基于倾斜摄影测量的三维城市地理信息系统软件

2018-07-23蔡迅华叶家发

智能城市 2018年12期

蔡迅华叶家发

广西界围信息科技有限公司，广西南宁 530007

自从“智慧地球”的概念被引伸到城市，出现智慧城市[1]以来，智慧城市已成为当今城市信息化建设的热词。近年来，新出现的倾斜摄影测量[2]技术已经能够应用于城市规划、建设和管理等各个方面，尤其在公共安全与应急反恐方面具有其他数据源不可替代的价值。本文研究将倾斜摄影建模技术和三维地理信息系统技术进行结合，充分发挥倾斜摄影的数据优势，实现三维实景全方位模型重建和现场实景还原，克服了传统正射影像只能从垂直角度拍摄的局限，可获得5个或更多角度的倾斜摄影影像，从而可以从多个角度完整地获取建筑物表面的纹理信息，为智慧城市建设提供基础地理信息支撑服务。

1 技术特性分析

本系统总体架构及研究内容包括三大模块：系统平台引擎开发、支撑技术、应用推广模块，如图1所示。其难点及解决方法如下所述。

图1 系统结构图

1.1 多航片立体测量与建模

构造三维地表模型（DSM）采用基于核线定向方法，需要航空倾斜摄影原始斜片、GPS定位信息、IMU记录的航飞姿态信息、相机成像畸变纠正参数等数据。其方法是通过应用像素匹配技术计算每个像素点的三维空间坐标，然后依据三维投影原理生成三维地表模型网格，最后把取得的像素合并为多张大图，与三维模型网格一起按3D模型标准格式合并输出结果。其难点在于计算空间线段，对空间线段进行投影，利用颜色梯度差形成像素匹配模板，计算所有照片像素点的三维空间坐标等。采用以上方法，进行了80m高空倾斜测量试验，得到中间结果和最终结果。

1.2 三维地表模型（DSM）数据的自动分类

航空倾斜测量得到的三维模型数据是所有信息都融合在一个模型中，包括了地表和地面构造物，由于所有数据信息融合在一起，计算机无法区分哪些是建筑物、树木、铁塔、其他地表构造物，无法对它们单独管理或赋予属性，严重限制了它的应用范围。通过对DSM数据的分析与统计研究，可以挖掘出这些地表构造物的基本特征信息，然后通这些特征信息对数据进行分类提取。

根据地理学、流体稳定性原理等知识，可以得知自然地表的坡度通常是在某个坡度值范围内，超越这个范围值可以视为悬崖、陡坎、建筑、其它地表构造物。在这些地表构造物中，人造建筑与其它构造物相比有着明显的特征信息，大部分建筑都明显凸出于自然地表或至少能围绕建筑一周能找到较陡的边界面（通常是90度）。与自然地表连接在一起的陡坎和悬崖，通常可以找到一个较大的面区域，它们的坡度（或平均坡度）明显比周边自然地表坡度大。树木的特征信息也很明显，树是由树冠和树杆组成，树冠通常是一个凹凸不平的类似球体，在树冠的下半部通常可以找到倾斜度大于90°的面区域，而且树冠通常比树杆大很多倍。根据这个原理对数据进行处理，分类输出成果：提取建筑物，提取树木，地面高程模型DEM，矢量化地形图。

1.3 三维造型精细化建模与应用

高精度扫描测绘得到的三维模型，其复杂程度远远超过了当前计算机的实时图形处理能力，当前网络带宽的限制，影响了三维模型在网络上显示的效果和同步操作的即时性。如何降低这些模型的复杂度,减少图形系统需处理的多边形数目，保留模型的几何特征，并实现实时交互，已经成为计算机图形学研究中的一个重大课题。在本系统研发过程中，我们在传统的渐进式数据流编码算法研究的基础上，结合三维建筑模型的特点，实现了基于模型顶点简化的多层次LOD技术，实现高精度快速浏览，切底摆脱了传统技术的瓶颈限制问题。

1.4 基于单斜片测量的三维模型编辑

倾斜摄影测量数据内业处理，虽然能够得到较精确的三维模型，但是，由于航测系统误差、像素匹配误差、控制测量误差、底片成像畸变误差等众多误差源的影响，导致大多数建筑细部构造无法正确建模或效果较差，必须经过后期人工编辑或重新建模才能满足一般工程的需求。本文介绍的系统，通过提供基于单斜片的建模软件可以实现快速对DSM模型数据编辑和重建，有效克服传统三维建模生产周期长、成本高、操作员技术水平要求高等问题。其主要算法流程如下：首先，在内存中还原每张航片的虚拟相机模型，然后，通过研发在航拍斜片上勾画建筑外形轮廓的工具，通过该工具可以对一栋建筑对应的多张航拍斜片进行处理，可勾勒出建筑每个面的轮廓。通过前面步骤已经得到了建筑每个平面的三维空间坐标，以及这些顶点坐标对应的纹理图片坐标。根据航片上勾勒的多边形封闭区域提取对应的像素存储为新图片作为建筑模型的纹理资源，按照这方式把每栋建筑的所有纹理资源与三维空间多边形合并成独立的模型输出。实验效果如图2、3所示。