基于航空摄影测量的数字城市快速三维建模技术研究

王娟娟

摘   要：本文以北京某开发区三维建模为工程背景，探讨了基于航空摄影技术的数字城市快速三维建模方法，本文首先分析了三维建模技术的原理和特点，进而分析了三维建模技术的生产流程，在此基础上，本文结合具体工程实例，探讨了DEM、DOM、TDOM制作方法和三维建模方法，结果证明本项目获取成果完全满足城市三维建模精度的要求，制作的城市实景三维模型纹理清晰自然、精确度高，符合人眼视觉感受，能客观反映现实世界。

关键词：航空摄影测量  数字城市  三维建模  DEM  DOM  TDOM

中图分类号：P231                                   文献标识码：A                        文章编号：1674-098X（2019）08（a）-0001-02

当前，三维数字城市的研究与实践已经十分广泛，国内各大中小城市都基于自身应用需求开展了城市级三维模型建设，并在相关领域开展了应用，这些成果不同程度地促进了城市规划、建设和管理水平的提高，并推动了国内三维数字城市建设的热潮。

在三维数字城市制作中，建模的主体包括三大部分：地面模型、建筑物模型、地物要素模型，其中三维重建建筑物模型是最主要的工作。根据建模采用的技术手段和表现方式的不同，建模方法又分为三大类：模拟建模、半模拟建模和测量建模。目前，大区域三维数字城市模型生产一般采用测量建模的方法，而航空影像是建筑物三维重建的主要数据源，它是三维城市数据获取最经济快捷的方法之一，其生产技术方案主要是通过航空摄影测量来实现。

1  航空摄影测量三维建模技术简述

1.1 航空摄影测量三维建模技术原理和特点

航空摄影测量是通过飞行器携带航摄相机对地面连续摄取具有一定重叠度的像片，结合像控测量、调绘以及立体测图等步骤，为三维建模工作提供以下重要数据：建筑物三维重建模型（DLG）、数字高程模型（DEM）、数字正射影像（DOM）、数字真正射影像图（TDOM）。这些数据经过专业软件处理加工，就能得到建筑物三维模型的位置、形状和高度信息，并能快速重建三维场景中的地形数据，再加以正射影像屋顶信息提取和外业建筑物纹理采集即可构建三维建筑模型。其相比其他的建模方法具有以下优势：

（1）航空摄影测量已有100多年的发展历史，在三维建模方面的应用也有10多年的时间，技术思路成熟，可使用的软件和工具较多，可完全自动化操作。

（2）航空影像的数据源种类比较多，能快速获取地形和建筑物的空间几何和高程数据，精度可以达到厘米级别，能同时解决三维模型的纹理问题，且三维场景真实，工作人员容易转变角色，从摄影测量过渡為三维建模。

（3）可以购买现成的航测资料，实现较为容易，成本相对较低，可应用于大区域内的数据采集，且影像数据较容易更新，可为数字城市甚至数字地球提供基础数据框架。

1.2 航空摄影测量三维建模技术生产流程

航空摄影测量三维建模技术生产流程如图1所示。

2  项目实例

2.1 项目简介

北京某精细三维数字城市模型建设项目主要采用航空摄影测量得到航空影像，在适普VirtuoZo全数字摄影测量系统下生产数字高程模型DEM、数字正射影像图DOM、真正射影像图TDOM，采集城市建筑物的几何高程矢量数据，利用计算机图像自动识别技术创建三维基础模型，结合外业采集照片进行人工贴图的仿真建模方法制作建筑物三维数据产品，再叠加DEM、TDOM、建筑物三维模型创建数字城市三维场景。

2.2 航空摄影测量

本次航空摄影测量采用北京四维远见信息技术有限公司生产的SWDC全数字航摄仪，航摄得到地面分辨率为0.06m、航摄比例尺为1：5000的影像资料，在适普VirtuoZo全数字摄影测量系统下进行空三计算，求得加密控制点的坐标，同时得到外方位元素，为制作数字线划图产品和正射影像产品提供所需的立体模型定向参数。

2.2.1 数字高程模型DEM制作

根据空三加密后的数据，在适普VirtuoZo全数字摄影测量系统下定向创建立体模型，制作时，使用VirtuoZo的IGS（Interactive Graphics System 交互式数字影像测图系统） 测图模块采集特征线，检查相对定向、绝对定向精度，自动生成5m格网的DEM文件。编辑DEM矩形格网点的要求所有的点必须严格按照精度要求进行，每一个点都要严格落到地面上，DEM接边检查与处理通过直接查看DEM立体格网点是否紧帖在影像立体模型上，再针对单个格网点高程进行精确调整，最后导出DEM文件并进行格式转换。

2.2.2 数字正射影像图DOM 制作

根据空中三角测量结果和接边处理后的DEM，采用适普VirtuoZo全数字摄影测量系统，逐像元进行投影差改正，纠正后的航片再经过匀色、匀光、调整编辑拼接线并镶嵌影像，最后按一定图幅范围进行裁切生成DOM。

2.2.3 真正射影像图TDOM制作

三维建模区背景图是数字正射影像（DOM）产品的一种真正射影像（TDOM），TDOM是所有物体的倾斜均被纠正的一种镶嵌影像，影像上每点都是完全垂直视角，保证所有建筑物无投影差。本项目利用适普VirtuoZo全数字摄影测量系统，在立体环境下采集建筑物屋顶矢量数据，利用此数据对正射影像数据进行再次精纠正，以消除建筑物的投影差。在正射纠正过程中通过选取地面点在影像上的最佳像素进行灰度重采样，同时对阴影进行处理和影像匀光，以像素为单位组合生成真正射影像，并根据标准分幅进行裁切。

2.3 三维建模

2.3.1 基础模型制作

利用空三加密后的数据，在适普航测法建模技术（DiBud）的立体环境下采集建筑物几何特征信息，结合DEM将建筑物矢量数据自动生成建筑物三维基础模型。

2.3.2 模型屋顶贴图

结合生成的基础模型数据与调色后的原始影像数据，进行相对定向后，对建筑模型顶部纹理信息进行准确裁切，并自动提取，可直接附着在建筑物三维模型数据上。

2.3.3 外业纹理采集

参照《数字城市3D模型物体外立面纹理采集规范》，利用高像素数码相机采集建筑物外立面纹理信息。拍摄时，根据照片贴图的要求对测区范围内所有建筑物立面特征进行分块采集，并保证相邻建筑物的纹理接边，采取先整体后局部的拍摄顺序，对特征建筑物以及建筑物的局部特征细节均要给出特写，每一建筑物都要有对应的拍照记录，具体的记录方式按照设计要求做出数据标记，要求标记清晰、分区清楚详细。

2.3.4 三维场景整合

采用适普Stamp三维GIS平台应用软件，对DOM、DEM、模型、精细场景等进行优化、发布，最后整合生成数字城市三维场景。

2.4 成果应用

该项目采用航空摄影测量三维建模技术，最终完成了开发区内10km2的精细三维数字城市模型建设，顺利通过该市国土资源局的验收，并一致评定：本项目获取成果完全满足城市三维建模精度的要求，制作的城市实景三维模型纹理清晰自然、精确度高，符合人眼视觉感受，能客观反映现实世界。该项目的建成将有效推动国土资源、智慧社区、公安消防等三维数字城市的示范应用，成为政府科学决策、高效管理和宏观调控城市建设发展的重要手段。

3  结语

航空摄影测量三维建模技术为数字城市建设快速获取三维模型提供了可靠的方法和技术手段。随着数字城市建设的不断发展和智慧城市建设的不断深入，以及我国城镇化建设的不断加快，三维城市模型数据的现势性成为决定其可用性的关键因素，因此，航空摄影测量快速三维建模技术的作用将更加突出。

在航空摄影测量三维建模中，由于航空摄影测量本身的特点和局限性，使得地物特别是高层建筑物的遮擋现象比较严重，建筑物的侧面纹理和三维坐标信息提取受到影像制约，随着地基立面三维测量技术（一种能快速获取立面三维信息的技术）的发展成熟，结合当前流行的无人机航空摄影测量，可以更加快速地获取小区域和应急三维立体模型，为数字城市的快速发展开辟了一条新的途径。

参考文献

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