倾斜摄影及实景建模技术在城镇改造中的应用

林呀 洪乾坤 沈兴调

摘  要：倾斜摄影测量作为一种能够观测多方位的摄影测量技术，目前被广泛用于国土安全、城市管理等行业。本文主要阐述了倾斜摄影技术的数据采集和处理、实景模型还原及单体化处理过程中的技巧和方法，分析实景建模步骤，并将该技术成功应用到小城镇改造项目中，对于促进该技术在城镇改造项目中的应用具有一定的借鉴意义。

关键词：倾斜摄影技术;实景建模;GIS;虚拟仿真

中图分类号：P231   文献标识码：A    文章编号：2096-6903（2019）05-0000-00

0 引言

随着我国社会经济的不断发展，国内各城镇有机提升、美丽乡村等改造建设项目在加速推进[1]。然而，基于传统的人工建模、现场摄像以及电子地形等基础资料的城镇改造设计手段，存在效率低、人力物力浪费严重、沟通困难、设计无端反复等问题。而且，城镇改造包括道路提升改造类型项目，其存在目标体量大、原始数据缺失、勘查困难等特点，因此无法满足大范围城镇改造项目的快速建设要求[2]。倾斜摄影測量作为一种新型的智能数字化勘查手段，能够从多方位获得地物不同角度的影像，为构建城镇三维模型提供丰富的纹理信息[3-4]，很好地解决了上述各种问题。

1 倾斜摄影技术

1.1倾斜航测基本原理

倾斜摄影作为新近发展的航测新技术，通过多镜头获取目标相同位置不同角度高分辨率影像，收集地物各方位表面纹理以及地理位置信息[5]。在详细的航测数据基础上，进行采集图像的处理、数据计算等操作，建立可视化、可量测三维实景模型。

1.2航测数据采集及处理

1.2.1航测范围确定

了解航测地貌，规划航测路线，需先在Google Earth中确定该项目的航测范围（如图1），以便在划分飞行架次、确定航拍方案、提高作业效率等方面进行合理优化。

图1 航测范围

1.2.2航线规划及参数设定

飞行参数值（拍摄间隔、旁向间距、高度、航向间距、速度等）的设定是倾斜摄影的主要组成，直接关系到航测的精度和效率。作业开始前，需综合考虑测量精度、建筑物分布、飞控距离、电池消耗、地形地貌等因素，并在设定航线和参数值后，须使飞行高度、地面分辨率及物理像元尺寸满足三角比例关系。

1.2.3无人机航测作业

航测作业前的准备工作主要是完成地面站的设置和无人机的组装工作。然后无人机在设定的路线及参数下进行摄影，操作人员的主要任务为观察无人机位置以及飞行的实时参数，平均每天可以完成3平方公里左右的航测任务。

1.2.4航测作业

倾斜摄影主要将各拍摄点的不同方位影像信息和相应的pos数据进行采集。影像信息由置于无人机上的多镜头相机完成，在匀速状态下对地面进行等距离拍摄，获取具有70%重叠率的照片;与相片对应的pos数据则由飞控系统在拍照时同步生成，此时相片具有经纬度、海拔、高度、飞行姿态、飞行方向等大量的信息。

1.3数据处理

倾斜摄影后期GIS的数据主要是通过使用实景建模软件ContextCapture进行处理。ContextCapture作为一种高效的构建三维模型的软件系统，通过影像自动化技术对静态物体进行建模，并叠加相机传感器属性、照片位置姿态参数、控制点等信息进行空中三角测量计算、模型重建计算，最后将输出对应的GIS成果用以浏览或后期加工。常见的输出格式包括OSGB、OBJ、S3C、3MX等。

1.3.1 pos数据整合

飞控系统生成的pos数据包格式与后期处理软件不符，而且包含了很多后处理不需要的信息，影响后处理工作。需要对原始数据进行筛选后分类处理，再用于相应数据处理软件（如图2）。

（a）原始数据                           （b）整理后的数据

1.3.2空间三角测量计算

空间三角测量缺失的照片数量会同步在运算过程的信息面板上。若缺失太多，则应取消此区块的计算，重新选择不同设置进行空三测量（如图3）。

若某些参数设置不正确或者照片的重叠率不足，都会影响空三测量操作的结果。

（a）空中三角计算                 （b）空三计算过程的三维视图

1.3.3三维重建计算

由于拍摄量大，获取数据多，对完成重建工作的计算机内存要求非常高，可能达上百G，普通计算机无法满足要求，故需根据计算机实际情况重新建立框架，将原来的框架拆为若干个大小相同的分块，分别进行计算。

1.3.4数据集群处理

集群处理可搭建一个局域网，网内除一台作为服务器的计算机外，其他计算机均作为节点连接到服务器而组建成群组，提交任务后，服务器将子任务分配到各节点。子任务完成后，由各节点将结果反馈到服务器，并接受新一轮的任务直到完成所有任务。

集群处理数据比单机处理，可靠性与容错率均有提升，若群组中一个节点出现故障，其所负责的子任务就自动分配到其他节点;而且集群处理成本较低，对于庞大数据量的处理，单机无法满足储存空间和处理速度的要求，集群之后，就能发挥高性能处理器的运算能力，大大降低了硬件成本。

1.3.5模型精修及单体化处理

采用ContextCapture软件生成的三维模型，由于存在影像采集时不理想的地物姿态或者影像匹配错误从而造成地物变形、部件缺失、悬空物体等情况。运用单体化软件对三维模型进行精修并重建，使实景模型更准确、完整，达到后期三维GIS应用。智慧城市等互联网平台有对区域内部分建筑个体进行单独赋予特性、单独编辑、查询以及数据查询等需求，故需对模型进行单体化处理。

2 工程项目应用

2.1工程概况

项目位于柳州城中区环江村区，由山地、农田、林地、农村建筑等构建而成，根据卫星地图和图纸判断，该项目区域，总面积为15平方公里左右，从卫星底图和照片状况分析，建筑大部分为低层建筑;且以农田、山体、林地为主较多。

主要采用无人机航空摄影的技术方式对柳州城中区环江村区面积约15平方公里进行影像调绘、三维重建1：1000矢量出图。以完成整个区域的正射摄影像图、数字线划图、高精度DEM的生产，完善整个区域的基础测绘资料与成果，并结合智慧城市建设的背景，完成柳州市地理信息测绘行业的发展。

2.2数据采集

采用DJI GS Pro对飞行路线做了详细规划，主要满足以下几点：照片的重合率不小于70%;飞行高度高于建筑物高度;采集的影像均包含目标位置的高度、经纬度信息。

采集包括高重叠度的多视角数据、像控测量成果和POS数据等原始资料。

航测结束后，连接相机，获取飞行数据，用于数据后处理。

2.3数据修复

2.3.1操作平台及流程

筛选符合要求的照片并导入建模软件ContextCapture。

数据后处理流程如图4所示：

2.3.2修复软件

模型修复软件的功能直接影响模型最后呈现的效果。目前类似软件有： 3DMax、DPModeler、Geomagic、Meshmixer、PhotoMesh和RealityPaint等。此类软件可以对模型进行精细的修整。

2.3.3修复数据

俯视角度一般可以很好地呈现实景还原的视觉效果，但实际操作中可能会受其他因素的影响，比如拍摄盲区或目标物特征点匹配的误差等，数据后处理生成的模型会产生空洞的现象。如果项目的模型质量要求高，则需要对这些空洞进行修复。

图5a即为本案例中某区域的原始软件生成模型图，图5b则为使用DP-modeler对空洞或残缺部分重新构面后，再进行贴图得到的效果。

在DP-modeler中，绘制基底面，再根据建筑物高度拉伸基底面，就可以得到效果较好的模型纹理，对于还存在缺点的部位，再进行人工重新构面贴图进行修整。如图6（a）即为案例中的建筑物原始模型，图6（b）则为修整后的模型图。

2.4数据展示及更新

2.4.1数据分析展示

2.4.2数据更新

（1）二次采集。根据已有的实景模型，对其进行规划设计，然后进行二次采集，重新生成实景模型。

（2）数据比对。模型改造前后对比展示（如图8）。

3 结语

本文采用的倾斜摄影的影像采集分析方法，具有低成本、高灵活性等特点，通过与三维实景建模、虚拟现实仿真和其他辅助技术等关键技术相结合，进一步在工程设计、方案比选和综合评价中提高效率、准确度，进而降低设计成本，以期用于市政设计院、建筑设计院等单位的实际工作中。

参考文献

[1]安徽省建设厅赴浙江城镇化工作调研组.浙江省推进新型城市化发展的启示[J].安徽建筑，2016（2）：1-4.

[2]李安福，曾政祥，吴晓明.浅析国内倾斜摄影技术的发展[J].测绘与空间地理信息，2014（9）：57-59.

[3]王静宇.淺谈无人机倾斜摄影测量技术及其应用[J].工程建设与设计，2017（14）：200-201.

[4]胡天明，冯磊，吉长东，等.基于机载LiDAR的倾斜摄影在三维建模中的应用研究[J].测绘与空间地理信息，2019（8）：219-221+224.

[5]宋碧波.倾斜航空实景影像系统构建关键技术研究[D].河南理工大学，2012.

收稿日期：2019-08-10

基金项目：2018年浙江省教育厅一般科研项目（Y201840619）

作者简介：林呀（1982—），女，浙江杭州人，工学硕士，讲师，研究方向：市政工程。

The Application of Tilt Photography and Real Scene Modeling in the Reconstruction of Towns

LIN Ya，HONG Qiankun，SHEN Xingtiao

（Zhejiang Tongji Vocational College of Science and Technology，Hangzhou  Zhejiang  311231）

Abstract：Tilt photogrammetry is a kind of photogrammetry technology which can observe multi-direction. It is widely used in the fields of homeland security and urban management. This article mainly expounds the photography of the tilt data acquisition and processing， real model restoration and monomer in the process of processing techniques and methods， analyzes the steps of the modeling of real， and this technology has been successfully applied to the small towns in the renovation project， to promote the technology application in urban renovation project has a certain reference significance.

Key words：Tilt photography technology;Real scene modeling;GIS;Virtual simulation