真实感场景模型制作工艺及质量控制方法

吕慧玲

(1.中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安　710043;2.轨道交通工程信息化国家重点实验室(铁一院)，西安　710043)



真实感场景模型制作工艺及质量控制方法

吕慧玲1，2

(1.中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安710043;2.轨道交通工程信息化国家重点实验室(铁一院)，西安710043)

为促进真实感场景模型技术的标准化与产品化。结合真实感场景模型的基本原理，对影响真实感场景模型制作质量的因素进行深入讨论，对制作过程中决定产品质量的DEM制作和模型接边处理进行试验分析，总结出控制产品质量的方法，并制定标准化制作流程。经实际工程验证，采用工艺流程制作的真实感场景模型具有较好的视觉效果，量测精度与单像对立体测图精度相当，具有广泛的适用性，在铁路、公路、电力、城市规划与建设等领域都具有重要推广价值。

真实感场景模型；立体正射影像对；质量控制；制作工艺

1　概述

真实感场景模型是一种全新的地形表达方式。该模型打破了单像对立体模型的范围限制，形成了连续无缝的真三维立体模型。模型保留了航空影像中丰富的地表细节信息，通过简单的量测方法，非测量专业人员也能准确地获取自己所需要的对象三维坐标和或三维判释。相比于传统二维地形图和2.5维的三维立体，真实感场景模型更逼真，信息量更丰富，而且坐标量测精度与数字摄影测量工作站相当。真实感场景模型已经成为一种全新的地形环境数字化表达产品，其在公路、电力、城市规划与建设等领域有广阔的应用前景。然而真实感场景模型的制作还没有形成规范和标准，没有成体系的制作工艺方法。目前市面上也没有商业化的真实感场景相关软件。

本文根据真实感场景模型的原理，对真实感场景模型制作方法进行讨论。通过实验对生产过程中的问题进行分析，提出模型制作的原则、质量控制的方法，并形成标准化的制作流程。使真实感场景技术实用化、产品化，最终真正成为可服务于国民经济建设的标准产品。

2　真实感场景模型原理及制作方法

真实感场景模型的基本原理源自“立体正射影像片”。 Colins提出利用地物碎步保留到正射影像中未被纠正的投影差进行高程量测，并制作出第一套立体正射像片。李德仁、王密对Colins的理论进行了完善，并引入数字摄影测量的处理方法，形成高精度的无缝立体三维场景[1-4]。

真实感场景模型的基本原理是利用了正射影像的投影差，并人工加入高差引起的视差还原原始视差。[5]如图1所示：设平面O为基准面，地物碎步点A的视差可以理解为地面相对于基准面高差H0引起的视差与地物点到地面的高差H1引起的投影差之和。

图1　碎步点的视差与高度的关系

制作立体正射影像对，就是首先对立体像对的左片进行正射纠正，再对右片正射纠正后引入高差引起的视差，如图2所示。

图2　立体正射影像制作原理

引入视差函数决定了立体正射模型的精度。目前引入视差方法有：平行投影法、对数投影法和非线性投影法。平行投影法引入视差函数为线性函数计算视差较为简单，与原始立体模型的高差变化不相符，在地表碎步高差较大时，高程的计算误差也较大。相比之下，对数投影法更符合立体视差公式。

对数投影法投影计算公式

(1)

式中，P为待求视差；H为航高；B为基线长；Z为DEM地面点到基准面的高差。

在立体显示设备上左眼看正射影像，右眼看辅助立体正射影像，便可产生立体场景。通过对立体场景中地物同名点视差的量测可计算该点坐标，按照对数引入视差方法，高程计算公式如下

(2)

式中，Z为待测点高程；Z0为基准面高程；P为量测的待测点视差；B为基线长；H为航高。

王争鸣等[6]提出了平面坐标改正的方法，进一步提高坐标的平面量测精度。首先计算投影位移，公式如下

(3)

然后将投影位移作为改正数，对正射影像的平面坐标进行改正，如式(4)

(4)

根据以上原理，即可制作高精度的真实感场景生成及量测软件。通过实践，在VC2008环境下编制了真实感场景的制作软件StereoMaker和浏览量测软件ImageStereo[6-9]，并建立了完整的软硬件体系。

3　影响真实感场景产品质量的因素

在真实感场景模型制作的过程中，制作DEM、绘制接边线，是控制真实感场景成果质量的重要环节。下面对如何进行数据制作和制作中应遵循的规律进行讨论。

(1)DEM对产品质量的影响

DEM对产品质量的影响，首先表现为对模型精度的影响，另一方面表现为对影像视觉效果的影响。[10-11]

根据真实感场景坐标量算的原理，地形高差引起的视差P1与残留视差P0，是相互补偿的关系，对选取的两个不同的地面高度，因高差引起的视差有不同，但在残留视差中得到补偿。也就是说P0+P1的值变化不大。如图3所示。

图3　视差补偿示意

因此模型制作采用较为粗略的DEM模型，对真实感场景模型的制作精度影响较小。本文在地面分辨率0.5 m的真实感场景模型中，选取从构造面高0～70 m之间的点进行量测，将其与摄影测量工作站得到的值进行对比，得到的较差如图4所示。

图4　碎步视差与高程量测精度实验统计

根据实验可知，残留视差很好地补偿了碎步高差，但是随着碎步高差的扩大，补偿越来越不准。量测点距离构造视差的DEM模型面在25 m以内时，对高程量测精度几乎没有影响。

根据此特性，并经过多个项目的实验，本文得出构造真实感场景采用真实感场景分辨率扩大50倍的DEM较为合适的结论。如制作0.2 m的真实感场景，采用10 m间隔的DEM格网。

图5　DEM不同造成的投影差异

DEM对产品质量的影响还会表现在视觉效果上。由于投影差的存在，如图5所示，建筑物周边的DEM突变会导致物体影像扭曲，线状建筑尤为明显。以桥梁为例，DEM的格网点部分落在桥面下，部分落在桥面上，导致桥面影像在纠正时部分像点有投影差，部分像点没有投影差，最终导致桥梁影像拉伸变形，如图6所示。

图6　由于DEM造成的桥梁扭曲

因此，在具有高程的建筑物对象处，必须保证DEM高程点落在地面上，以保证获得较好的立体视觉效果。

(2)模型接边线对产品质量的影响

模型接边线是另外一个影像质量的因素，由于影像获取为中心投影，在两个影像接边处的空间将产生V字裁切[12]，如图7所示。

图7　模型拼接造成地物切割

影像S1和影像S2在地面点E处接边，根据中心投影的射线S1E与S2E，将地面以上的空间划分为3部分，S1E与S2E之间空间阴影部分在拼接过程中会被切割掉，落在此空间的物体就在拼接的影像上会被切割。图8展示了建筑物被切割的效果。

图8　房屋被拼接线切割

因此，真实感场景模型接边线的选择必须避开建筑、树木等具有高度的对象，选择平坦区域，如道路中央、平地等。接边线可由计算机自动提取[13-15]，人工辅助修改。效果如图9所示。

图9　绕过地表建筑的拼接线

4　真实感场景产品流程化

根据分析和实验可以得出结论，DEM数据质量及接边线的选择是真实感场景模型质量的决定因素。为保证产品质量，必须建立完整的制作流程及检核机制，最终形成真实感场景生产标准。图10展示了生产真实感场景模型的标准流程。

图10　真实感场景模型的生产流程

(1)数据准备阶段

数据准备阶段需收集制作真实感场景模型所需的基础数据，包括：空三加密成果、原始影像文件、相机检校文件。对原始影像进行必要的影像增强和匀光处理。在StereoMaker软件中建立工作区，导入数据文件。

(2)制作DEM模型

制作DEM采用数字摄影测量工作站进行制作。DEM产品采用标准格网格式。DEM的格网间距、精度要求根据所需制作的真实感场景模型分辨率扩大50倍后，按对应标准的国标执行。

(3)DEM产品质量检查

DEM产品质量检查分为两步：首先生成缩略正射影像，然后通过检查正射影像评定DEM的质量。StereoMaker软件可快速生成正射影像缩略图。通过检查缩略图，可发现DEM飞点、空点造成的影像变形，以及格网点落在建筑上导致的建筑影像扭曲。在检查过程中发现错误并记录下错误所在位置，返回到制作DEM工序，进行修改。依次循环，直到产品合格。

(4)绘制接边线

绘制接边线可采用计算机自动识别，并辅以人工干预的模式。接边线自动识别可采用具有图像镶嵌功能的软件(如ArcGIG)，对上一步制作的像对正射影像缩略图进行分析，自动生成镶嵌线。再由人工检查，判断自动生成的镶嵌线是否完全绕开地物，合格后提交接边线。

(5)生成真实场景模型

采用StereoMaker软件，导入绘制的接边线，便可进行真实感场景模型的生产。全过程由软件自动运行，无需人工干预。

(6)检查接边质量

将制作好的真实感场景产品，在真实感场景浏览软件ImageStereo进行查看，检查接边线位置的模型是否出现明显的切割。如发现问题，记录其位置，并返回第4步进行修改，重新生成模型。依次循环，直到模型检查合格。

(7)提交模型成果

模型制作合格后，将最终的模型文件、项目工作区、DEM文件、接边线文件、质量检查记录表等全部存档，并编写元数据文档。提交模型最终成果。

通过实践检验，本方法制作的真实感场景模型效果良好，坐标量测准确。

5　结语

本文通过研究真实感场景的制作原理，讨论了制作真实感场景模型过程中影响模型质量的因素，并通过实验得出制作真实感场景模型的过程中需遵守的原则。

(1)DEM的精度对真实感场景量测精度影响较小，因此制作真实感场景模型可采用较为粗略的DEM模型。

(2)DEM模型的起伏会影响地物纠正的视觉效果，特别对于房屋、桥梁等对象，地面的起伏会导致影像扭曲变形。因此在DEM处理时，必须将房屋、桥梁上的高程点压到地面。

(3)接边线必须绕避具有高度的对象，如房屋、树木、高塔等，尽量从较为缓和的平地上通过。避免对影像产生切割效果。

在此基础上制定了标准化真实感场景模型制作流程，控制真实感场景模型的产品质量，使之成为标准化的测绘产品。采用本文的流程和生产工艺制作的真实感场景模型视觉效果良好，量测精度与单像对立体相当，完全能满足实际应用的要求。

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Workmanship and Quality Control of Realistic Scene Model

LV Hui-ling1，2

(1.China Railway First Survey and Design Institute Co. Group Ltd.， Xi’an 710043， China;2.State Key Laboratory of Rail Transit Engineering Informatization (FSDI)， Xi’an 710043， China)

To promote realistic scene modeling techniques and standardization of products， this paper focuses on the factors affecting the quality of realistic scene modeling based on model fundamentals. Through experiments and analysis， DEM production and model seamline treatment which are crucial to the quality of production are identified. Standardized production process of the realistic scene is then developed. The real scene model produced by this process has a good visual effect， and the measurement accuracy equals to the original image pairs. The product has a wide range of applicability and great significance in the fields of railway， highway， electric power， urban planning and construction．

Realistic scene model; Stereo orthoimage; Quality control; Workmanship

2016-04-29；

2016-06-09

吕慧玲(1963—)，女，高级工程师，1984年毕业于西南交通大学航空摄影测量专业，工学学士，主要从事航测、遥感专业的设计与研究工作。

1004-2954(2016)09-0028-04

U212.2

ADOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.09.006