基于倾斜摄影技术的城市三维快速建模方法研究

张春敏，丁亚杰，徐 庆

(常州市测绘院，江苏 常州 213003)

0 引 言

倾斜摄影技术于2010年首次引入国内，它的出现给城市三维模型建设带来了新的契机。倾斜摄影技术通过多台传感器从多个角度采集地面影像，突破了传统航空影像从垂直角度拍摄的局限，快速、高效获取丰富的数据信息，真实地反映地面的客观情况，满足人们对三维信息的需求[3]。所获得的三维数据可真实反映地物的外观、位置、高度等属性，弥补了传统人工模型仿真度低的缺点。借助无人机等飞行载体可以快速采集影像数据，同时使用倾斜影像批量提取及自动映射纹理方式，实现自动化的三维建模，大幅度降低城市三维建模成本。与其他传统4D产品相比，由于其可实现侧面拍摄方式，相对于传统正射投影方式，能获得更立体的地理和环境信息，因此在地物解译、环境监测和应急响应等方面具有不可替代的价值[5]。运用倾斜摄影技术构建实景三维模型也成为智慧城市的技术亮点[4]。

本文以倾斜影像为数据源，将倾斜影像空三加密技术、多视影像密集匹配技术和纹理映射技术有机结合，在少量人工干预的情况下快速、自动实现城市三维模型的构建[7]。

1 基本思路

首先，将获取的影像进行空中三角量测并获得高精度的外方位元素；其次，应用经过畸变校正后的多视影像和高精度的内外方位元素，创建立体像对，采用多基元、多视影像密集匹配技术，构建不规则三角网，经过三角网的优化和简化，生成三维模型[10]；然后，为建筑物几何模型中的每个墙面从倾斜影像中选择质量最好、受遮挡影响最小的影像作为纹理图像源，确定最小裁切矩形，利用物方房角点与相应像方房角点之间的透视变换关系确定每个房角点所对应的纹理坐标，借助反解法，实现自动纹理纠正；接着，基于多边形三角剖分思想，实现其他景观的构建以及地块模型与建筑模型的匹配；最后，将城市三维模型输出进行验证。拟采取的技术路线如图1所示。

图1 技术路线图

2 研究内容

倾斜摄影建模的具体内容包括：倾斜影像的空中三角量测；根据获得的内外方位元素，构建三角网，得到白模的城市三维模型；从倾斜影像中筛选出符合要求的影像，提取每个面的最佳纹理信息，实现纹理的自动映射；最后基于多边形三角剖分思想进行城市景观的三维建模和匹配。

2.1 倾斜影像的空中三角测量

空三处理使用的是SVS近景/低空摄影测量软件，可以在有地面控制点或无地面控制点的情况下实现全自动快速空中三角测量[6]。空三过程中加入自检校光束法平差，相当于在平差过程中使用摄影测量的方法再次进行标定，提高了匹配点的质量和精度[8]。

2.2 建筑物几何模型建立

要建立建筑物三维模型，需要获取建筑物几何信息和提取建筑物表面的真实纹理并贴图。建筑物几何模型包括建筑物的空间位置及建筑物各部分三维信息[3]。主要获取方法是基于倾斜影像和空三优化后的高精度外方位元素获取的。

应用经过畸变校正后的多视影像，给出三维空间复杂物体的全方位信息，避免双目视觉存在的摄影遮挡、摄影死角问题。空三解算后得到外方位元素，创建立体像对，采用多基元、多视影像密集匹配技术，构建不规则三角网(TIN)。通过对三角网的整饰，将内部三角的尺寸调整至与原始影像分辨相匹配的比例，分析连续变化曲面，对相对平坦地区的三角网进行简化，降低数据冗余，生成白膜的城市三维模型[7]。

2.3 建筑物纹理的自动获取与映射

真实的纹理是重建建筑物精细三维模型所必备的。倾斜摄影所获取的高分辨率影像，除含有建筑物的几何信息外，还有大量的建筑物屋顶和侧面纹理信息[2]。本文基于倾斜影像和3ds max的优点进行建筑物纹理的自动提取。

该方法主要包括以下几个方面：① 纹理最优选择，选择质量最好、受遮挡影响最小的影像作为纹理图像源；② 纹理自动裁切，找到最佳纹理信息，确定该面各点反投到影像上的影像坐标，确定最小裁切矩形；③ 纹理自动纠正，利用物方房角点与相应像方房角点之间的透视变换关系确定每个房角点所对应的纹理坐标，借助反解法，实现自动纹理纠正[1]。但在纹理自动映射中，难免有可能会存在个别模型的立面纹理映射出现偏差的情况，这时就需要借助适当的人工干预，对纹理信息进行纠正。

2.4 城市其他三维模型构建

城市三维模型包括的对象十分广泛和多样化，除了建筑物以外，还包括道路、水系、树木等。在实际三维场景的构建中，由于种种原因可能出现地物没有与地形相匹配，造成诸如地物飘在空中或陷入地下的情景。通常地物、地形模型的数据结构和组织方式有很大差别(如通过不同的建模软件生成的)，另外地形是起伏的，而地物的基准面是水平的，很可能出现地物所覆盖的区域横跨在2个或多个高度不同的地形三角形面片上等[9]。本课题基于多边形三角剖分思想，实现其他景观的构建以及地块模型与建筑模型的匹配。

3 研究成果

利用倾斜航摄系统，搭载在大鹏CW-30垂直起降固定翼无人机上，对溧阳城南约16 km2范围进行了倾斜摄影(GSD=0.05 m)，共计获取影像数量5546 张x5 镜头=27 730张，完成了三维实景模型制作，并在三维实景模型基础上进行模型单体化，从而达到后期三维gis应用。空三解算与建模采用的是Smart3D软件，分为3个测区进行数据处理，生成实景三维模型效果(图2)。

图2 溧阳城南测区三维实景模型图

基于3ds Max平台开发半自动单体建模软件，通过航测立体模型和三维实景模型进行建筑模型的单体化几何量测，纹理在模型量测完成后自动映射。引入所有摄影测量空三软件的空三成果，在立体环境下以航测法“3D测图”的方式进行建筑物的半自动快速单体建模(图3)；也可同时引入osgb格式的三维实景模型，直接在实景模型上进行单体化量测，最终可以快速、半自动地实现城市三维模型的构建(图4)。

图3 航测法半自动快速单体建模

图4 城市三维模型构建

4 结 语

本文构建了利用倾斜影像进行建筑物快速三维建模平台——3ds Max插件。该平台能够生成实时核线影像，并在此基础上进行建筑物的建模和纹理自动映射。以常州市地区的倾斜影像为实验数据进行建筑的几何建模，实验通过本文的建模新方法，构建了一个街区，其效率与传统建模流程相比，有明显提升，在真实感上也有显著的提高。同时采用 3ds Max的插件开发技术，方便了传统作业人员的使用，易于在实践生产中推广，具有较好的应用前景。

基于倾斜摄影技术的城市三维快速建模方法，实现了一个集三维建模、纹理自动获取、纹理映射等功能于一身的高效率数字城市建模平台，该方法在效率上大大优于传统的手工“贴”纹理方式，具有较好的实用价值，为城市的三维模型快速构建奠定了技术基础，对测绘生产单位规模化生产具有一定的参考价值，同时也为辅助规划编制、管理、决策等提供了科学、高效的手段。