基于倾斜摄影空地一体单体化建模技术的研究

赵伟山,李治明,胡天明,张正文

（1. 甘肃省测绘工程院，甘肃 兰州 730000；2. 甘肃省应急测绘工程研究中心，甘肃 兰州 730000）

倾斜摄影技术是国际测绘遥感领域近年发展起来的一项高新技术，它以覆盖范围广、分辨率高的方式全面感知现实场景，具有真实反映建筑形状、建筑特征、现状和楼层高度等信息，模型可量测、周期短等特点，是城市三维建模的主流趋势[1-2]。而近景摄影测量系统，采用地面拍摄设备与高精度定位设备，结合高效的后处理软件，软硬件系统高度集成。实现以非接触式，远程、在线作业模式，全面提升信息采集的效率和精度，广泛应用于竣工测量、城市三维建模、桥隧道路检测、施工监测、交通应急等行业。SWDC 系列数字航空摄影仪基于高档民用相机，经过加固、精密单机检校、平台拼接、精密平台检校而成，并配备测量型双频GPS 接收机、GPS 航空天线、航空摄影管理计算机；系统还集成了航线设计、飞行控制、数据后处理等一系列自主研发软件，其中的关键技术是多相机高精度拼接。本文通过生产实践，总结了一套基于倾斜摄影的空地一体实景三维模型单体化建模的方法，可以应用到大范围区域的三维建模生产中。

1 生产技术路线

利用倾斜航空摄影测量技术手段快速、有效、完整地获取地面物体的影像及纹理特征信息，利用近景摄影测量技术手段获取地面影像，依照现行国家标准，测绘行业标准以及有关规定，通过联合解算获取空三加密成果；利用ContextCapture Center进行自动化实景建模。结合武汉天际航公司自主研发的DP-Modeler建模软件在三维实景Mesh 模型基础上进行精细化单体建模、纹理贴图以及地面影像的替换[3-6]，单体化模型总体生产流程如图1所示。

图1 单体化模型总体生产流程

1.1 影像获取

1.1.1 倾斜影像获取

采用大飞机搭载SWDC-5C 系列数字航摄仪对测区进行航空摄影作业，获取了厘米级高分辨率的垂直和倾斜影像，能够获取地物侧面更加真实丰富的纹理信息，弥补了正射影像只能获取地物顶面纹理的不足，保证了数据成果的平面和高程精度。SWDC-5 是国内最早推出的国产航空倾斜摄影仪，通过1 个垂直拍摄和前后左右4 个40～45°倾角拍摄得到多视角影像、建筑物墙体真实纹理。

1.1.2 地面影像获取

采用TBOX 近景摄影测量系统获取地面影像，首先使用地面高精度定位设备TBOX 连接GSCORS 基站，通过差分GPS（RTK）方式获取精确的POS 数据，卫星信号较好的条件下精度可以达到厘米级；然后使用移动手机连接互联网，再通过蓝牙连接TBOX设备，手机就可以拍摄到具有精确位置信息的地面影像。由于后期空三加密的需要，拍摄时照片间需保持80%以上的重叠度。不连续的建筑群之间进行影像分组，建筑要尽量多拍摄照片，这样就确保空三时获取尽可能多的同名点，保证空三成果的精度。

1.2 空地一体联合空三加密

1.2.1 POS数据解算

使用差分后处理软件对POS数据进行处理，获取厘米级高精度POS数据，并根据需求将选定坐标系统下得到的曝光点坐标，根据当地坐标系统计算出的坐标转换参数，转换为当地坐标。

1.2.2 空地一体联合空三加密

影像匹配是摄影测量的基本问题之一，多视影像具有覆盖范围大，分辨率高的特点。因此，如何在匹配过程中充分考虑冗余信息，快速准确地获取多视影像上的同名点坐标，进而获取地物的三维信息，是多视影像匹配的关键。

将预处理好的倾斜相片、地面影像数据及POS数据列表匹配好，进入自动化实景三维模块处理，完成定向。首先通过辅助POS系统提供的多视影像外方位元素，对每级影像进行地物要素同名点匹配和自由网平差，建立要素连接点、连接线、控制点坐标、云台辅助数据的自检校区域网平差方程，然后通过联合解算获取空三解算成果[7-8]。

1.3 自动化实景建模

1.3.1 点云加密

根据空三解算成果，进行特征匹配和逐像素密集匹配，获取高精度高分辨率数字地面模型，点云滤波和匹配单元融合后形成统一的全要素点云，完成点云转换，生成具有自然纹理颜色的点云数据。

1.3.2 构建TIN网模型

模型制作的计算任务量较大，为提高数据处理速度，处理过程中将摄区分割成N个模型小块进行处理。对每个区块内模型精细构网，可以快速生成TIN网模型。

1.3.3 实景三维模型输出

对TIN 网模型自动纹理映射，建立地物几何信息与纹理信息的对应关系，同时进行整体匀光匀色梳理，以此生成基于真实影像位纹理的高分辨率实景三维模型，对真实场景的还原达到了无限接近真实世界，如图2所示。

图2 实景三维模型

1.4 单体化建模

1.4.1 白模制作

模型的轮廓及高度基于实景三维模型成果，在国产建模软件DP-Modeler环境下进行采集。利用倾斜摄影可实现单张影像测量，在垂直影像上获取顶部结构，四周倾斜影像上获取房屋立面结构信息，对其进行推拉、编辑、调整得到最终模型[9-10]，如图3所示。

图3 白模制作效果

建筑物轮廓线及高度信息采集需要满足以下要求：

1）模型现势性与倾斜影像时相保持一致，精度满足各级模型采集要求，对重点区域需要更新的应进行数据更新与获取，影像与现实不符时，根据实际情况进行补充建模。

2）模型轮廓线和高度信息应以倾斜影像或实景三维模型为基础，满足各等级模型平面和高度精度要求。

3）模型应以准确表达对象几何形态特征为原则，通过倾斜影像、实景三维模型或图像视频等方式来确定对象细节特征。

4）对于重点建筑可进行超高精度单体化三维建模。高精度单体化建模技术结合空地一体化影像与专业模型编辑软件强大的模型编辑能力，做到资源共享、功能联动，优势互补，在保持强大模型编辑功能的同时，借助空地一体化多角度影像实现重点建筑、复杂异形物的重建，例如古建筑，可以结合空地一体化高精度单体化模型和纹理贴图检索功能，解决其重建问题。

1.4.2 纹理自动映射

可通过摄影测量算法，实现模型贴图自动从倾斜影像中采集，贴图分辨率即为影像分辨率，且一键完成模型贴图，如图4所示。区别于传统人工识别、赋予贴图的模式，提高单体化模型贴图真实性，提高生产效率。

图4 纹理自动映射

1.4.3 手工修饰贴图

完成模型贴图后，由于树木、公共设施的遮挡不免有些瑕疵。根据贴图手工编辑功能，可直接调用修图软件进行纹理修改，单张贴图存在色差或者遮挡时，编辑纹理去掉色差或遮挡。贴图利用倾斜影像或近景摄影采集的影像，保证模型高精度，模型纹理高真实性。

1.4.4 建筑单体化模型渲染

在建筑单体化模型构建完成后，使用专业三维设计软件的渲染器工具对模型材质、色彩、光照进行渲染，提高模型显示品质。

1.4.5 模型修饰

倾斜摄影自动化建模生成的实景三维模型普遍存在破洞、纹理拉花、搭连、漂浮、水面隆起等问题，尤其是近地面部分有比较大的瑕疵。针对这种情况，DP Modeler 能对Mesh 三角网进行直接编辑，实现Mesh模型的局部修饰。三角网选择、补洞、拟合到平面、平滑、漂浮物自动清理、墙线拉直功能、Mesh切割、网格细分、Mesh纹理修改等功能。

1.4.6 模型与场景融合

在建筑单体化模型构建完成后，与真三维实景场景进行融合，保证单体化建筑与三维实景融为一体，既能整体展现实景真三维场景，又能单独选中单栋建筑，查看属性信息，如图5所示。

2 技术优势

项目主要采用了基于倾斜摄影的空地一体三维单体化建模技术，主要优势如下：

1）针对城市区域倾斜摄影底商纹理拍摄清晰度不够、地物遮挡现象比较突出的问题，采用基于SWDC-5C 倾斜相机的空地一体三维单体化建模技术，将具备准确外方位元素的近景摄影影像进行空三定位，实现倾斜影像与地面影像一体化，使得地面影像可以和航空影像一样进行模型的纹理映射，底商纹理的替换更加方便和智能，大大减少了人工工作量。

2）通过垂直与倾斜影像的全自动联合空中三角测量[11]、多视影像密集匹配、数字表面模型生成、三维空间网格模型生成、纹理映射、真正射影像纠正等过程，进行自动化加工处理后，对自然环境中的地形地貌、地物设施等场景的三维模型构建过程，无需人工干预地从多源数据中获取连续影像，实现自动化生成三维实景模型，实景三维建模具备高效率、高精度、高真实感、低成本的优势。

3）利用空三平差原理，设计合理数量和均匀分布的像控点，结合POS系统提供的外方位元素和相机安装位置关系，辅助控制点强连接几何条件，GPS/IMU实现多视角影像自检校区域网平差计算，从而平差得到了高精度的实景三维模型。实景三维建模具备高效率、高精度、高真实感、低成本“三高一低”的优势，所得到的实景三维模型可以用来直接进行单体化建模。

4）基于实景三维模型，采用图像快速建模系统，采集建筑物等其他要素的轮廓，通过纹理数据的自动映射生产单体化模型，该软件实现了大大提高建模效率和质量，更加逼真的展示了建筑物的细部特征。

5）通过连接GSCORS，采用近景摄影测量系统获取近地面影像，实现以非接触式作业模式，全面提升信息采集的效率和精度。使得拍摄照片的定位精度达到了厘米级，实现了地面补拍照片与倾斜影像位置的无缝衔接。

3 结 语

倾斜摄影技术及其成果会在以后的测绘生产与空间信息服务中扮演更加重要的角色。航空倾斜影像不仅能够真实地反映地物情况，而且还通过采用先进的定位技术，嵌入精确的地理信息、更丰富的影像信息、更高级的用户体验，极大地扩展了遥感影像的应用领域。同时，倾斜摄影技术使得目前高昂的三维城市建设成本将大大降低。由于倾斜摄影三维场景为用户提供了更丰富的地理信息，更友好的用户体验以及其低廉的成本，该技术将越来越多的应用于空间规划、应急指挥、国土资源管理、违法乱建查处、三维不动产等行业。