倾斜摄影系统及多层次细节建筑物重构方法探讨

2018-07-21詹江波吴海峰

江西测绘 2018年2期

詹江波吴海峰

（1.青田县城建测量队浙江青田 323900；2.青田县土地规划勘测队浙江青田 323900）

1 引言

传统航空摄影测量技术是通过无人机搭载单相机镜头，以正射方式拍照，获取高分辨率影像数据，从而制作DOM(数字正射影像)和DEM(数字高程模型)，三维建模则主要依靠二维的平面矢量图、正射影像图等数据为底图建立白膜，通过将高程数据和拍摄的纹理数据贴在白膜上来构建［1］。由于传统的建模方法效率低，劳动强度大、生产成本高等缺点，而且受到传感器和数据处理算法等软硬件的限制，并不能快速高效地还原最真实的三维场景，已经逐渐被淘汰［2］。

2 倾斜摄影测量系统及模型生产流程

为支撑智慧城市建设与深化更广泛、更精准化的城市管理与规划应用，具有精细几何与语义信息的“单体化模型”成为亟需。目前获取高精度和完整性的三维地理信息模型的方法之一就是倾斜摄影测量技术。

倾斜摄影测量系统主要由地面飞控系统、无人机、控制测量、实景建模及单体化建模软件共计4个部分组成。飞控部分主要规划设计无人机的飞行航线、航高、以及对无人机飞行监视控制和数据通信等。无人机部分主要由机载定位系统和多视相机组成，多视相机现在的主流是5镜头，部分生产厂家也有9镜头的相机，决定模型最终成果质量的很大一部分因素就是搭载的相机镜头，像素越高、焦距越长，拍摄出的模型质量越高，但长焦距往往会降低作业效率，需要在模型质量及航飞效率上进行平衡。控制测量主要是航测区域的控制网设计和像控点的测量。无人机航拍前要对测区进行现场踏勘，首先，根据已有GNNS控制点位去布设像控点，像控点的数量和位置依据测量规程要求的精度和测区的大小均匀布设；其次，根据申请的空域时间和范围合理规划飞行航线，保证影像的航向重叠、旁向重叠、分辨率等符合作业要求。航摄完成之后的第一步工作就是数据处理及初模的出具。目前，主流的初模软件有SMART 3D 、Agisoftphotoscan、3D survey 等等，这几款软件最大能一次处理几千张甚至上万张照片。

根据这些建模软件所生成的模型为三角网模型，是不包含语义信息的模型，存在结构问题（自相交、非流型结构、孔洞），数据散乱不适合复杂GIS分析。作为整个空间信息的载体，三角网Mesh模型显然不满足需求。同时，由于城市建筑构造复杂，建筑密度高，大范围的建立高精度的单体化模型将会耗费大量的人力物力。建模工作整体效率无法满足现状需求，成为目前三维建模行业的痛点，根据统计，目前1平方公里的建筑数量在有些城区达到几百甚至上千个，为了解决这个难题，将“单体化模型”，采用OGC CityGML标准进行规范化描述，将模型精细度分为不同的层级，以达成按需建模的目的，避免过度建模而浪费人力物力，也避免建模精细度不足造成成果无法使用等情况。

目前，主流的单体化建模软件有DP MODELOsketch，可通过直接对原始影像交互式重建，亦可对Mesh模型（街景工厂、Smart3D成果）进行精加工，输出的精细化的三维数字城市产品。

3 多层次细节建筑物重构方法

作为城市骨架内容的建筑物，OGC标准CityGML定义了五级不同的细节层次，具体情况如下表：

等级 LOD0 LOD1 LOD2 LOD3 LOD4几何信息DEM/DSM块体模型屋顶结构详细的建筑结构室内结构语义信息连续地表形态单体建筑物屋顶、立面门窗、阳台、烟囱室内设备

现有倾斜摄影测量SFM与MVS流水线到多层次细节建筑物重建的三个关键问题，分别是语义提取、规则化、自动化，其中语义提取的主要环节是建筑物区域的语义分割、屋顶和立面区域分割以及其它细部结构的提取与符号化（Iconization）表达。规则化指的是城市建筑规则性检测，主要包括平面特征:平行、正交、对称等，线特征:中点、等距、黄金分割。

曲面特征:圆形弧、同心圆，中心点共线、球面、正切，这些规则化对于建模的速度以及质量有着极大的提升作用。自动化则是最后的目的，自动重建LOD建筑物的2-Manifold结构、LOD建筑物的自动纹理映射（遮挡、纹理变形、匀光）等，通过自动化结构建模及纹理映射可以减少大量的重复机械性的工作。

多层次细节建筑物重建主要有四种方法，分别为过程化建模、模型驱动、数据驱动、交互式，每种方法都有自己的优缺点。过程化建模的优点是可基于已有语法快速构建大范围的适用于电影或游戏场景，缺点是编辑语法规则难度较大，且几何精度通常不固定。模型驱动方法的优点是能够快速构建典型的建筑物结构或者结构相似性很大的建筑物，缺点是对边界及屋顶结构复杂的建筑物无能为力。数据驱动方法的的优点是灵活度较高，即使没有相片资料也能完成模型重构。最后一种方法是交互式方法，这种方法的优点有三个，其一是直观：直接在影像勾绘；其二是精确:贴准影像即保证几何精度；其三是工作效率高：针对倾斜影像可导入空三信息与三角网模型，消除最繁琐的影像定向与创建三维标记的步骤，这种方法也是目前多数单体化建模软件所采取的方法。

4 倾斜摄影在城市建筑建模方面存在的不足

倾斜摄影生产的不管是快速三角网模型还是最终的包含详细信息的单体化模型，所产生的数据量是巨大的，1平方公里的模型数据可以达到TB级别，对于数据的平台发布，利用都是巨大的挑战，也是目前城市建筑三维模型的瓶颈之一，模型轻量化是眼前必须解决的问题，只有解决了轻量化的问题，模型单体化和数据的融合才能更顺畅地进行，三维空间模型的利用才会有突破。