基于高分辨率倾斜三维模型3D产品一体化生产的研究

杨莹华 廖明伟

（1.江西省基础地理信息中心,江西南昌330209；2.江西省测绘地理信息工程技术研究中心,江西南昌330209 3.流域生态与地理环境监测国家绘信息局重点实验室,江西南昌330209）

1 引言

目前“数字城市”和“智慧城市”数据生产内容都有三维建模和大比例尺3D产品生产，随着市、县级数字城市地理空间框架建设或智慧城市时空信息云平台全面开展建设，三维建模和大比例尺3D产品的生产工作量将越来越大，传统的三维建模和大比例尺3D产品的生产都是航空摄影后分别生产大比例尺数字线化图（DLG）[1]、数字高程模型（DEM）、数字正射影像图（DOM）以及三维模型制作，工作量非常大、工作流程时间非常长；我们一直在探索能否将三维模型制作和大比例尺数字线化图（DLG）、数字高程模型（DEM）、数字正射影像图（DOM）生产融合于一体化的技术方法；随着倾斜摄影测量技术和倾斜摄影三维建模技术的快速发展，通过研究和试验找到一种通过倾斜摄影快速构建三维，然后基于倾斜摄影测量三维模型进行大比例尺数字线化图（DLG）、数字高程模型（DEM）、数字正射影像图（DOM）一体化生产的技术方法。基于倾斜摄影三维模型测制3D产品一体化生产技术可以准确的改算房檐，减少传统航空摄影测量的房檐改正误差，同时大幅度减少房檐改正的外业工作量，因此很适合推广到"数字城市“和”智慧城市"的三维建模和大比例尺3D产品的生产中去。

2 研究技术路线

传统的三维模型建立、数字线划地图（DLG）、数字高程模型（DEM）和数字正摄影像（DOM）的生产是分开进行作业，耗时长、成本高、效率低且产品与产品之间处于脱节状态。本次研究技术路线是集倾斜三维模型建立和3D产品生产于一体的工艺，在保证所有产品精度的前提下，做到高效率、低成本生产。

通过研究确定飞行航线、进行野外控制点测量、影像空三加密、全自动建模[2]以及基于倾斜摄影三维模型制作大比例尺数字线化图（DLG）、大比例尺数字高程模型（DEM）、大比例尺数字真正射影像图（TDOM）数据的技术要点，完善从数据准备、外业采集、内业处理以及精度纠正等数据生产各环节。具体技术流程图如图1所示：

图1 一体化生产流程图

3 研究区域与过程

3.1 研究区域

本次试验研究区域选择为庐山东林寺和庐山牯岭镇，具体区域见图2和图3，测区中东林寺属于平地丘陵，航摄面积0.8km2；牯岭镇属于高山地区，航摄面积4.44km2，海拔最高达1280米，高差达到250米。

3.2 研究过程

（1）倾斜影像获取:本次航摄采用六旋翼无人机搭载DAS-双鱼Ⅰ倾斜相机对庐山东林寺和牯岭镇分别进行航摄。地物分辨率为0.02m。为保证倾斜三维建模效果[3]，航线航向重叠80%，航向最少不小于75%，旁向重叠65%，旁向最少不小于60%。

图2 庐山东林寺

图3 庐山牯岭镇

（2）外业控制点布设和测量：此次实验区，在东林寺区域采用了根据摄影航线计划先进行野外像片控制点布设，并在地面做了明显的标示标记，后续才开始实施航空摄影和野外像片控制点测量。牯岭镇则采用常规的方法先航空摄影再进行野外像片控制点的布设和测量。

（3）自动创建三维模型及DSM、TDOM生成：利用软件将数据导入和构网，将飞行区域的倾斜原始影像、焦距、像幅、POS等参数导入后按飞行分区进行构网后，通过全自动空中三角测量，自动生成倾斜三维模型数据成果，同时输出DSM及TDOM数据成果。

（4）DEM生成：通过三维模型成果生成DSM成果后进行DSM编辑（点云生成、滤波、分类、编辑等方法）得到DEM成果。

（5）DLG采集：DLG基于三维模型进行采集[4]，地物要素采集可以利用软件通过多视角、多角度切换直接测定房屋底部信息（如图4所示），通过对模型消隐进行部分被遮挡地物的显现和测图（如图5所示），以便直接采集被遮挡地物的底部，减少外业房檐改正、地物补调工作量，提高DLG的成图精度。再根据DEM成果进行半自动化生产等高线补充DLG中地貌要素。

图4 多视角浏览采集

图5 模型遮挡消隐

4 研究成果和结论

（1）TDOM通过模型直接生成，对于建筑物在TDOM图上不存在方向的倒向问题；个别区域有可能会出现黑洞（如图6右上方红色圈出部分）需要进行修补，但工作量远小于常规航测成图方法生成DOM。

图6 TDOM成果图

（2）模型精度：经过野外实测控制点对倾斜摄影三维模型的精度进行检测，研究设计精度为1:1000，实际精度绝大部分在0.1米以内、最大0.187米，达到1:500比例尺的规范要求，详见表1所示。

（3）基于倾斜摄影三维模型采集DLG：对于平地、丘陵地、山地等不同的地形状况，房屋在无遮挡、有遮挡但可以通过模型遮挡消隐或多视角切换实现量测房屋角点、通过模型遮挡消隐或多视角切换实现量测房屋边缘轮廓线和地物（如道路、水系等）轮廓线，可大幅度减少外业调绘时房檐改正和增补地物的工作量，并消除房檐改正和增补地物的误差。

表1 模型精度检测报告

图7 野外实地测量成果与倾斜摄影三维模型采集DLG成果比较图

（4）DLG精度：经野外实地碎部测量与倾斜摄影三维模型采集DLG成果进行比较，东林寺区域点位中误差为0.15m，两点间距离中误差为0.18m，牯岭镇区域点位中误差为0.20m，两点间距离中误差为0.27m。验证了倾斜摄影三维模型采集DLG能满足1:500DLG精度要求。具体检测情况样例如图7所示。

5 结论

本次研究是基于高分辨率倾斜摄影三维模型基础上的3D产品一体化生产制作，通过试验和验证可得出以下结论：

（1）于高分辨率倾斜摄影三维模型基础上的3D产品一体化生产精度符合规范要求，效率又较大提高。

（2）东林寺区域，寺庙房屋及地物绝大多数都是处于无遮挡的情况，内业能高效、准确的绘制出不需要进行改房檐的房屋，准确的将大部分地物准确的绘制出，外业只需根据航测内业测制数据对少量房檐进行改正、调查地名，两者结合能绝大提高效率。

（3）牯岭镇区域4.44km2，地形为山地、高山地，树木茂密而且景区房屋形状多变且无规律。航测内业4个人测制，在无遮挡，通过模型消隐以及多视角、多角度切换技术直接测定房屋底部达到不需要进行房屋房檐改正的目的，在遮挡无法测制房屋底部或地物的地方进行标识,便于外业进行核查、补调，航测内业共计75个工作日,外业调绘补测核查4人，共计40个工作日，总计115个工作日。外业利用全站仪进行碎部测量0.6Km2耗时2人共计28个工作日。相比外业实测地形图效率有明显提升。

（4）利用三维模型生成DSM进行滤波等操作后进行人工编辑生成等高线补充DLG的地貌要素，可提升生产效率有明显提升。