基于数字摄影测量快速建模的方法研究

黄昌胜，孙黎明

(佳木斯市勘察测绘研究院，黑龙江佳木斯 154004)

1 引言

随着计算机技术及三维仿真技术的发展，三维城市模型的建设和应用技术也得到了快速发展，其需求也越来越旺盛。成熟的三维城市模型建模方法很多:有通过二维数据直接拉伸获得简单白模的方法，有通过手工建立精细模型的方法，有利用LiDAR扫描生成真实模型的方法，2011年10月，Esri公司正式发布了其领先的三维建模软件Esri CityEngine 2011，提出一种程序化的规则建模新技术，具有突破性，非常适合于三维建筑设计。本文主要介绍一种基于数字摄影测量的快速建模技术，这种方法的特点是精度高，模型真实，建模速度快。基于数字摄影测量构建三维城市模型的优势在于不仅可以生产制作用于构建地面模型所需的高精度DEM和真正射影像图资料，而且可以采集获取绝对位置准确、相对关系正确、纹理信息真实的建筑物三维模型。下面重点探讨基于数字摄影测量建立建筑物三维模型的原理、流程及其关键要点。

2 基本原理

三维城市模型由地面模型、建筑物模型、城市部件模型、植被模型以及附属设施模型等组成。地面模型可以通过DEM与DOM叠加的方式来获取，复杂的地面模型可以通过手工方式来建模。城市部件、植被以及附属设施可以采用模型样本按位置种植或对点状要素进行符号化的方式进行建模。建立这些模型所需的数据可以利用数字摄影测量直接获取，比较简单，下面重点介绍建筑物模型的获取原理。

基于数字摄影测量建立建筑物三维模型有两项内容，一是建筑物几何模型的生成，二是几何模型顶面和侧面纹理的获取。

2.1 模型的生成

模型生成阶段，主要任务是获取由顶部及侧面多边形构成的建筑物白模。建筑物几何模型的顶部如无遮挡可以在数字摄影测量工作站中直接采集获得，如图1(a)、(b)所示。较低的建筑物如被较高的树冠或其他较高的建筑物遮挡，需要采用全站仪等设备到现场补测几何外形及纹理。建筑物几何模型的侧面多边形可以通过顶部几何图形的边线沿重力方向向地面作垂面获得，顶部几何图形的所有边均按此方法处理即可获得建筑物几何模型的所有侧面多边形，如图1(c)所示。建模过程中参照的地面可以采用基于数字摄影测量方法生产的数字高程模型。

图1 建筑物三维模型的采集与生成

2.2 纹理的获取

纹理获取阶段，主要任务是从像片中截取已经获得的建筑物白模各个表面的纹理。如图2所示，(a)、(b)、(c)是同一建筑物在同一航线相邻3张像片中的成像，(d)是该建筑物在相邻航线像片中的成像。要获取该建筑物的纹理，首先需要根据建筑物的相对关系及成像位置选择截取纹理的最佳像片。因为对于中心投影的航摄像片来说，建筑物的各个面根据航摄位置的不同或被拍到或被遮挡，所以不同表面的纹理需要从不同的像片上来截取，通常选取建筑物居于像片中心位置的像片及其上、下、左、右4张相邻像片。图2中横实线晕线部分是获取建筑物模型顶面纹理的选择方式，图2中竖虚线晕线部分是获取建筑物模型侧面纹理的选择方式。其次是确定纹理的截取范围。由式(1)共线方程知，如像片主距(f)及外方位元素(Xs、Ys、Zs、φ、ω、К)已知，建筑物每个角点(X、Y、Z)在像片上的成像(x、y)就可以计算出来的，这样由角点组成的每个表面在像片上的成像多边形就可以计算出来，该成像多边形也就是模型表面纹理的截取范围。最后需要对截取到的纹理进行纠正。由于建筑物表面成像后在像片上会发生变形，所以需要对截取到的纹理进行变换以还原到原有的表面形状。

图2 建筑物模型纹理的获取

3 作业流程

从航空摄影开始，需要进行外业像控、内业加密、立体像对建立、DEM生产、真正射影像图制作、建筑物模型采集与生成、纹理提取、模型编辑整合转换、三维城市模型系统集成等环节，如图3所示。

图3 三维城市模型的数字摄影测量方法建模流程

4 建模要点

4.1 对航空摄影的要求

为了建立三维城市模型，航空摄影需要进行专项设计，以满足制作真正射影像图的需要及保证建筑物的每个面能够取到理想的纹理信息。通常采用增加航向及旁向重叠度的方法，要求航向和旁向重叠度不能低于70%。如图4所示，像片的每个位置均能保证9°重叠(图中阴影部分)，这样能够保证建筑物的顶面和侧面以及周围地面能被充分拍到而不被遮挡。也可以按常规重叠度采用东西和南北交叉重叠摄影的方式，同样可以保证充分获取到地面及建筑物的纹理信息。目前，越来越广泛的采用倾斜摄影的方式，航摄相机由多个不同角度的镜头组成，一次飞行可以获取多个角度的影像，且获取到的建筑物的侧面影像的质量非常高。为了提高DEM以及建筑物模型的精度，采用机载LiDAR直接获取地面及建筑物表面模型的方法也得到了越来越广泛的应用。

图4 航空摄影设计

4.2 地面的精细建模

在平坦地区或对地面模型要求不高时，可以采用DEM与DOM叠加的方式来构建地面模型。但要建立复杂的地面精细模型，需要DEM的格网间距足够小，这样数据量会急剧增加，尽管如此，在人工地貌或破碎地貌区域，地面模型的精度也不会有明显的改善。为了精细表示人工地貌(如陡坎、堤坝、沟渠、台阶等)，可以采用TIN与DOM叠加的方式来建立地面模型或采用3ds Max手工方式直接建立地面模型，当然也可以利用摄影测量技术按照建筑物模型的采集方法来采集，只是这种方法仅需考虑顶面纹理的获取而不需考虑侧面纹理的获取。这种方法建立的地面精细模型，需要编辑一个对应范围的低于地面的假的DEM，这样系统集成时，地面精细模型才能与DOM叠加DEM形成的地面模型套合。

4.3 建筑物的立体采集

立体采集建筑物时只采集顶部，根据形状可将顶部分割成一个个相邻的闭合多边形，采集时应注意公共节点要三维捕捉，保证公共边完全重合。建筑物的各部分如果高度不同应分别采集，需要注意的是高的部分与矮的部分交汇处不应有空隙，否则外观上会出现破面，影像模型的可视性。采集时还应注意，在保证精度的情况下应尽量减少节点的数据量，节点越少模型的数据量越小。模型的坐标数值较大时，在3ds Max中进行模型编辑、整合、转换时速度会较慢，而且容易出错，因此采集前应将立体像对的左下角平移到原点(0，0)位置，建库时再将平移量加上以还原到真实位置。

5 结语

在佳木斯市中心区三维城市模型的建设中，我们充分利用2006年和2010年的两期同一相机的常规航空摄影数据，开展了基于数字摄影测量快速建模的研究和实践活动，2名生产人员利用3个月的时间完成了9000多个建筑物模型的生产任务。在这个项目中，2010年的航空摄影尽管没有按照本文4.1节的要求实施，但充分利用了2006年的航空摄影数据，并通过拍摄现场照片的方法加以补充，较好地弥补了重叠度不足，纹理获取不全的问题，取得了很好的效果和实践经验，如图5所示。

图5 佳木斯市中心区的三维城市模型

基于数字摄影测量的快速建模技术具有速度快、精度高、模型真实的特点。与其他建模方法相比，基于数字摄影测量的快速建模方法是三维城市模型的整体解决方案，不仅可以快速建立建筑物三维模型，而且可以快速建立地面三维模型，具有投入少、产出多、产品全的优点，是对传统数字摄影测量生产4D产品的延伸和发展，有利于提高航空摄影的数据利用率，降低成本，增加产出。

［1］李德仁，王树根，周月琴.摄影测量与遥感概论［M］.北京:测绘出版社，2008.

［2］王海英，胡震天，刘容.基于微型无人机的全自动三维重建方法实验［J］.城市勘测，2012(1):42～44.

［3］孙华，余锐，欧阳光辉等.基于LiDAR数据和航空影像的建筑物三维重建技术研究［J］.城市勘测，2012(2):60～64.

［4］周智勇.基于VirtuoZo的快速三维建模方法探讨［J］.城市勘测，2012(3):70～72.

［5］全威，郝桂菊.用3ds Max建立城市房屋3维模型的方法［J］.测绘与空间地理信息，2011，34(6):194 ～195.

［6］王冬，卢秀山，刘凤英等.一种城市三维建模的新途径［J］.工程勘察，2007(8):49～53.