基于倾斜摄影测量技术的三维数字城市建模研究

邹 磊，曾 强，武 莹，胡成玉

（1.江西省地质局第二地质大队，江西九江 332000；2.江西建工第一建筑有限责任公司,江西南昌 330000；3.江西金浔有色工程技术有限公司，江西九江 332000）

前言

现阶段，数字理念在城市规划中的应用，对城市建模技术发展作出有益贡献。通过对现代化信息技术的应用，如倾斜摄影测量技术，能够为城市规划、建设与管理助力，提高政府与管理人员的服务、管理水平。研究指出，将倾斜摄影测量技术应用在城市建模设计中，也能够最大程度节约资源，推动数字化技术朝向纵深领域发展，并发挥城市管理工作的内在价值，进而为人们提供更加优质、便捷服务。作为新型测绘技术之一，倾斜航空摄影与正射影像的区别，主要体现在以下方面：正射影像仅能对地形、物体进行垂直拍摄，后者则有效弥补了正射影像的不足，可利用飞行器所布设传感器，对地形、物体进行多层次、多角度拍摄，从而获得更加完整的测绘影像。通过实践能够发现，该技术的优势可被归纳为四点，首先是该技术能够做到如实展示被测物体情况，其次是使单张影像测量的设想成为现实，再次是其可被用来采集建筑正面、侧面的纹理，最后是能够压缩测量所获得数据体积，确保测量数据能够被直接发布在互联网上[1-2]。

1 三维建模技术要点

1.1 采集数据

以实际需求为依据，设计测区航线，通过无人机、具有倾斜摄影功能的飞行器完成航摄，酌情调整摄影时间、影像数据。待外业飞行告一段落，利用现有软件转换数据格式，保证经过转换的数据，其内部包含POS 初始数据、曝光点参数和相机文件等。随后，解算POS 数据，得到精度符合要求的文件（文件格式为.sol），对解算所得到文件、phone ID 还有Event 参数进行融合，同时对相机进行检校，得到具有实际意义的外方位元素，确保基于外方位元素所建立模型与实际情况高度契合。

1.2 三维建模

1.2.1 自动匹配 获得建模所需数据后，利用管理模块提取有效数据，仔细检查影像质量，对影像光色进行均匀。随后，匹配同名点并提取APM 文件内容，通过提高定向精度的方式，降低建模难度，为模型最终呈现出的效果提供保证。

1.2.2 空三处理 该环节需要有关人员以工作需求为依据，调整摄影所用相机参数，将APM 文件导入软件，由软件对拍摄区域进行分析，明确每张相片所对应外方位元素，并自动生成相应的文件资料。

1.2.3 建立模型 第一步，采集建筑屋顶线，基于现有软件对屋顶做矢量处理。有关人员既可以选择软件内置屋顶类型，同时也可以对屋顶进行自定义，视情况选择房屋线并绘制建筑。第二步，以所导出DEM 模型为基础，有序开展实体建模等工作，利用软件所提供功能，计算建筑高度，并根据计算结果拉伸模型。第三步，由软件自行提取圈定区域纹理信息，确定高精度纹理，用该纹理覆盖白模[3]。通过实践所积累经验能够发现，该环节较易出现树木纹理、地面纹理覆盖建筑的情况，要想避免该问题发生，有关人员应先对已粘贴纹理的模型进行浏览，再对模型进行优化，保证所获得模型精度符合要求且纹理覆盖位置正确。

1.3 立体建模

要想对建筑结构进行立体测量，关键是要先分析建筑结构和外观，根据分析所掌握信息，对相机方位元素加以确定，保证经过检校的相机能够满足测量要求，再以共线方程为依据，判断建筑、影像间所存在几何关联。确定坐标后，借助3ds 软件对坐标系、具体坐标进行展示，达到重构几何体的目的，最后一步，结合几何体情况，调整工作方案，杜绝交互操作或类似问题发生。通过对某高级住宅数据进行转化能够发现，立体模型（如图1所示）的轮廓更加清晰，与传统模型相比，立体模型在展示网格图方面具有极为突出的优势，可降低有关人员掌握建筑、其他地面物体和影像间关系的难度，并使其形成更加深刻的印象。

图1 建筑三维模型

1.4 提高精度

1.4.1 平面精度 对影像数据进行研究期间，有关人员先要提炼出有效坐标，再用不同颜色区分测量所得到坐标、实际坐标。某项目计划利用多旋翼无人机完成倾斜摄影测量工作，无人机内置多个镜头模块，可将飞行高度控制在100 m，保证航向重叠度达到70%、旁向重叠度达到45%，同时摄影所获得相片的分辨率为0.02 m。受电池续航能力影响，需要飞行2 次才能获得完整图像，其中，首次飞行线路为4 条，第二次飞行线路改为6条。物体坐标见表1，对测试平面误差进行计算的公式如下

表1 物体测量偏差

通过计算可知，其侧、横坐标偏差均没有超过允许范围，由此可见，日后开展航测相关工作时，可对倾斜摄影测量加以运用。

1.4.2 DEM 精度 待航测工作告一段落，有关人员应尽快对DEM 参数进行检测，确定拍摄区域的最高点及误差。例如，某地测量所得到最高点高度是41.02 m，经过校正所得到高度是41.00 m，二者间存在一定误差，为确保该参数具备应有代表性，有关人员决定重新选择两个点并进行测量，测量结果分别是43.70 m、42.51 m，校正所得到的数据分别是43.70 m、42.52 m，误差在可控范围内。这表示将该技术用于三维建模可取得理想效果，利用现有软件对图像进行拼接，能够获得和实际情况基本相同的影像及相关数据。

1.4.3 改进方法 对三维建模进行试验期间有关人员发现，即使已经引入了先进的设备和技术，但仍无法保证测试完全不存在误差，导致该情况出现的原因，主要是设备自身存在误差，加之在飞行过程中，地形、天气条件均会给设备造成影响，要想尽量减小误差，一方面要对设备精度进行提高，另一方面要深入分析航拍的模式与比例，灵活运用现有技术，对图像、影像信息进行快速且准确的提取，使基础测量等工作得到有序开展，为城市建设与发展助力[4]。

1.5 注意事项

利用该技术进行建模的关键，在于借助无人机、飞行器采集图像，基于现有软件对所采集数据、信息进行处理，确保各项数据均能够得到充分利用[5]。校验操作期间，应重点关注布设信息情况，通过强化处理等方式，提高元素获取效率和准确性，降低日后绘制图纸等工作的难度。某县城便计划利用该技术建立城市三维模型，模型面积在12 km2左右，由于项目性质较为特殊，客户对设计实施情况、控制点和影像质量提出了较为严格的要求，在工作过程中，有关人员遇到了较多难题，但均结合自身经验对问题进行了解决。例如，前期收集照片信息时，受气候条件制约，少数照片的明度不理想，随后，有关人员对存在上述问题的照片所覆盖的范围进行了补拍，补拍期间重点关注照片明度、光线，保证补拍所得到照片清晰。再例如，导入模型的格式不符合要求，无法利用现有软件打开分块模型、分区模型，同时模型存在绝对坐标，导致问题出现的原因，主要是像控点位置不合理，需要更改像控点位置，并重新建立相应模型。

2 三维建模中倾斜摄影测量的应用方向

新时期，城市发展速度明显提升，不仅城市环境出现明显变化，既有建筑外观和风格也变得更加多样化。对城市进行规划期间，应坚持以实际情况为依据，确保所制定规划具有实际意义，以往所使用图像编辑、人工摄影等方法，既不具备理想的针对性，又不具备较高的工作效率，现已逐渐被社会所淘汰，对倾斜摄影测量加以运用势在必行。此举一方面能够缩短获取信息的时间，另一方面可使物相集合关系得到直观展示，通过优化测量效果的方式，为城市规划、建设等工作的开展提供便利。在三维建模期间，该技术的作用主要体现在以下方面：

2.1 虚拟漫游

利用倾斜摄影测量进行建模，可获得更加逼真且形象的三维模型，为工作人员掌握城市景观、既有建筑外观特征提供便利。此外，该技术的加入，还使城市虚拟漫游成为可能，在条件允许的情况下，有关部门可以选择开放三维模型，鼓励人们通过互联网浏览模型。相对于观看二维地图，浏览三维模型更有利于人们了解城市面貌，通过身临其境的方式，使其对所观看到的信息产生深刻印象。

2.2 实施设计方案

实施设计方案的流程如下：第一步，确定对城市进行网络化管理的方案，将工业区、主城区作为分界线，对各个区域进行合理划分。第二步，以现场情况为依据，结合布点要求选择控制点，保证控制点所在位置对空视角良好，不存在阳光遮挡或类似问题，尽量缩小旁向重叠中心与控制点的距离，确保二者距离在3 cm 以内。其中，市级数据尺主要包括1:500、1:1000 还有1:2000 三种；数字线划图应采用矩形分幅，根据实际情况将分幅尺寸定位40×50 cm 或是50×50 cm；模型格网间距以2.5 m 为最佳；航空影像的地面分辨率应控制在0.2 m左右，遥感影像分辨率则需要视情况进行调整，一般情况下，分辨率均应处于0.5 m～30 m 之间。

2.3 建立三维景观模型

对数据进行提取时，应重点关注大比例数据图所提供信息，严格按照：高度→地面边界→地面高度这一顺序对建模所需数据信息进行获取，与此同时，通过DXF对所提取景观信息加以呈现。随后，酌情修改DXF 文件，将修改后文件写入数据库，确保文件内容和主机信息完全匹配，三维模型精度满足表2 的要求，并将文件转变成TAB 格式并存储在对应数据库内。待上述工作告一段落，便可对所建立模型进行全方位展示，确保模型价值能够得到最大程度实现。

表2 三维模型精度（单位：m）

2.4 采集并粘贴不同纹理

2.4.1 选择纹理 要想使倾斜摄影测量优势得到充分发挥，还应对建立可视模型需要用到的纹理引起重视，保证所建立模型与城市情况相符。建模前，先要对纹理进行选择，若不同影像所展示纹理夹角未超过90°，代表墙体影像满足可视化要求，相关判定依据见表3。

表3 选择纹理的依据

2.4.2 采集纹理 采集纹理需要有关人员利用数码相机拍摄物体纹理，将拍摄所得到照片转换成数字地形图，从而确定其平面坐标，如果条件允许，还可以借助无人机等设备进行拍摄，这样做能够使拍摄角度更加自由、覆盖更加全面。获得照片后，灵活运用激光扫描、倾斜摄影等技术，对物体表面纹理加以确定。

2.4.3 粘贴纹理 粘贴纹理的步骤较为复杂，待采集纹理的工作告一段落，有关人员就应当着手进行建模，确保模型能够如实反映物体、建筑特征，在此基础上，通过粘贴纹理的方式，使物体得到形象且直观的展示，为日后数字化成图等工作的开展提供便利。在此过程中，应重点关注两方面内容，一是以建筑面积、体积为依据，通过分块拍摄等方法，为照片内容所具有饱和度提供保证，使照片质量达到预期水平，二是结合实际地形，对建模理念加以确定，以建模理念为导向，选择后续工作所使用的软件，降低粘贴纹理的难度。

无论是在选择纹理、采集纹理还是粘贴纹理期间，均要对建模需求加以考虑，增强所使用技术的针对性，无缝衔接数据关联点，尽量缩小模型、实体建筑的差异，确保三维模型能够发挥出应有作用（见图2）。

图2 建筑模型成品

2.5 实验验证

建模的最后一步，便是通过实验验证模型有效性、科学性。实际工作中，应借助SWDC-5 获取相关数据，分别拍摄各条航带的照片，保证拍摄点和地面高度差在800 m 左右，避免出现照片覆盖不全面的情况。另外，考虑到不同城市的建筑布局、种类和数量均有所区别，在圈定实验范围时，先要了解实际情况，例如，某地计划对中层建筑模型进行建立，保证模型能够准确反映中层建筑布局，为实现该目标，有关人员花费近5 h 建立了250个模型，建模速度和最终呈现出的效果明显优于传统方法。

3 结论

综上，研究了倾斜摄影测量技术在城市建模中的应用。基于该技术的应用，能够最大程度利用空间资源，多角度呈现城市面貌，对人们形象了解地理实际形态产生正面作用。综上对三维建模要点进行分析，明确数据采集、立体建模在建模技术应用中的价值，并且对虚拟漫游、线路景观与贴图纹理的关键点进行论述，通过对上述技术方案的应用、使得建模速度明显提升，并且能够在数据资源较少的情况下完成建模，为数字化城市建模技术的发展提供有力支持。