基于DPModeler的倾斜影像三维重建

邓 琴 吕开云

（东华理工大学测绘工程学院 江西南昌 330000）

基于DPModeler的倾斜影像三维重建

邓 琴 吕开云

（东华理工大学测绘工程学院 江西南昌 330000）

目前，倾斜航空摄影测量已成为测绘领域研究热点。介绍了POS系统辅助光束法区域网平差方法，研究了基于倾斜影像三维重建的基本算法和过程，并通过倾斜影像数据后处理系统DPModeler，进行试验论证，能够精准的构建建筑物白模并进行纹理贴图，完成三维建模。

倾斜影像；三维重建；POS；DPModeler

1 引言

国外，对倾斜摄影测量系统的研究早在上个世纪90年代就开始了，当前该技术已成为市场的发展方向以及研究的热点。世界上最早研究倾斜摄影测量技术的是美国的Pictormetry公司。国外倾斜影像的数据后处理系统除了美国 Pictormetry公司的EFS，主要还有以色列idan公司的Oblivision和Ofek公司的Multivision等，他们均能实现影像上目标长度、高度、面积等信息的量测和三维建模［1］。

国内，2010年，北京天下图技术数据有限公司代表我国测绘行业首次引进倾斜摄影技术，发展特有的倾斜摄影数据后处理系统成为我国当前急需解决的问题［2］。本文将介绍这样一种处理系统，2013年，武汉天际航信息科技有限公司自主研发了能处理倾斜影像的建模系统DPModeler。利用倾斜影像构建三维模型需要影像具有精度足够的位置、姿态信息。因此，对倾斜影像空中三角测量的研究势在必行。

2 倾斜摄影的原理

传统的航摄相机都是一个垂直向下的镜头获取影像资料，只能获取地面建筑物的屋顶纹理信息，无法得到建筑物立面纹理，这就需要在此基础上安装大倾斜角度的相机，目前投入使用的有3镜头和5镜头的倾斜摄影相机，一般采用5镜头的［3］。相机工作时，5个镜头并不是同时曝光，而是根据不同的像片重叠度选择不同的曝光顺序，时间间隔一般不到1秒，但是一组曝光可能会持续几秒［4］。一组曝光获取的5张影像间不存在重叠，因为倾斜角度的方向不一样，但是整个航摄完成后同一地物最少能在5张、最多能在8张相片上找到。同时倾斜摄影系统获取的影像分辨率优于10cm，这样使得工作人员能更好的了解地物的结构和信息，选择最清晰的一张作为纹理的映射。目前使用倾斜摄影系统一般都会集成POS系统，POS系统包括全球定位系统GPS和惯性测量装置IMU［5］，分别能获取像片的位置和空间姿态，所以POS也叫定位定向系统。

3 POS系统获取外方位元素

基于DPModeler的倾斜影像三维重建的建模流程如下：

（1）影像的采集、定向、创建相对；

（2）基于POS获取外方位元素；

（3）DEM的建立；

（4）测量点位；

（5）几何模型的建立；

（6）纹理的自动映射；

（7）导入DEM数据完成三维建模。

其中第2步基于POS获取外方位元素为难点，机载POS系统获取的定位定向参数在摄影测量中的应用有两种：

（1）直接地理定位(简称DG)。是将POS系统测定的定位定向参数直接的反演成像过程，然后通过立体像对前方交会，确定像点的地面坐标，继而实现既无需地面控制点又不用摄影测量加密的成图。

（2）集成传感器定向(简称ISO)。就是将POS测定的定位定向参数，带入航空摄影测量的区域网平差中，然后采用统一的数学模型及算法，来获得精确的外方位元素以及控制点的地面坐标［6］。

相比而言，直接地理定位的方法相对简单，无需地面控制点，能够降低成本、提高效率，但是难以满足大比例尺地形图的技术要求。本文研究ISO方法，将POS测定的定位定向参数作为观测值代入到光束法区域网平差中得到影像的外方位元素。

设GPS天线相位中心为A、航摄仪投影中心为S以及IMU几何中心为I；（XAYAZA）、（XSYSZS）分别问A、S在物方空间坐标系M-XYZ中的坐标；（φ ωκ）、（uνω）分别为像片的姿态角和A在S-uνω中的坐标；（φθψ）为IMU所测定的侧滚角、俯仰角、偏航角，POS几何关系如图所示。

图1 POS几何关系图

POS辅助光束法空三区域网平差误差方程：

式中［νxνy］T、［νXAνYAνZA］T、［νφνθνψ］T分别为像点的坐改正数向量、GPS的摄站坐标改正数向量、IMU测得的姿态角改正数向量；t1=［dXsdYsdZs］T、t2=［dφdωdκ］T分别为外方位元素线元素得增量向量、外方位元素角元素的增量向量；［dXdYdZ］T、［dudv dw］T分别为待定点未知数的增量向量、偏心分量未知数的增量向量；［daXdaYdaZdbXdbYdbZ］T、［daφdaωdakdbφdbωdbκ］T分别为GPS的线性漂移误差改正数向量、IMU的线性漂移误差改正数向量；A1、A2、A3、B、R、C为相应未知数的系数矩阵；t、t0分别为像片获取瞬间时间和参考时间；［lxly］T、 ［lXAlYAlZA］T、［lφlθlψ］T分别为像点的坐标观测值、GPS的摄站坐标观测值、IMU的姿态角观测值的残差向量。

4 DPModeler介绍

DPModeler(DigitalPhotoModeler)——基于影像建模工具，是武汉天际航信息科技有限公司2013年自主研发的能处理倾斜影像的建模系统。

该软件与市面上一般建模软件不同，不需要借助外业采集的DLG等数据，仅通过定向后的影像数据，即可完成建筑的精确建模。由DPModeler创建出来的模型具有准确的测量信息，可以为虚拟现实提供良好的模型支持。

产品的核心特点:

反映建筑物真实情况：通过影像多角度观测建模，贴图完全采集自影像，更加真实反映建筑实际情况；

模型纹理自动映射：通过摄影测量方法，实现模型贴图自动从影像中采集，一键完成模型贴图：

支持大影像调度：通过创建多级金字塔的影像结构，支持超过一亿像素的影像无缝调度；

支持多种格式导出：配套3dsmax导入插件，用户可将模型导入3dsmax进行二次编辑。

5 实验

将以上研究的数学模型应用到实验中，该实验采用SWDC-5相机，5个镜头的内方为元素已知，相对行高为800m，所提供的外方位元素坐标基准为WGS-84，高程系统为椭球高、平面坐标使用高斯3度带投影获得。

图2为某个镜头所测得的某一区域的POS数据，也就是外方位元素的观测值。

图2 外方位元素的观测值

根据POS所测得的数据，利用上文研究的POS辅助光束法空三区域网平差误差方程，计算出精确的像片外方位元素，再将处理后的相关数据导入DPModeler，进行三维建模，得到的某一建筑物的三维模型如图3所示。

图3 建筑物三维模型

6 结论

基于倾斜影像的三维重建主要包括倾斜影像匹配和物方三维表面重建。通过阐述POS辅助光束法空三区域网平差算法，设计了基于倾斜影像的三维建模流程，并通过倾斜影像数据后处理系统DPModeler进行试验论证，得到了建筑物的三维模型，为倾斜影像三维重建提供了可行思路。

［1］王卿，郭增长，李豪等.多角度倾斜摄影系统三维量测方法研究［J］.测绘工程，2014，23(3).

［2］张俊华，聂武.基于倾斜摄影进行建筑物三维模型重建原理及方法［J］.城市建设理论研究，2013(36).

［3］赵莹莹，杨志波.利用倾斜航空影像制作三维仿真模型的可行性分析［J］.建筑知识，2012，B04：315-316.

［4］杨久勇，高峰，向宇.倾斜航空摄影的原理与特点［C］.中国测绘学会2010年学术年会论文集，2010.

［5］袁修孝.POS辅助光束法区域网平差 ［J］.测绘学报，2008，37(3).

［6］杨如华，朱玉云.POS辅助空中三角测量中野外像控点的位置和数量对精度的影响分析［J］.矿山测量，2012(1).