基于倾斜摄影测量技术的三维数字城市建模

■徐红

（辽宁省地理信息院辽宁沈阳110034）

基于倾斜摄影测量技术的三维数字城市建模

■徐红

（辽宁省地理信息院辽宁沈阳110034）

倾斜摄影测量技术是国际测绘领域近年来倡导使用的一项高新技术。它颠覆了以往影像只能从正摄角度拍摄影像的局限，它通过在同一飞行器上搭载多台传感器，同时从一个正摄、四个倾斜等五个不同的角度采集影像数据，将用户引入了符合人眼视觉习惯的真实且直观的世界。利用倾斜摄影测量技术，可以快速建立城市三维模型，节省了模型细部分析时间，简化了模型纹理采集和处理方法，缩短了项目周期，提高了工作效率，降低了成本。

倾斜摄影测量三维

1　传统建立城市三维模型的方法和弊端

传统建立城市三维模型的方法是，先要将需要建立模型的区域划分为若干个测区，采用外业人员手工拍照的方法，结合正摄影像，得到建筑物的结构和纹理；然后通过内业人员的处理，结合正摄影像、测区平面矢量图、屋顶矢量图等数据，建立白模，通过拍摄的纹理分析模型的细部结构，最后将拍摄的纹理处理后贴在白模上。

传统建立三维城市模型的弊端在于，外业人员工作量大，拍摄时间长，存在漏拍等问题，导致内业人员只能靠猜测来分析部分建筑物的细部结构；由于拍摄角度的原因，内业人员往往看不清屋顶的细节，照片的拍摄顺序也不一定符合内业人员的观察习惯，照片顺序凌乱，浪费了很多建模的时间；纹理拍摄的倾角不同，导致内业人员制作纹理时遇到困难。

2　倾斜摄影测量的技术特点

相对于正射影像，倾斜影像能让用户从多个角度观察被制作建筑，更加真实地反映地物的实际情况，极大地弥补了基于正射影像分析应用的不足；通过配套软件的应用，可直接利用成果影像进行包括高度、长度、面积、角度、坡度等属性的量测，扩展了倾斜摄影技术在行业中的应用；针对各种三维数字城市应用，利用航空摄影大规模成图的特点，加上从倾斜影像批量提取及贴纹理的方式，能够有效地降低城市3维建模成本。

3　倾斜摄影测量的意义

倾斜摄影测量不仅能够真实地反应地物情况，而且可通过先进的定位技术，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，极大地提高了航摄影像处理的速度。倾斜影像技术的应用，使目前高昂的三维城市建模成本大幅降低，大大提高三维城市建模的速度。

4　倾斜摄影测量原理

通过传统摄影测量的飞机飞行方式，增加向前、后、左、右四个方向的传感器镜头，同时拍摄一组正摄和四个倾斜等五个不同角度的相片。拍摄相片时，同时记录航高、航速、航向重叠、旁向重叠、坐标等参数，然后对倾斜影像进行分析和整理。在某时段，飞机连续拍摄几组影像重叠的照片同一地物最多能够在8张相片上被找到，这样内业人员可以比较轻松地分析建筑物的结构，并且可以选择最为清晰的一张照片制作细部纹理，同一地物的四个侧面的倾斜影像。

5　基于倾斜摄影成果的三维测量技术

使用常规基于垂直摄影像片的摄影测量技术进行三维建模，只能够处理屋顶等平面上和部分立面纹理，而大部分的立面纹理需要费时费力的地面摄影来提供。由于倾斜摄影测量能够直接观测到地面建筑物的立面并能够在影像上直接测量物体的高度、长度，或参考激光雷达获取的DSM建立建筑物的几何模型。建筑物几何模型的纹理由倾斜摄影像片提供，甚至可以通过倾斜航空像片技术与三维块状模型技术组合得到具有真实图像纹理细节的三维建筑物模型。倾斜摄影测量系统进行三维建模的主要过程是，基于多角度倾斜相机摄影数据获取系统飞行拍摄的影像、拍摄时同步记录的POS数据、该区域DSM数据、DLG数据等资料，进行必要的加工处理，建立基于机载多角度倾斜摄影影像的三维测量系统。

6　利用倾斜摄影测量技术的城市三维建模方法

在三维建模过程中，我们一般将简单建筑物视为一个多面体，将复杂的建筑物视为多个多面体的组合。城市中的建筑物随着近年来建筑科学的发展，外形越来越复杂，要建立建筑物三维模型，多个多边形模块组成的建筑物模型是我们城市三维建模遇见的基本问题。而另一方面，三维建模还需要根据建筑物的几何信息和建筑物表面的真实纹理进行贴图。

目前建筑物的三维建模方法主要有模拟建模、半模拟建模和测量建模，前面两种方法的思路为：通过地物的平面轮廓模型与地物的高程模型结合，方法简单，但是与实际模型比较差距较大。城市三维建模的方法主要是测量建模，可通过航空摄影测量的方案实现，主要方法包括基于航空影像的交互式获取和基于航空影像及地面摄影对建筑物特征线特点进行自动提取这两种方法。前者能够真实地获取建筑物信息，但是整个过程中需人工干预，数据处理缓慢，后者则可以满足大批量数据处理，但是需要整合的信息量大，目前应用较为困难。综上所述，目前较为合适的方法为：从测区DLG数据中提取建筑平面边界数据。以倾斜摄影测量的立体像对为基础，将平面边界数据与摄影测量预处理的产品（DSM、DEM）进行配准、套合，继而进行建筑物几何模型的建立。具体的建模思路如下：由机载倾斜摄影系统实施航空倾斜摄影，对航摄后获取的原始影像及POS数据进行处理，包括亮度、饱和度等视觉方面的统一；垂直和倾斜影像的筛选甄别；根据已有检校数据对POS系统进行改正，确实精确的方位元素。然后根据以上成果，利用垂直影像、倾斜影像数据和空三测量加密成果，进行影像密集匹配，生产出基于真实影像超高密度点云的DSM数据，初步制作全要素的三维数字城市模型场景，最后利用模型编辑软件进行后处理，生产出全要素的三维数字城市模型及场景。

7　结语

通过以上内容的论述和分析，可以看出，运用倾斜摄影测量技术实施的三维数字城市建模方法与原有三维建模方法有很大区别，初步实现了批量化数据处理，对于不规则的地物（例如路灯杆、旗杆等建筑附属物）也能进行区分（但是由于匹配截面小，暂未能实现批量处理）、进行剔除，故该方案相对原有方法有着较大的优势。当然倾斜摄影技术也会有一定的不足，如在建筑物底部造成模型扭曲、变形；个别地方提取纹理困难，进而产生空洞（后期模型修补时可以完善），总之，该技术无论是对于数据采集数据的后处理有较大的进步，但是该技术存在的不足还需在今后的三维城市建模中不断改进和完善。

［1］林珲，张宏.虚拟城市建设原理与方法［M］.北京：科学出版社，2003.

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P2［文献码］ B

1000-405X（2016）-8-247-1