据可快速获取每张像片精确的外方位元素。此外，该系统还集成了从飞行设计、航摄执行到影像预处理的完整软件解决方案，方便用户快速投入作业。该系统由相机镜头、相机控制、相机操作、相机导航和相机存储五大部件组成。

4 技术路线

4.1 航飞设计

航飞设计主要包括激光雷达点云数据航飞设计和倾斜摄影航飞设计两部分。

(1)激光雷达点云数据航飞设计。根据ALS70的系统技术性能和三维数据制作对激光点云数据要求，对航飞区域按照航高 1 500 m、航速 240 km/h、旁向30%重叠、平均点密度在 0.65 m左右进行航飞设计。

(2)倾斜摄影航飞设计。包括航摄基准面和航摄飞行相对高度的确定、航线的敷设等。

航摄基准面依据公式：H基=(H高+H低)/2，公式中，H基代表航摄基准面，H高代表航摄区域高点平均高程，H低代表航摄区域低点平均高程。

航摄飞行相对高度依据公式：h=f*GSD/a，公式中，h航摄飞行相对航高，f代表航摄仪焦距，GSD代表地面分辨率，a代表像元尺寸。

在本次航摄中，取垂直镜头焦距f为 50 mm，像元尺寸a为 6 um，地面分辨率GSD为 7 cm，由公式得到航摄飞行的相对高度h=583 m。

测区航线按东西方向布设，航向重叠度设计为70%，旁向重叠度设计为50%。

4.2 航摄数据预处理

包括POS数据预处理和影像数据转换与检查。POS数据可以通过IPAS TC进行基站差分处理或精密单点定位(PPP)处理，检查POS数据的完整性及飞行姿态，对于姿态变化剧烈的航线要注意标注，并要在影像检查时重点检查这些航线的重叠度。同时快速检查云、烟、遮挡等情况。

4.3 像片控制点布设及测量

由于采用的ALS70激光扫描系统和Leica RCD30倾斜摄影测量系统都集成了高精度的POS系统，在航摄过程中，自动获取了高精度的POS数据，降低了对地面控制点的依赖程度。因此，像控点布设采取4角加中心1点共5点双点布设为基础，按照1点/像控点密度展开控制点布设，采用基于城市连续运行卫星定位综合服务系统(CORS)的网络RTK进行观测，其像控点测量精度应满足平面点位精度Mo=50 mm；高程点位精度Mo=50 mm的精度指标。

4.4 倾斜摄影测量系统数据预处理

生产预处理是摄影测量中至关重要的一步，对生产成果的好坏起到决定性的作用。在倾斜摄影测量系统中包括倾斜相机POS数据解算、多角度影像空三加密工作。

POS数据解算：RCD30 Oblique记录的POS数据通过IPAS TC进行基站差分处理或精密单点定位(PPP)处理，同时结合相机精确的内方位元素、偏心角和线元素分量偏移值及每个相机的Event和PhotoID文件，计算输出工程区相片的外方位元素。

数字空中三角测量：利用IPAS TC进行基站差分处理或精密单点定位(PPP)处理，同时结合相机精确的内方位元素、偏心角和线元素分量偏移值及每个相机的Event和PhotoID文件，通过IPAS CO软件计算输出工程区相片的初始外方位元素，利用多角度空三加密系统自动进行空三区域内的点匹配；利用点匹配结果和初始外方位元素进行区域网平差，结合外业控制资料计算出每一张影像精确的外方位元素。

4.5 实景三维数据生产

在以上工作的基础上，首先利用倾斜影像数据获取建筑物边线、特征线，用于建筑物特征处理。同时，对点云数据进行分类，排除飞点和柱状地物点、提取地面点数据。将建筑物特征线和LiDAR点云数据进行叠加，用建筑物特征线代替激光点云构成的不规则建筑物特征线，使建筑物特征整齐一致(如图1所示)。利用相关软件将测区LiDAR点云数据和多角度影像数据自动批量生成实景三维数据(如图2所示)。

图1 建筑物边线与点云数据融合

图2 实景三维模型数据

4.6 建筑物模型的单体化处理

为了满足城市精细管理的需要，需要对生产的实景三维模型数据进行单体化处理。其方法是将实景三维数据转换为3ds Max支持的3ds或obj格式，在3ds Max下对每个建筑或其他要素从大场景中进行拆分提取，根据命名规则进行命名并输出成MAX格式的单个要素对象，如图3所示。

图3 单体化后的3ds Max模型

4.7 总体技术路线

实景三维数据生产总的技术路线如图4所示。

图4 总体技术路线

5 质量评定

为了评价实景三维数据产品质量，在测区共选择了146检测点。基于城市CORS系统，利用GPS-RTK进行测量，其检测结果如表1所示：

精度检测结果表 表1

经过检测，采用本项目技术路线所生产的城市实景三维产品精度满足 1∶1 000比例尺精度要求。

6 结 语

利用倾斜摄影技术生产城市三维数据测绘产品，解决了传统三维建模技术效率低、周期长、真实性较差的不足，为城市三维地理信息产品的快速生产提供了更加高效的途径。当然，由于该技术采用航空摄影自动化建模方式，也存在着一些天然缺陷，如：在树木稠密区，因树木遮挡，建筑底部的外立面纹理无法获取，需要采用人工方式加以补充；纹理的清晰度无法达到传统三维模型纹理效果。

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TheDiscussionandPracticeofReal3DModelingTechnologyBasedonObliquePhotography

Li Xiang1，Zhang Chunkui2，Wang Bin2，Han Bing2
(1.61363 troops of the Chinese People's Liberation Army，Xian 710054，China；2.Xian Institute of Prospecting and Mapping，Xian 710054，China)

Oblique photography is a new surveying and mapping technique in recent years. The paper briefly introduces the principle of the technology，summarizes the technical route of real 3D modeling technology Based on Oblique photography，verifies the feasibility of this technology in large scale city real 3D modeling，explores a new approach for the rapid development of large area city 3D modeling.

oblique photography；real 3D modeling；large scale

1672-8262(2017)06-95-03

P231

B

2017—03—19

李想(1980—)，女，工程师，主要从事地图制图工作。