倾斜摄影测量技术在城市三维建模中的应用

肖媛

新疆维吾尔自治区地质矿产勘查开发局测绘大队 新疆 乌鲁木齐 830017

引言

倾斜摄影测量技术是国际遥感领域新发展起来的高新技术测绘技术。该技术有效地结合了传统航空摄影测量和近场摄影测量的优点，并配备了5镜头摄像头和先进的姿态定位系统，区别于传统航空摄影测量只能在地面捕捉头部上方的信息。在飞行平台上，可以同时获取1个垂直方向和4个倾斜角度的地面图像，使用垂直于地面的正片制作传统4D产品，另外4组倾斜片可用于获取有关地物侧面的纹理信息。

1 倾斜摄影测量的关键技术

1.1 区域网联合平差

无人机倾斜照片航空三角测量系统必须使用多种图像联合调整处理方法来处理倾斜图像。在本地网络联合协调过程中，需要注意以下2点：①命名点匹配和联合天线三角测量可以更好地匹配不同分辨率级别图像的同名点。②结合关节点、参考点坐标、照片位置姿态等辅助数据，结合误差方程进行关节平差求解，得到高精度航拍三结果[1]。

1.2 密集匹配

随着计算机视觉技术的进步，多元素图像的密集匹配已成为数字摄影测量领域新的研究方向。目前，该技术可以自动识别和提取建筑立面特征，对墙体进行分类、扫描和分割，重建建筑立面结构，直接提取建筑高度和外轮廓信息。

1.3 DSM生成

如何基于倾斜摄影测量技术自动获取数字表面模型存在新的技术难点。针对这个问题，根据传感器获取的图像外向元素数据，分析选择合适的图像匹配单元进行最小二乘图像匹配和像素级高精度密集匹配，计算机并行算法如下。引入以提高计算效率。得到高密度点云数据后，对其进行滤波细化，合并其他匹配单元，形成一个综合的数字表面模型DSM[2]。

1.4 真正射影像纠正

利用生成的数字仪表模型DSM，通过联合协调和紧密匹配算法建立物体和图像特征点一一对应的关系，并在图像校正过程中考虑几何辐射等系统误差的干扰：正确进行关节调整，最终得到实拍图像。

1.5 三维建模

无人机获取地物倾斜摄影图像数据，导入专业建模软件，构建真实的3D模型，模型制作过程采用自动化、集群化操作，效率高、模型精度高、成本低。多视点图像数据经过几何校正和联合平差处理，生成高密度点云，构建不规则三角剖分模型，经过纹理映射，最终得到达到测量精度的高分辨率实景3D模型.和映射。

2 倾斜摄影立体量测功能的实现

2.1 地面建筑结构的建模

倾斜摄影技术能够借助相机来测量得到实体建筑的外建筑的方位元素、内方位元素特征，借助共线工程搭建起影像和地面之间的联系，得到多元化、立体的建筑结构立面体。得到的三维坐标数据做好保存方便建模，导入平台内，在3dsMax中与软件匹配，运用软件平台功能来转化数据，实现几何体重构。在具体的操作过程中能够根据建筑物类型进行具体的分析，得到建筑物对应的三维点信息，避免系统存在过多交互，也可以提高建模效率、准确率。

2.2 纹理提取

选择最优路径：要可视化、真实、逼真地反映实际城市情况，主要是能够从影像当中获取建筑纹理，且映射在三维几何体表面实现。在选择最优纹理的时候，同一个墙体纹理能够赋予不同建筑结构不同的材质。首先判断建筑墙面发现与面中心到摄影中线连线的夹角，如果角度小于90°就表示墙面影像可见。最优选择是同一个墙体问题出现两幅、两幅以上的影像，以最大纹理区为最佳；其次是存在同一个墙体纹理、影像，则将其作为采集对象；其三，如果存在遮挡现象，以最小遮挡作为采集对象。

纹理裁切、映射：操作人员需要确定最优原则，在操作界面确定纹理信息、像点坐标、裁剪范围等，这些参数均需要保证在最佳范围之内；为方便后续的剪裁，裁剪区长度应按照16、128、256、512这种数据来进行确定，之后进行裁切[3]。3dsMax当中的网格面纹理信息被指定为具体对象保存在指定文档之内，以索引的形式可以打开，设置对应的坐标点即可。假设U、V、X0、Y0、Xi、Yi分别作为纹理、裁切矩形、网格定点坐标，可以建立起相应点的坐标关系：

其中，width与height均是裁切矩形像素的高度。考虑到纹理映射的不真实性，比如在信息获取的时候存在映射偏差的可能性，因此需要人工干预来修正。

在得到三维模型之后，与摄影得到的影像分析确定纹理选择效果，操作人员根据具体纹理挤出轮廓，之后重新提取纹理来映射，重构模型再次提取纹理，就可以取得真实的纹理，得到具体的模型效果。

2.3 分析

针对倾斜摄影技术的认识，验证其性能，确保合理与稳定，于是选择了本市区内某个具备代表性建筑建模分析，使用设备为SWDC-5相机，平均飞行高度为830m。

现在城市建筑规模较大，为验证实验的真实有效，避开中层与高层建筑物，以简单结构建筑为主选择其中一块量测建模。在具体设计过程中能够仔细展示建筑顶部的细节，通过各个方位相机数据面的组合形成完整的三维模型。

3 倾斜摄影测量的建模关键技术作业流程

基于倾斜摄影测量技术与几何建模方法相结合，快速构建建模技术路径：①测绘区倾斜摄影数据和地面影像参考点数据采集；②倾斜摄影测量技术应用与三维通过图像实现真实3D建模的步骤，如加密、TIN网络构建、纹理映射等步骤；③使用几何建模的方法进行3D建模的二次处理，解决纹理问题，建模漂浮物体等解决问题并得到3D建模的真实结果。

3D建模的核心技能主要包括数据预处理、空中三角测量和多视图图像匹配。数据预处理是指对图像数据和图像控制点数据进行预处理。图像数据预处理是由许多不可避免的因素造成的，云雾会使图像过度曝光或模糊，因此需要调整图像的亮度和颜色。POS数据预处理应从POS数据记录中删除不必要和无用的信息，只保留坐标信息和3个姿态角度信息[4]。POS数据下方的坐标信息需要进行坐标变换。影像控制点数据预处理应筛选影像控制点测量得到的原始文件的恒星质量，确保无浮动解，然后将两侧测量的平均值转换为文件格式。空中三角测量依赖于基于复杂数学模型的少量真实现场测绘参考点，以计算运行过程中所有必要的参考点和方位角因子。图像匹配是根据特定算法自动选择两个或多个重叠图像以确定具有相同名称的图像点的过程。纹理映射是将3D模型的表面与二维图像空间中的像素坐标进行匹配的过程。

4 倾斜摄影测量技术在城市三维建模中的应用

4.1 打造真实的城市漫游体验环境

员工利用无人机倾斜摄影测量技术，为人们创造真实世界的三维城市环境，将城市建筑和景观虚拟化，利用网络使人们能够看到不同区域的城市景观，创造虚拟漫游体验等任务。应用这项技术可以加深人们对城市的了解，满足人们足不出户就能看到各个地方的风景的真实需求。

4.2 为智慧型城市建设奠定基础

在国家发展的新时代，智慧城市是城市建设的新要求。 3D建模技术必须不断创新，在降低城市建设速度的同时提高3D建模水平。无人机倾斜摄影测量技术的应用可以促进城市建设的三维建模。无人机倾斜摄影测量技术的应用，帮助员工快速提取各类城市相关信息，构建精准的城市三维模型影像，为后续工作提供可靠的数据支持。应用无人机倾斜摄影测量技术可实现时间定向导航，完全满足智慧城市定向建设需求，进一步提升我国智慧城市建设水平[5]。

4.3 优化EPS建模

EPS是一种用Post Script语言描述的ASCII图形文件格式，它使高质量的图形图像能够在Post Script图形打印机上打印。格式大体上分为Photoshop EPS格式和标准EPS格式，标准EPS格式又可以分为图形格式和图像格式。

Photoshop只能打开图像格式的EPS文件，cdr可以打开矢量图，不能编辑文本，但是可以曲线模式编辑图形。

EPS软件在城市3D建模工作中的应用，可以提高测量区域内物体信息的准确性和科学性，促进工作人员充分了解不同类型数据的不同特征，提高数据测量效率，减少后续跟踪，由工作介质中的错误信息引起的问题[6]。

4.3.1 将三维建模应用于城市规划管理，可以通过城市规划三维辅助审批系统提供多种管理数据，对城市道路分布和房屋拆迁进行辅助分析。通过合理应用规划和管理，可以充分衡量各种建筑物或地形条件，在城市拆迁二次分析过程中，建筑物的基本属性可以帮助技术人员计算拆迁的实际成本。道路坡度图可以了解建筑物之间的关系以及不同方向不同街道建筑物的真实情况，可以为城市规划建设、廊道美化等提供多重参考数据。

4.3.2 三维建模广泛应用于城市建筑的合理性审批，可有效应用于现代城市应急指挥行动、交通管理、城市改造和土地资源管理。

4.3.3 随着城镇化规模的不断扩大，人们对电力资源的需求不断增加，同时也加大了城市用电线路规划和测算的难度。

无人机倾斜摄影测量技术可以在短时间内合理设计和构建电源路径的三维模型，准确提取与电路相关的基本信息。

5 结束语

倾斜摄影测量在一定程度上改变了传统的测绘模式，利用三维的模式对智慧城市的发展，国土安全等相关领域产生影响。目前测绘技术发展的不平稳，想要更好地提高数据应用，需要不断进行分层、分割，在原有的基础上对数据进行融合，实现建设模型的不断更新，对数据也进行更深层次的分析，从而让测绘在建筑发展以及社会发展中起到重要作用。