高分辨率光学卫星影像全球重点区域三维建模方法——以迪拜市为例

张俊辉，艾海滨，王庆栋，韩晓霞

(1.国家基础地理信息中心，北京 100830；2.中国测绘科学研究院，北京 100830)

航空摄影三维重建技术伴随着多视角摄影测量技术及计算机硬件和软件的不断更新而日渐成熟，它通过飞行器搭载多台不同角度的传感器，分别从垂直、倾斜等不同的角度采集影像，获取地面物体更为完整准确的信息，以满足用户对三维信息的需求。中高空航天航空摄影测量能够得到地面高程信息、地物地貌信息，对有明显轮廓的建筑物能提供较高的三维重建精度，是目前地形及城市建筑物三维信息获取主要的手段之一[1]。近年来，高分辨率卫星获得了较快的发展，其获取的图像经过辐射校正后达到了相当高的精度，结合卫星变轨或相机侧摆等方式，同一地域的重访周期大大缩短，非常有利于对目标场景的三维精细化建模，并使利用高分辨率卫星影像制作三维地形及建筑物建模成为可能。全球地理信息资源建设工程是对全球范围内地形地貌、地理环境和相关自然与人文现象等信息进行采集、处理与应用的活动。2018年，工程计划完成境外重点区域约20 km2的三维模型生产任务，原计划采用无人机倾斜摄影的方式在境外典型区域采集资料，但在实际实施过程中，受签证、海关等多方面因素影响，未能实现境外作业。因此，如何利用高分辨率光学卫星影像进行全球重点区域的三维模型生产成为亟待解决的问题。

高分光学遥感测绘卫星的分辨率和精度不断提高。WorldView-3卫星的分辨率为0.31 m，代表了全球商业遥感卫星的最高水平。它利用单台相机快速重定向，可实现同轨多个热点目标定制成像、同轨大区域目标多条带拼接成像和同轨同一目标多视角立体成像等多种成像模式[2]。同轨立体影像无控制点几何定位精度优于其标称的3.5 m，平面定位精度可达1.8 m，高程精度达0.9 m[3]。GeoEye-1卫星影像全色分辨率为0.41 m，能以3 m的定位精度精确确定目标位置，满足影像三维建模精度要求。随着信息通信技术、3S技术和网络技术的发展，新型地理信息数据开始涌现[4-5]。众源地理数据是由民众自行获取并通过互联网公开开放的一种新型地理空间数据[6-7]，以互联网众源影像为数据源进行全球地理信息资源建设是当前研究的前沿趋势。针对数据源存在质量参差不齐、信息严重冗余、覆盖不均匀、三维坐标缺失等问题的情况[6-8]，基于众源影像数据的快速检索[9-11]、匹配[12-14]、相机位姿恢复[15-18]及三维重构[15,19-20]等算法技术相继出现，极大促进了地理信息三维建模的发展。综上所述，针对境外重点区域精细化三维建模数据获取与产品制作的技术难点，本文设计归纳一种利用高分辨率光学卫星影像进行重点目标及建筑物精细化三维建模的方法。该方法选取迪拜市中心城区为试验区域，以国内外主流高分辨率光学卫星影像数据为主要数据源，以DEM/DOM、控制点数据等已有数据库为控制信息，以互联网众源影像为辅助数据源，首先进行卫星影像精准定向及众源影像的高精度位置姿态恢复，生成高精度几何信息(DSM/DOM)；然后利用精化的RPC参数及生成的几何信息进行区域内主要建筑物的三维模型生产制作，并由此形成高分辨率卫星影像三维建模原型系统，满足生产单位快速制作符合精度和精细度要求的三维数字模型的需要。

1 数据与总体流程

1.1 迪拜市城区数据概况

迪拜市位于阿拉伯半岛中部、阿拉伯湾南岸，是阿联酋第一大城市、海湾地区中心，沿海岸线呈西南—东北走向，长约30 km，最宽处大于10 km，地形以平原为主。迪拜市受地理环境等因素的影响，形成了独特的建筑风格，建筑多为拔地而起的后现代主义重重高楼，多集结于迪拜市的商业湾和Sheikh Zayed主街道两旁，展现了现代建筑史的辉煌靓丽。原始影像数据为GeoEye-1卫星及WorldView-3卫星获取的两组立体像对，其地理位置分布及详细信息分别如图1、表1所示。其中，Burj Khalifa Tower是当今世界最高建筑，高度达到828 m，超过150 m高的大楼总共有233栋，且大多数建筑的形状结构复杂独特，巨大的视差变化给后期的三维建模及单体化处理增加了难度。

图1 GeoEye-1、WorldView-3原始影像及其地理位置分布(Google Earth)

表1 GeoEye-1、WorldView-3原始影像信息

1.2 影像三维建模总体流程

本文设计的高分辨率光学卫星影像精细化三维建模方法如图2所示。该方法在高分辨率卫星影像区域网平差处理及众源影像空中三角测量得到精准定向参数，并生成影像DSM/DOM的基础上，利用3ds Max建模软件的二次开发接口，实现典型城市区域的三维快速建模，并从众源影像上自动生成建筑物表面纹理，实现建筑物三维模型的纹理重建，构建出更加真实、准确的三维建筑模型。

图2 高分辨率卫星影像三维精细化建模方法流程

2 影像数据的空三处理及精准几何信息生成

2.1 卫星影像区域网平差方法

为适应全球地理信息资源建设对海量遥感数据处理规模化、产品生产业务化和数据生产高效智能化的迫切需求，以解决海量卫星影像数据无控、精确、快速、一体化智能处理为目标，本文选用在工程中全面应用的高分辨率卫星影像大规模联合区域网平差的方法进行多源卫星影像的精准定向。以国家基础测绘数据等精度已知且可验证的参考DEM/DOM、少量控制点等构成的数据库为约束，选用改进的影像匹配算法[21]进行高分辨率卫星影像间连接点的自动获取，以整体联合区域网平差[22]的方式获取卫星影像的精准定向RPC参数。试验区域GeoEye-1、WorldView-3影像获取连接点数及区域网平差单位权中误差结果详见表2。

表2 GeoEye-1、WorldView-3区域网平差结果

2.2 众源无序影像位姿恢复方法

由于影像分辨率、拍摄角度等条件的限制，仅通过卫星影像无法完全实现建筑物精细化建模及纹理重建，因此需要辅以互联网众源影像数据完成三维模型制作。本文选用一种大规模无序影像的自动检索及空中三角测量方法[23]恢复影像拍摄的位置姿态信息。该方法以基于内容的影像检索[9]及基于SFM算法的渐进式影像姿态恢复[15]为基础，通过对下载的影像数据进行分析，确立无序影像连接关系，快速准确获取相同内容影像，通过多角度多视影像间的稳健匹配及平差，完成网络众源影像姿态恢复。同时，为了保证众源影像定向坐标系与卫星影像定向坐标系一致，本文利用卫星影像区域网平差中的加密点作为众源影像的控制点进行众源影像的区域网平差处理，最终生成高精度位姿参数。

2.3 影像精准几何信息生成

针对高分辨率卫星影像特征，采用流行的SGM算法和多视影像匹配算法[22]，基于多基线、多重匹配特征(特征点、格网点、边缘等)、由粗到精的多级金字塔匹配、概率松弛匹配等策略，自动获取区域的高精度DSM，并对DSM成果进行微分纠正，完成影像成像方程式的计算，生成纠正后的正射影像图。如图3所示。

图3 GeoEye-1、WorldView-3影像生成的DSM/DOM

3 影像精细单体建模

高分辨率卫星影像精细单体建模主要包括3大部分：首先输入原始卫星影像、精准定位后的定位参数和定义产品坐标系统，系统自动构建实时核线立体模型；然后在此立体模型的基础上，分别利用模型几何结构、模型纹理及其他辅助3大工具集进行高质量高效的三维模型的几何结构和纹理的重建；最后输出满足实际生产需求的建筑物三维模型。

3.1 模型几何结构

模型几何结构构建主要是从立体模型上人工采集结构点和结构线，通过自动构建多边形面和几何体完成半自动的三维模型的几何结构重建。建筑物按照建模的几何结构可以分为平顶屋、坡顶屋、多脊屋、圆顶屋、锥顶屋、圆柱形屋等[24]。

在卫星影像立体模型上进行简单平顶房屋量测时，首先确定屋顶角点，提取出房屋轮廓线，然后通过量测房屋附近的一个地面点坐标，计算出房屋高度信息。算法根据轮廓线和高度信息构建房屋模型，并在3ds Max中显示结果。坡顶屋在平顶屋策略基础上，对坡顶屋脊线进行采集，算法根据采集到的屋脊线对顶面进行修改，生成坡顶屋模型。多脊屋的屋脊相互交错，可以基于可见性的向量夹角与最近距离判别法，建立屋脊线间、轮廓线与屋脊线间的拓扑关系，完成多脊屋的几何结构重建。对于圆顶屋，需要在屋顶量测3个不共线的点，计算屋顶的半径和球心；对于锥顶屋，则需要量取一个顶点来构建模型。本文采用基于可见性的嵌入式填充构网算法[24]实现复杂建筑物的重建。算法要求在量测房屋的轮廓线和屋脊线的同时，一并采集房屋的特征关联线，采集的线框越多，房屋的模型效果越细致。如图4所示。

图4 各类型房屋建模效果

3.2 模型纹理映射

基于卫星影像构建的建筑物三维模型的侧面纹理不够清晰(如图5(a)所示)，鉴于境外数据难以实现直接实地地面拍摄，本文采用互联网下载的众源影像(如图5(b)所示)进行部分知名建筑物的纹理映射，并选取互联网上的相似相片进行其他建筑的虚假纹理映射。纹理贴图结果如图5(c)所示。涉及的具体步骤简单分为全自动纹理映射、地面影像纹理贴图，以及纹理编辑及色彩自动处理。

图5 基于网络相片的模型纹理映射效果

(1)全自动纹理映射：由于众源影像有重叠，同一个建筑物的一个面可能出现在多张影像上，每张包含该面纹理信息的影像都有差别，可能出现纹理信息不全、纹理信息面积过小、纹理面朝向相反等情况。要从影像中找到最适合该墙面的最佳纹理，主要分为3步：定位纹理数据源、纹理方向性判断、纹理面积判断[24]。利用共线方程将地面点反投到数据源影像上的方法，可以确定纹理区域。通过计算并分配纹理坐标的方式，直接对纹理进行自动纠正，可实现纹理的正确映射。

(2)地面影像纹理贴图：为了弥补侧面纹理精细度问题，本文采用网络下载的分辨率较高的地面照片，通过简单交互即可实现网络相片的贴图。首先选择三维几何结构中的某一个面，调入相片，三维模型选中面通过共线方程将物方点坐标投影到相片上；然后人工将面片上各个顶点拖拽到模型选中面的正确位置；最后自动计算纹理映射参数，实现纹理的贴图。

(3)纹理编辑及色彩自动处理：若纹理出现遮挡或色彩出现问题，可以进行纹理编辑。首先选择需要矫正的面；然后选择最佳纹理影像；最后调整、提取纹理。如果需要对纹理影像进行图像编辑，可以选择PhotoShop进行进一步的处理，在PhotoShop中只能进行色彩方面的处理，不能修改纹理图片长宽比例，否则纹理坐标会出现异常。

3.3 模型自动DEM贴合

三维建模原型系统中具备房屋自动直角化、模型自动与DSM贴合、自动采集捕捉、影像亮度与对比度调节、几何精度质检、模型和纹理重命名等其他辅助功能。其中，模型在与DSM匹配过程中是否顾及地形的起伏是建筑物精细化三维建模和成果应用的关键。若建筑物没有与地形很好地贴合和匹配，就会造成地物飘在空中或钻入地下等与客观事实不符的情况[25]。本文在建筑物半自动量测过程中，基于DSM内插原理，通过生成的DSM对建筑物底部面各顶点高程进行约束，完成建筑物底面高度信息的自动追踪，实现模型与DSM的自动贴合。

图6 建筑物模型自动DSM贴合原理

3.4 典型建筑物建模结果

本文利用GeoEye-1卫星及WorldView-3卫星影像处理结果及生成的DSM/DOM结果，分别选取典型建筑密集区域进行建筑物单体化模型构建。其中，GeoEye-1影像区域建模位置为Sheikh Zayed主街道区域两侧，典型建筑包含Princess Tower、Almars Tower等，建模面积约4 km2，建筑物总数约为300栋；WorldView-3影像区域建模位置为Burj Khalifa Tower及周边区域，建模面积约1 km2，建筑物总数约为50栋。单体化建模结果如图7—图11所示，单体化建模精度可以达到相同比例尺的数字线化图精度。

图7 GeoEye-1卫星影像区域建筑物单体化建模结果

图8 Princess Tower单体化建模结果

图9 Almars Tower单体化建模结果

图10 WorldView-3卫星影像区域建筑物单体化建模结果

图11 Burj Khalifa Tower单体化建模结果

4 结 语

本文以高分辨率光学卫星影像为主要数据源，以DEM/DOM、控制点数据等已有数据库为控制信息，以互联网众源影像为辅助数据源，完成了卫星影像精准定向及众源影像的高精度位置姿态恢复，并生成高精度DSM/DOM。在此基础上形成了高分辨率卫星影像三维建模原型系统，并进行了区域内典型建筑物单体化建模，解决了基于高分辨率影像全球重点景区高精度三维建模的关键技术问题，实现了全球重点景区精细三维模型的高效产出，对促进全球地理信息资源建设与维护更新具有重要意义。