基于倾斜摄影数据的实景三维建模、修饰及应用探讨

叶燕萍，詹 莹

（1.浙江华东测绘地理信息有限公司，浙江杭州，310014；2.浙江华东建设工程有限公司，浙江杭州，310014）

1 概述

倾斜摄影技术是国际测绘遥感领域近些年发展起来的一项高新技术，颠覆了以往正射影像只能从垂直角度拍摄的局限，通过在同一飞行平台上搭载多台传感器，同时从垂直、4个倾斜等5个不同的角度采集影像[1]，利用实景三维建模及修饰软件，通过区域整体平差、多视角影像密集匹配、三维TIN格网构建、白体三维模型创建、自动纹理映射、几何及纹理模型局部修饰等工序，快速建立高精度三维场景。

相对于传统的正射影像及人工建模，倾斜摄影技术使用户可以从多个角度观察地物，三维场景更加真实地反映地物的实际情况[2]，且具有可量测性、真实性、高精度等一系列优势，将用户引入符合人眼视觉的真实直观世界。由于倾斜摄影实景三维场景为用户提供了更丰富真实的地理信息，具有更加友好的用户体验，可广泛应用于应急指挥、城市管理、房地产、国土资源管理、人口统计、灾害评估、环保监测、实景导航、旅游规划等领域。

笔者利用Bentley ContextCapture软件进行倾斜数据三维建模，利用Dp-Modeler模型修饰软件对模型进行后处理，并在某水电站坝肩危岩体地质条件评估、移民拆迁安置规划等方面进行了应用。

2 倾斜数据三维建模

倾斜摄影数据三维建模软件众多，如Bentley公司的ContextCapture、Skyline公司的PhotoMesh、Astrium公司的街景工厂等。目前，市面上应用最广的是ContextCapture软件，是一款品质稳健、高性能、可扩展、兼容性、可移植性强的全自动建模软件。ContextCapture软件支持多种数据源，兼容各种航摄相机系统（Pictometry、Midas、AMC、A3等），同时能够输出OBJ、OSGB、DAE、XML等通用兼容格式，且能方便自由地导入各种主流GIS平台及三维编辑软件[3]。ContextCapture软件的技术流程如下所述。

2.1 数据加载

需要将数据放置在非中文路径文件夹下，整理好POS文件并创建工程，目前有两种方式来加载影像数据。

（1）手动加载。创建新的Block，选择照片数据所在的路径并录入相机参数（相机类型、传感器大小、焦距等）。

（2）通过EXCEL文件加载。EXCEL表模板可参考安装目录下BlockImportSample文件，根据具体的内容进行填写，并将该文件导入到工程中。

2.2 空三加密

空三加密会对5个视角的影像进行大量特征点计算提取，并将获取的特征点采用多视角匹配同名点，反向解算出每张影像的空间位置及姿态角度，从而确定影像之间的关系[4]。空三加密完成后，可通过三维浏览器查看航带的飞行情况、空三点的位置密度、每张影像的相对位置及影像覆盖范围方位角等相关信息，从而判断空三加密点相对位置是否有漂移或者不正确。空三点密度如图1所示。

图1 空三点密度图Fig.1 Density of aerial triangulation

空三加密的质量也可通过查看空三报告来判断，各影像空三加密后的中误差值需小于1个像素。若空三加密质量差，必须重新进行空三加密，多次空三加密未成功可删除一些质量较差、姿态较差的影像后再次尝试。

2.3 加入控制点

空三加密后加入控制点，再次进行空三加密。控制点也可以在空三加密前加入Block，这样就无需再次空三加密。选择空三加密后加入控制点，是因为这种方式可以节省处理时间，并且通过空三加密得到的航带信息可以更快地找到控制点在哪些影像上，从而减少了刺控制点的时间。

2.4 模型重建

利用空三加密点计算出不规则三角网TIN，生成三维模型的白模，再通过三维模型形状位置从影像里面选择最合适纹理进行贴合，从而得到实景三维模型。为减少模型中的碎片，可将z值设置为贴近模型的最佳高程值。采用集群的方式可大幅度提高效率，为保证集群计算机都能利用起来，须对模型进行分块处理，分块的大小以不超过每台电脑内存为限。模型输出成果类型包括三维模型、点云、正射影像等，且其输出格式丰富，包括通用的OSGB、OBJ、DAE、XML等，图2为一倾斜三维模型。

图2 某倾斜三维模型Fig.2 An oblique 3D model

3 三维模型修饰

倾斜摄影过程中可能存在遮挡、反光、运动物体等，造成在三角网构建过程中存在模型上的空洞、扭曲、碎片等情况，影响模型的可视化效果，如水面空洞或变形、路面不平整、存在碎片等，因而需要对存在缺陷的模型块借助修饰软件进行修饰。三维模型修饰主要包括几何修饰跟纹理修饰，目前市面上倾斜模型修饰软件很多，有Bentley公司的Descartes、天际航的Dp-Modeler、Geomatic、3DMAX等软件，文章以Dp-Modeler软件为例。

3.1 水面修饰

在对河流、湖泊等水面区域进行影像匹配时，受倒影、反射等情况的干扰，导致生成的模型出现高程异常，造成水面空洞、凹陷等情况。水面修饰前需要对异常水面圈定并删除，通过判断Tile轮廓的完整性来确定是否需要绘制面来将Tile轮廓补充完整，随后进行桥接、补洞、纹理映射的一系列操作。不同的Tile之间，需要将水面拟合到同一平面。若存在纹理不符合的情况，可将当前视角的纹理外接PhotoShop软件进行修饰。水面修饰的流程如图3所示。

图3 水面修饰流程Fig.3 Modification process for water surface

通过水面修饰的步骤，将水面破洞、凹陷、凸起的地方进行修饰，还原真实的水面情况，修饰前后的对比如图4所示。

图4 水面修饰前后对比Fig.4 Contrast before and after water surface modification

3.2 路面修饰

由于路面车辆、行人较多，而且都是运动着的状态，导致影像匹配时出现异常，造成车辆变形、路面凹凸不平，路面修饰通过选中异常范围并拟合到同一平面，再将不符合的纹理部分外接PhotoShop软件进行修饰。路面修饰的流程如图5所示。

图5 路面修饰流程Fig.5 Modification process for road surface

通过路面修饰的步骤，将路面凹凸不平的地方进行修饰，还原真实的路面情况，前后对比如图6所示。

图6 路面修饰前后对比Fig.6 Contrast before and after road surface modification

3.3 碎片删除

由于影像质量及各种原因会导致生成的模型在空中及地下存在碎片的情况，一般需要将这些多余的碎片进行删除。在保证GPU足够大的情况下，最多可以加载99个Tile，通过前视图的方式查看碎片，批量选中并删除。对于一些细小的碎片，通过各视角观察、选中并对其删除。

4 三维模型应用

实景三维产品以其三维模型还原度高、作业方式效率高而应用于各个领域。目前，已将倾斜摄影测量技术应用于多个项目，并且取得了良好的效果，文章以某水电站坝肩危岩体地质条件评估及移民拆迁安置规划两个项目为例。

4.1 某水电站坝肩危岩体地质条件评估

某水电站坝区两岸地质条件复杂，基岩裸露，边坡高陡，危岩体分布量多面广、稳定性差，若地质人员贸然进行现场危岩体的勘探，容易发生危险。为精确获取危岩体所在的范围和体积，引入倾斜摄影测量技术，建立危岩体的精确三维模型，帮助地质人员更好地进行地质灾害评估，图7为危岩体范围及体积的获取。

图7 危岩体范围及体积的获取Fig.7 Acquisition of area and volume of dangerous rock mass

4.2 某水电站移民拆迁安置规划

水库移民工作是一项复杂的系统工程，涉及大范围的人口搬迁，实现各种资源在特定的地理空间上的重新配置[5]。目前，移民拆迁安置规划工作中，主要还是以文字、图片、表格及二维图的形式对相关数据进行记录。在某水电站移民拆迁安置规划中，引入倾斜摄影测量技术，工作人员可通过实景三维的方式更加生动直观地了解现场情况，如拆迁房屋的信息查询、拆迁安置状态查看、拆迁效果模拟、拆迁安置数据统计汇总等，图8为拆迁效果模拟及房屋属性信息查看，图9为拆迁安置数据统计汇总。

图8 拆迁效果模拟及房屋属性信息查看Fig.8 Remova effect simulation and house information viewing

图9 拆迁安置数据统计汇总Fig.9 Summary of removal and resettlement data

（1）拆迁房屋的信息查询。在三维模型上通过拆迁房屋的信息查询，工作人员可详细了解该房屋的户主、结构、面积、地域位置、建造年限等详细情况。

（2）拆迁安置状态专题。采用专题图的形式来表示目前已拆迁房屋、未拆迁房屋、已移民安置、未移民安置的具体情况，可更加生动地展示拆迁安置状态，工作人员无需面对枯燥的数据或文档就能了解实际情况。

（3）拆迁效果模拟。在三维模型上绘制特定区域，将该区域内的倾斜模型压平，以模拟拆迁后的状况，可提供多套方案的浏览、对比，辅助了解不同建设方案与当前实景的匹配度。

（4）数据统计汇总。通过柱状图来表示已拆迁房屋数目及拆迁房屋总数、已安置数目及安置总数，可更加直观地了解拆迁安置的进度。

5 结语

近年来，倾斜摄影测量技术因其具有高效性、高真实性以及快速获得海量空间数据的特点而得到了飞速发展。但是倾斜需要高重叠的影像才能进行数据匹配，海量数据的处理对硬件条件提出了很高的要求，高精度的影像数据匹配方法以及去除冗余信息提高运行效率又不影响模型的效果等方面的研究，是一个很好的方向。目前，虽然倾斜摄影测量成果已应用于很多领域，但是应用的深度和广度还有待进一步拓展。