基于倾斜摄影三维重建技术的真正射影像制作研究

李玉芳

（1.中煤航测遥感集团有限公司，陕西 西安 710054）

因其具有丰富的纹理信息和地图的几何属性，数字正射影像图（DOM）被广泛应用于城市建设规划、国土资源调查等领域。然而，DOM存在建筑物倾斜、遮挡等问题，影响了其几何精度和视觉效果。因此，不少学者致力于研究基于数字表面模型（DSM）或数字建筑模型（DBM），通过遮挡区域和阴影区的检测与补偿制作真正射影像图（TDOM）的方法，从而解决传统DOM存在的问题[1-2]。

目前，根据几何纠正对遮挡检测的依赖关系，TDOM制作方法可分为间接法和直接法两大类：①间接法的关键在于遮挡检测与遮挡补偿，但逐相片遮挡检测计算量大、复杂费时，且依赖于检测算法精度，遮挡补偿需对不同成像角度邻近影像上的可见区域纹理进行挖补式纹理采样，易造成影像纹理的不连贯，从而增加后期影像镶嵌与匀光等辐射处理的难度；②直接法是基于多视影像的空三加密和密集匹配生成DSM，同时记录地面点与影像点之间一对多的可视对应关系，在几何纠正中选取地面点对应的最佳可见像素，避开了间接法中复杂的遮挡检测和遮挡补偿。因此，直接法被认为是最有前途的处理方法，但仍存在以下问题：生成的DSM存在粗差，无法精确表达复杂建筑物、树木、桥梁等物体的轮廓边界信息，部分点云经内插后不能完全贴合地表，易导致地物边缘模糊和局部失真。为了解决上述问题，本文利用立体模型下编辑的DSM对实景三维模型进行重建，再通过垂直投影技术获取高质量的TDOM。

1 倾斜摄影制作TDOM的关键技术

1.1 多视影像密集匹配

多视影像密集匹配和联合平差是目前倾斜摄影测量领域的关键技术，国内诸多学者进行了相关研究[3-6]。多视影像密集匹配的目的在于利用高精度高分辨率的DSM代替传统的DEM进行几何纠正，以改正中心成像造成的几何形变与位移。它需要采用多角度倾斜摄影技术获取高分辨率的影像，然后基于Photomesh、Street Factory和ContextCapture Center等专业倾斜摄影三维建模软件，在多视影像联合空三加密的基础上进行多视影像密集匹配，从而生成地物超高密度三维点云。

多视影像密集匹配生成的超高密度三维点云，其精度和效果受影像地面分辨率和重叠度影响较大，在传统65%航向重叠度和30%旁向重叠度的配置下，建筑物遮蔽问题严重，增加了影像匹配的难度，难以保证各侧面的纹理完整性[7]。本文将制作TDOM与DSM的影像重叠度提升至80%航向重叠度和75%旁向重叠度，可有效减少遮蔽；并通过较高的冗余度剔除匹配的粗差，提高了匹配DSM的精度。

1.2 遮挡检测与纹理补偿

遮蔽检测与纹理补偿[8-9]是TDOM制作的关键技术之一，国内外许多学者进行了大量研究，如Schickler W[10]等通过距离与相对方向来设置权值，利用最优像素进行像素补偿；SHENG Y[11]和ZHOU G[12]等选择投影差最小的像素来进行补偿；许彪[13]和邓非[14]等以矢量面为单元进行纹理填补。

随着倾斜摄影测量技术的快速发展，多角度倾斜航摄仪不仅能获取测区的下视影像，还能获取测区的侧视影像。多尺度多视角的影像不仅为建筑物自动纹理映射提供了丰富的纹理信息，也从不同角度获取了地面的纹理信息，为TDOM制作中遮蔽区域纹理补偿提供了更丰富的数据源。本文主要采用倾斜摄影三维重建技术制作TDOM，有效避免了间接法中复杂的遮挡检测与遮挡补偿。

1.3 DSM编辑

由于采用多视影像密集匹配技术生成，基于实景三维模型提取的DSM存在粗差，无法精确表达复杂建筑物、树木、桥梁等物体的轮廓，需在立体环境下进行人工编辑处理，主要包括对建筑物、桥梁等的边缘线进行增强处理，滤除植被、电杆、路灯、移动物体（车、人）等，水面修饰。编辑后的DSM需通过不规则三角网来表达，以清晰描述建筑物等的轮廓边缘信息。利用编辑后的高精度DSM对实景三维模型进行重建，生成纹理一致且边缘清晰的实景三维模型。

2 倾斜摄影制作TDOM的生产方案

2.1 技术流程

根据TDOM的产品特点和技术要求，本文设计的基于倾斜摄影三维重建技术的TDOM制作流程如图1所示。

图1 TDOM制作技术流程图

2.2 实验数据

本文选取西安市城区10 km2范围作为TDOM制作的实验区，以直升机为飞行平台，航摄仪采用SWDC-5，获取的倾斜影像地面分辨率为0.05 m，航向重叠度约为80%，旁向重叠度约为75%。实验区地形主要为平丘地，大部分区域建筑高大且密集，共布设像控点39个、检查点8个，分别用于TDOM制作和精度检测。

2.3 生产实验

倾斜摄影测量包括多角度倾斜航空摄影、像控测量以及多视影像联合空三加密。与传统航空摄影测量不同，倾斜摄影测量获取的侧视影像存在较大的变形和遮挡问题，为了提高DSM匹配的精度和效果，本文将像控点均布设于开阔的平坦地面上。

多视影像联合空三加密和利用多视影像自动构建实景三维模型均采用Bentley公司的ContextCapture Center系统实现，具体流程为：①导入多视影像和对应的定位定向数据，设置相机参数；②根据多视影像和定位定向数据情况，选取适合的参数进行多视影像相对定向；③设置像控点坐标系统，导入像控点，并将像控点逐一在多视影像上进行量测，量测时需选取目标明显且清晰的影像；④像控点参与平差计算，解算得到多视影像的精确外方位元素，并消除多视影像的畸变差；⑤采用多视影像密集匹配技术生成地物超高密度三维点云；⑥基于三维点云构建不同层次细节度的不规则三角网模型；⑦通过三角网优化并简化，生成带白模的三维模型；⑧通过纹理映射生成实景三维模型。

基于实景三维模型提取DSM采用Bentley公司的ContextCapture Center系统实现，需根据地形地物的复杂程度，设置适合的DSM抽稀比例。在实验过程中发现，ContextCapture Center软件输出的空三成果导入Inpho等专业的摄影测量软件后存在明显的视差问题，无法恢复立体模型，从而无法对DSM进行立体编辑。因此，需在专业的摄影测量系统下对下视影像重新进行空三处理，恢复立体模型，对建筑物、桥梁等的边缘线进行增强处理，滤除植被、电杆、路灯、移动物体（车、人）等，修饰水面。利用编辑后的高精度DSM对实景三维模型进行重建，生成纹理一致且边缘清晰的实景三维模型，再利用垂直投影技术获取高质量的TDOM。

3 TDOM精度检测与效果分析

3.1 TDOM精度检测

本文利用野外检查点对TDOM平面精度进行检测，结果如表1所示。

经检测，检查点最大误差为0.241 m，最小误差为0.062 m，表明利用该方法制作的TDOM能满足规范的精度要求。

另外，本文将TDOM的水平精度与数字线划图（DLG）进行了套合对比，结果如图2所示，可以看出，图2a中红圈标记处因建筑物高大导致倾斜而与DLG不套合，而TDOM与DLG的套合情况良好，说明TDOM的几何精度高，在某种意义上可替代DLG使用，但由于实际上部分建筑具有屋檐，因此TDOM中的建筑轮廓会稍大于DLG所测的实际轮廓。

表1 TDOM平面精度统计表

3.2 TDOM效果分析

传统DOM与本文制作的TDOM对比如图3所示，可以看出，红圈标记处因建筑物倾斜遮挡道路而造成道路纹理缺失，极大地影响了DOM的几何精度和视觉效果；而在本文制作的TDOM中，建筑物倾斜、遮挡问题被有效消除，遮挡区域的纹理按真实情况得以补偿，视觉效果良好。

本文具体实施过程中生成的TDOM对比图如图4所示，图4a为采用自动匹配未编辑处理的DSM进行纹理映射，再经过垂直投影获取的TDOM，红圈标记处植被、车辆、建筑物边缘均存在变形，影响了TDOM的视觉效果；图4b为采用编辑处理的DSM对实景三维模型进行重建后，再经过垂直投影获取的TDOM，植被、车辆视觉效果良好，建筑物边缘轮廓清晰，纹理结构完整一致。

图3 DOM与TDOM效果对比

图4 TDOM效果对比图

4 实验结果分析

1）采用本文技术路线生产的TDOM精度可满足规范要求，与立体采集的DLG数据套合较好。

2）在本文生产TDOM的技术方案中，航摄影像重叠度起着至关重要的作用，高重叠度不仅可以增加多余观测、降低点云匹配难度、提高成果精度，而且可为TDOM制作提供丰富的地面纹理。采用倾斜摄影技术制作TDOM时，航向重叠一般不小于80%，旁向重叠一般不小于70%，对于一些发达城市，建筑物高大且密集时，应适当增大航向和旁向重叠度。

3）密集匹配生成的DSM存在粗差，无法精确表达复杂建筑物、树木、桥梁等物体的轮廓边界信息，易导致树木等拉花变形；而利用编辑后的DSM制作的TDOM建筑物边缘轮廓清晰，纹理结构完整一致。

4）垂直投影获取TDOM时，建筑物边缘处理不是很好，可先输出高分辨率TDOM，再重采样成TDOM所要求的分辨率，从而改善边缘羽化效果，色彩过渡更自然。

5 结 语

本文提出了一种基于倾斜摄影三维重建技术的TDOM制作方法。实验结果表明，本文方法可有效利用多视角的倾斜影像制作高质量的TDOM，制作的TDOM可与地形图完全吻合。在高重叠度和高分辨率下，利用编辑后的DSM进行实景三维重建制作的TDOM，可大幅提高其精度和效果。本文为TDOM制作中遮蔽区域纹理补偿提供了一种有效的解决方法，具有一定的推广应用价值。