倾斜摄影测量三维重建在城市规划管理中的应用

张 奇 徐 斌 张 冬 徐以泱

（1.扬州市邗江测量服务所，江苏扬州 225000；2.扬州市自然资源和规划局邗江分局，江苏扬州 225000）

随着计算机技术及传感器的不断发展，城市的数字化表达由二维逐渐过渡到三维，城市发展和建设逐渐趋于规模化和立体化。与二维数据相比，三维数据具有信息量丰富、感官真实等优势，使得动态交互的方式成为可能，在城市规划建设、应急管理等方面意义重大，如何建立高效、准确的城市数字三维模型是一个重要的研究方向。

传统的手工建模方式需要大量的人力参与且获取的数据受到仪器安放位置的限制，难以对结构复杂的场景精确建模，同时成本高且效率低下。三维激光扫描技术的引入有效改善了手工方式的不足，精度和准确性大幅度提高，但扫描点云数据冗余量大，处理效率较低，算法复杂，同时激光扫描设备价格昂贵，不适用于大范围城市三维数据的获取。倾斜摄影测量技术的发展解决了以上方法的不足，具有人工干预少、范围广、纹理影像真实度高等优势，能够快速、高效、准确地获取城市三维立体模型，是城市规划管理中不可或缺的重要技术手段。

1 倾斜摄影测量三维重建

1.1 倾斜摄影测量

传统摄影测量主要采取测量地形地物顶部的方式来获取地面高程信息和地物地貌信息，对有明显轮廓的地形地物具有较好的测量效果[1]。但传统的摄影测量无法获取目标的立面纹理信息，在地形起伏较大的地区难以获取地物的立体结构数据，在建筑物密集区存在遮掩等限制。近年来，随着传感器的更新换代及相关理论技术的发展，航空摄影测量从仅搭载垂直相机转变为搭载垂直相机和多个倾斜相机的组合，倾斜相机能够获取地物的侧面纹理，简化了影像解译，降低了三维重建的成本，提高了三维重建的效率和效果[2]。

随着倾斜摄影测量技术的快速发展，其低成本、高分辨率、受天气影响小等特点使其成为三维重建中重要的数据获取方式，倾斜摄影测量技术应用于城市三维建模具备测绘级精度且具有高真实感，能够快速实现自动化建模工作，在城市规划建设等众多领域具有十分广泛的应用。

1.2 三维重建

三维重建是指对某些三维物体或者三维场景的恢复重构，基于一个视图或者多个视图所获得的物体图像实现三维重建。单视图信息单一，三维重建需要非常复杂的算法和过程，基于单幅图像三维重建最广泛和最实用的方法，利用几何投影的原理进行重建，即利用图像的几何约束进行相机的参数估算，然后通过测量目标的几何形状或计算高度估算必需的深度信息，最后通过几何投影数字化三维模型，步骤烦琐且误差较大。多视图的方式模仿人类观察世界的方式，增加了信息量，尤其是立面纹理信息，故三维重建的实现相比之下较为轻松。

2 倾斜摄影测量关键技术

2.1 倾斜影像匹配

三维建模中倾斜影像的匹配有两种，一种是用于定向的稀疏匹配，另一种是用于三维重建的稠密匹配。

稀疏匹配要求匹配点分布均匀、误匹配少，如何提高匹配精度是重要的研究方向。以无人机、飞艇等搭载平台进行倾斜摄影测量因平台轻、气流不稳定等原因会造成姿态信息不稳定，在复杂地形下影像的几何变形尤为突出且地物尺度变化大。为获取影像的同名点，传统的方式使用现成的特征匹配算法如SIFT算法等，没有考虑大倾斜视角变化引起的尺度不一致问题，固定窗口获取的特征描述无法反映真实的地物信息，容易造成误匹配且精度不高。为解决此问题，提出了多种算法。姚国标等[2-3]基于最大稳定极值区域提出一种融合互补仿射不变特征的倾斜影像高精度匹配方法，地面近景倾斜立体影像和无人机倾斜立体影像试验结果良好。

近年来，随着计算机硬件设备的发展，极大支持了深层次神经网络的构建，深度学习在二维图像领域的应用已取得巨大成功[4]。深层次语义特征可以通过卷积神经网络提取，打破了人工设计特征的局限性，可获得极高的匹配精度。南轲等[5]为实现多模态遥感影像间的高精度匹配，基于Siamese网络进行特征完整性保留的改进，取消池化层的特征表达来保留所有抽象语义特征，多组试验结果均取得了95%以上的匹配正确率。安谱阳等[6]通过建立金字塔多尺度空间构建了基于Siamese深度网络的多尺度影像匹配模型，结合粗差点剔除和由粗到精的匹配策略实现了长间隔多时相卫星遥感影像的高精度匹配。

2.2 多视影像区域网平差

多视倾斜影像进行联合平差时需要考虑由视角变化引起的几何变形和地物遮挡问题，先通过影像匹配算法找到倾斜影像的初始特征点，再利用最小二乘、相似性测度、核线约束等约束条件匹配特征点，最后进行光束发区域联合平差。目前倾斜航摄系统一般配备POS系统用来获取姿态的多相机系统，区域网平差有三种方式：

（1）无约束联合定向法：每幅影像使用独立的外方位元素，同一相机拍摄的影像使用共同的内方位元素。这种方法未知数较多，计算量较大。

（2）附加相对约束定向法：同一摄站的多个相机整体作为一个单元进行平差，相机之间的相互关系作为约束信息加入光束法平差中。这类方法的优势在于降低了未知数的数量且网型更加稳定。

（3）直接定向法：空三解算出下视影像的方位元素，利用已检校过的倾斜相机与下视相机之间的旋转平移参数解算出倾斜影像的方位元素。这种方式最为简单，但精度较低，没有充分利用多传感器的信息。根据这些平差方法的特点，在实际应用中一般采取组合的方式以达到更好的效果。

3 三维重建关键技术

3.1 点云三维构网

点云三维构网即构建三维白模型，是纹理映射的数据基础。点云三维构网的方法主要有两种，一种是基于几何的重建，即从点云数据中提取具有几何意义的特征表达，如特征线、特征面、几何实体等，这种方法没有充分利用点云数据，获取的物体表面模型较为粗糙。另一种方式针对点云数据的坐标点直接或间接构建多边形网格模型近似物体表面，充分利用了点云数据，可获取高质量的物体表面模型，是应用广泛的重建方法。该方法的研究重点在于三角格网的构建和隐式函数的构建。网格的模型定义为一个二元组(K,V)，其中K表示网格的连接拓扑信息，如网格顶点、边、面等邻接信息，V={v1,v2,…,vn}表示顶点的集合，确定了网格在空间中的几何形状和位置。

比较著名的基于泊松方程表面重构法对点云的密度和噪声具有较好的鲁棒性，但获得的三角网过于平滑，对地物结构边缘无法保留，而城市中存在大量建筑物和人工结构，边缘特征非常明显，故不适用于城市地区。

基于Delaunay的三角网构建方法则具有较强的适用性。Delaunay三角格网是由连接Voronoi图中具有公共边相邻多边形的中心形成的格网，具有空外接圆特性，即任何一个三角形的外接圆均不包含其他数据点，最小角之和最大特性是在所有形成的三角格网中，Delaunay三角网中的所有三角形的最小角之和是最大的。

这两个特性是建立Delaunay三角格网的算法依据，可以有效保证格网中的三角形是接近等角或等边的三角形。根据点云数据的密度及计算复杂度等因素又可将Delaunay构网分为三类。分治法即递归等分点云后对子集点云构网，再逐级合并子三角网，消耗内存较大，效率较低。

增量插值构网法即将所有点云标记为一个超三角形的顶点，遍历所有点通过不断引入新的点找出包含该点的三角形构建格网，最后再剔除含有一定数量顶点的超三角形。该方法具有较好的稳健性且内存消耗少，但时间效率较低。三角增长法即通过随机选取种子点，建立邻域点的定向基线，依据Delaunay准则生成三角网，效率较低。

郑顺义等[7]将三维空间的构网转换为二维平面的三角构网，采用人工选取范围、种子点的方式实现了Delaunay三角网构建的无缝拼接。基于Delaunay三角增长法引入边、角等约束条件，在保证细节的前提下满足了精度要求。

3.2 点云纹理映射

三维网格模型无法表达真实地物，缺乏可辨识性，纹理映射指将纹理影像构成的纹理空间和表面参数构成的三维模型空间意义对应的映射，即将纹理映射到三维网格模型上以增强模型的识别程度，同时还可以有效覆盖模型自身存在的小缺陷。

纹理映射处理过程中主要解决两个问题：一是配准问题，即最佳相片的选择，一般采用某种衡量指标来进行选择，如周晓敏等[8]采用模型表面的每个三角形面片的法线方程与二维图像之间的角度关系衡量合适的相片，夹角越小则纹理质量越高。

目前广泛应用的是对于每一个需要进行映射纹理的面片，根据具体情况采用某种衡量指标为每一相片计算一个得分，将得分最高的相片作为纹理候选片。另一个问题是色彩过渡问题，一般采用不需要大范围重叠区域且效果较好的标准泊松融合方法。魏凌飞等[9]利用共线关系匹配空间点并对倾斜影像进行重采样，提出一种航片-模型自动纹理映射方法，简单高效且适用于大范围三维模型纹理重建。

4 三维模型在城市规划管理中的应用

倾斜摄影测量三维重建可快速建立真实、可量测且纹理清晰的三维城市模型，为城市规划工作提供了良好的数据支持。具体应用主要集中在以下几个方面：

（1）城市风貌展示及古建筑保护。

三维城市模型可真实、详细地展示地理风貌，打破了传统方式中类似挑选具有代表性的场景并配以解说这些不直观的展示手段，为规划管理人员、旅游服务业及房地产开发业等带来了便捷。我国历史悠久，文化底蕴深厚，古建筑保护工作对延续城市历史风貌意义重大，三维城市模型对古建筑物日常保养、修缮甚至毁后重建可以提供精确的数字资料。

（2）城市交通设计。

三维城市模型打破了以往二维交通图的限制，对于城市交通路线规划意义重大，如一些大型城市人口数量多，交通流量大，存在高架桥、立交桥等交通要素，传统的二维模型无法进行具有空间结构的交通要素规划，同时可将二维三维数据联合使用，优化城市道路交通网的设计，避免不协调，提高规划设计的科学性。

（3）规划分析。

在城市规划中可利用GIS中的日照分析、视域分析、天际线分析、限高分析、缓冲区分析等空间分析方法对城市建设进行规划。如日照分析可为房地产建设确定建筑物的间隔，在良好采光的条件下合理设计建筑物分布，视域分析可为旅游景点设计提供数据支撑，缓冲区分析可为学校、医院、消防站等城市重要标志选址提供支持。

（4）城市管理及竣工核实。

精确的三维模型对城市管理同样具有巨大的帮助，比如对于违章建筑物搭建排查、危险地区三维形变监测等。采用传统人工调查、人工量测的方式耗时耗力，倾斜摄影测量三维重建在效率上远超人工手段，便于管理人员及时了解城市的变化情况并制定相应的举措，如组织人力物力拆除违章搭建，排除风险隐患，安排三维形变较大的危险区附近居民转移等。

对于城市建设的竣工核实，传统提交的成果多为平面图、文档等资料，对于非规则性人工建筑物无法有效核实，采用倾斜摄影测量三维重建，可将规划阶段的三维模型与竣工后的三维模型进行比对，精确得出城市建设情况，大幅度减少竣工核实的工作量。

5 结语

基于倾斜摄影测量的三维重建技术是城市三维可视化的主流途径，在倾斜影像匹配、三维模型重建等关键技术领域的研究已取得了良好的进展，计算机视觉领域的深度学习影像匹配方法属于前沿技术的融合，其智能化、高精度、高效率的处理方式将是倾斜摄影测量领域的发展趋势。利用倾斜摄影测量技术实现城市的三维自动化建模，其生产周期短、具备测绘级精度、高效率、高真实感、低成本的特点为获取城市多层次基础地理信息数据并实现规划建设管理带来了便利。