倾斜摄影技术支持的实景三维模型制作DOM研究

贾夙 徐花芝 吴艳艳 张允涛 吴琪 任彤欣 郑伟安

收稿日期：20240119；修订日期：20240222；编辑：王敏

基金项目：山东省科学技术厅，省级自然资源监测监管大数据应用服务平台建设（2019JZZY020103）

作者简介：贾夙（1973—），男，山东济宁人，工程师，主要从事工程测量方面的工作；Email：2971161758@qq.com

*通讯作者：徐花芝（1983—），女，山东青岛人，高级工程师，主要从事LiDAR点云数据、影像处理等工作；Email：93731551@qq.com

摘要：数字正射影像图被广泛应用于基础测绘和国民经济建设等领域，不断完善高效制作高分辨率数字正射影像的技术是十分有必要的。本文结合生产实践，研究了倾斜摄影技术支持的实景三维模型制作DOM技术，将实景三维模型空三加密成果作为DOM制作所需的空三成果，并通过实景三维模型生成真数字正射影像快速替换、修补高大建筑物等拼接困难区域，实现对DOM的图面修复。该技术相比传统DOM生产方法，无需重复进行大数据量无人机影像空中三角测量，充分利用实景三维模型成果数据，将实景三维模型重建与DOM制作进行有效结合，实现无人机高分辨率DOM的高效制作。

关键词：无人机倾斜摄影；实景三维模型；空中三角测量；高分辨率；DOM

中图分类号：P231    文献标识码：A    doi：10.12128/j.issn.16726979.2024.05.006

引文格式：贾夙，徐花芝，吴艳艳，等.倾斜摄影技术支持的实景三维模型制作DOM研究［J］.山东国土资源，2024，40（5）：3944.JIA Su， XU Huazhi， WU Yanyan， et al. Study on DOM for Realistic 3D Model Production Supported by Oblique Photography Technology［J］.Shandong Land and Resources，2024，40（5）：3944.

0  引言

随着倾斜摄影测量技术的发展，三维模型已经广泛应用在智慧城市建设、城市规划、土石方计算等方面，三维模型数据具有信息丰富、更加直观的优势，但其巨大的数据量以及与各专业软件的兼容性不佳限制了其应用。数字正射影像图（Digital Orthophoto Map，DOM）等成果数据资料仍具有广泛的应用价值［1］。DOM不仅可以作为地图分析的背景控制信息，还可以为其他基础地理信息产品提供更多参考信息，为数字城市建设、各种规划调查管理和灾害防治等提供现势性强的基础地理数据［24］。

传统的大型载人飞机航空摄影测量制作DOM过程复杂、生产效率低、成本较高。无人机倾斜摄影作为一项新兴的测绘手段，得到迅猛发展，具有续航时间长、成本低、机动灵活等优点［56］，高效率多角度的数据采集，使得倾斜摄影测量在实景三维建设中得到了广泛的应用，多角度的影像能够确立复杂的场景之间的空间相对关系，自动联合起来进行空中三角测量计算［78］，是目前城市场景实景三维建设的主要数据来源，采集的原始影像分辨率常常高达2～3 cm。包媛媛等人［9］研究了基于倾斜影像的DOM快速制作技术流程，并利用实测数据证明了DOM的精度符合成图要求。陈亮［10］研究了利用已有的街景工厂空三加密成果，无缝衔接到像素工厂生产高分辨率正射影像的方案。李晓双等［11］研究了已有实景三维模型的基础上，利用Contextcapture软件和Inpho软件，快速地生产高精度的正射影像数据的方法，需要从实景三维模型成果的空三文件中提取相机文件和下视影像的外方位元素，再采用Inpho软件对下视影像进行正射纠正。

在实景三维建设中，当成果数据只有三维模型时，想获得正射影像数据，往往需要重新进行空中三角测量，但是由于高分辨率无人机倾斜摄影下视影像框幅小、相片数量大，制作DOM时空中三角测量以及影像拼接、镶嵌会耗费大量时间，极大影响数字正射影像的生产效率，因此本文提出利用实景三维模型空三成果以及真数字正射影像制作DOM，无需重复生产大数据量无人机影像空三，利用真数字正射影像图（True Digital Orthophoto Map，TDOM）提高图面修复的效率和质量，实现无人机高分辨率DOM的高效制作。

1  研究思路

1.1  技术路线

数字正射影像图制作经过长期发展，技术路线和工艺流程逐渐被固定下来，传统的DOM生产流程中［1213］，空中三角测量、数字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）匹配编辑以及镶嵌调色等关键技术对于后续DOM制作的效率和成果质量具有决定性的作用。当利用无人机倾斜影像制高分辨率DOM时，由于下视影像框幅小、相片数量大，空三加密以及DEM数据生产环节会耗费大量时间，严重影响DOM的生产效率和精度。

本文研究基于无人机倾斜摄影实景三维模型空三加密成果、匹配点云和TDOM，快速制作DOM。利用Photoscan软件对无人机倾斜下视影像结合匹配点云生成的DEM进行正射纠正，通过影像镶嵌、匀光匀色、镶嵌线编辑、分幅裁切、图面修复、质量检查等工序，制作完成高分辨率DOM。技术路线如图1所示：

1.2  新建工程导入实景三维模型空三成果

在Photoscan中导入无人机倾斜摄影下视影像、初始POS，设置相机参数，完成工程建立。再直接导入实景三维模型的空三加密成果，并进行优化图片对齐方式操作完成平差优化，空三作业完成。

利用实景三维模型空三加密成果无需重复对大数据量无人机影像进行空中三角测量，极大提高了影像生产效率。

1.3  DEM制作

（1）输出密集匹配点云

利用无人机倾斜实景三维模型成果，输出1m间距（可根据需要设置）的密集匹配点云数据，大大减少了利用空三成果匹配点云的工作量。

（2）点云分块

基于软件处理速度和计算机内存管理的需要，设置每一次读入的数据块大小，如1 km×1 km，然后读入密集匹配点云进行分块处理。

（3）噪声点滤除

明显低于地面的点或点群（低点）和明显高于地表目标的点或点群（空中点）被定义为噪声点。在进行地面点分类之前，首先采用高程比较法将这类点分离出来。将一个或一组点与周边一定范围内的点进行比较，若超过一定的阈值则将该点或该组点判断为噪声点进行去除［14］。

（4）自动分类

提取地面点云。相对于地物点，地面点的高程是最低的。使用提取地面点云算法，从较低的三维点中提取初始地表面；基于初始地表面，设置地面坡度阈值进行迭代运算，直至找到合理的地面［1516］。

去除高程异常点。地面地形具有连续性，地形高程的陡升或陡降区可能是分类不完全或不正确所致。利用去除高程异常点算法，将导致地形陡升的点云从地面点云中去除；将导致地形陡降的点云数据从其他层中重分类为地面点云，保证获取完整连续的地面。

（5）点云编辑

编辑修改自动分类后的点云，将分类错误的点进行重分类，实现地面与非地面的准确分类，地面点云。

（6）DEM输出

将分类编辑后的地面层点云作为权值相同的特征点进行DEM构建。

1.4  正射纠正

数字高程模型（DEM）是数字微分纠正的基础数据，利用DEM数据对单片影像进行倾斜改正及投影差改正，从而将中心投影的影像纠正为正射投影的正射影像［1718］。导入点云编辑生成的DEM进行正射纠正，并检查纠正后的影像是否存在失真、变形，特别是房屋、道路以及桥梁，是否有房角拉长、房屋阴影重影、道路和桥梁扭曲变形等。若有此情况，则要重新编辑DEM，重新进行正射纠正，确保纠正无变形和错误。

1.5  影像镶嵌

对单片正射影像进行自动化镶嵌处理，对镶嵌线切割建筑物或各类线状地物等问题进行手工编辑处理，而镶嵌线的编辑也有一定的方法与原则［1921］。由于线性地物拼接时容易出现变形、错位，因此编辑镶嵌线应尽量避免穿过明显的线性地物，沿着地物的边缘轮廓或者有明显分界线的地方进行编辑，确保地物影像完整、过渡自然，纹理清晰、无明显拼接痕迹。另外，小区内的楼房在保证建筑物完整的前提下，尽量保持投影方向一致，尽量避免建（构）筑物反向、压盖、交错等现象。此外，当测区面积较大时，需要分块进行镶嵌线编辑，提高镶嵌线编辑的效率。

1.6  影像匀色

影像匀色处理是为了消除由于天气、光照、航摄时间的影响，影像在色彩以及亮度上产生的明显差异，从而使正射影像图整体色调保持一致［17，22］。在编辑镶嵌线后，若有不能通过编辑镶嵌线消除的色调差异，需要对影像进行局部匀色，使成果色调均衡，反差适中，层次分明，保证测区内影像整体色调趋于一致，色彩接近真实地物的颜色，避免曝光过度，造成影像细节信息的缺失。

1.7  图面修复

对分幅影像数据进行满幅检查，确保DOM影像的视觉连续性［23］，目视检查影像的清晰度，色彩鲜明度及连续色调变化，确保影像反差适中，色彩均匀，确保影像无变形、拉花和错位问题，尤其不能出现地物丢失问题。对不可规避的变形、错位、投影差等问题，通过修编DEM、分幅匀色、Photoshop软件修图等方式进行处理修复，同时利用实景三维模型成果，自动输出真数字正射影像（TDOM），快速替换、修补高大建筑物等拼接困难区域，提高影像修复效率和质量。

2  试验分析

2.1  试验项目概况

按照《山东省自然资源厅关于全面推进实景三维山东建设的通知》（鲁自然资发〔2022〕5号），为满足某地区国土空间规划、用途管制、耕地保护、生态修复、审批监管等自然资源管理、政府部门及社会行业，以及政务版、公众版地理信息公共服务平台的应用需求，山东省国土测绘院承担某地区实景三维建设项目。

使用HY150六旋翼航测无人机系统和HY300垂直起降固定翼无人机系统两种无人机设备，搭载YD200倾斜摄影相机载荷获取某地城区及乡镇驻地93km2倾斜影像数据，制作0.03m分辨率实景三维模型和1∶500数字正射影像图以及基础地理信息（实体）数据生产，建设实景三维管理系统，满足可视化浏览、时空分析，构建某地区实景三维，推动自然资源管理从二维向三维转变。

2.2  试验方法

本研究采用传统DOM生产流程和新的技术路线对试验区进行了试验，试验流程见图2所示。

图2  DOM生产试验流程

传统DOM生产流程首先对无人机获取的下视影像进行畸变改正，再用Inpho软件新建工程，基于畸变校正影像进行相对定向，转刺像控点，联合平差及绝对定向，完成空三加密。然后利用空三加密成果进行点云匹配，经点云栅格化DEM和编辑处理后输出DEM成果。接下来利用集群系统，基于DEM对畸变后下视影像进行快速正射纠正，得到单片正射影像。最后将单片正射影像导入像素工厂，进行快速镶嵌，经镶嵌线编辑、匀光匀色、分幅、变形修改、质量检查等工序，制作完成1∶500比例尺，地面分辨率为0.03m的DOM。

新的倾斜摄影技术支持的实景三维模型制作DOM的研究方法，无需对下视影像进行畸变改正，直接将原始影像采用Photoscan软件新建工程，导入模型空三成果，不用重复进行任务繁重的无人机影像空中三角测量工作。再利用模型输出的密集匹配点云制作的DEM进行正射纠正，大大节省了利用空三加密成果匹配点云编辑DEM的时间。然后经镶嵌编辑、匀光匀色、分幅、变形修改等工序，并结合模型输出的TDOM替换、修补高大建筑物等拼接困难区域，制作完成1∶500比例尺，地面分辨率为0.03m的DOM，大大提高了无人机高分辨率DOM的制作效率（图3）。

2.3  精度对比分析

为了获取地面的点位精度，选择试验区具有代表性的地物点，利用外业实测的平面检查点坐标数据检验两种方法制作的数字正射影像成果精度，统计结果见表1、表2。0.03m分辨率1∶500比例尺数字正射影像图平面位置精度以明显地物点的平面位置中误差来表示，平地测区精度不应低于0.3m，最大误差不超过平面位置中误差的两倍［2425］。由表1和表2可以看出，基于传统方法生产的DOM中误差为±0.168 m，而本文利用无人机倾斜实景三维模型成果制作的DOM中误差为±0.089 m，远小于精度限差，因此，利用无人机倾斜实景三维模型成果制作DOM，完全满足制作1∶500比例尺DOM的精度要求。

2.4  效率对比分析

通过分别采用传统方法和利用无人机倾斜实景三维成果进行正射影像制作，各处理阶段耗时如表3所示。

表3  不同方法制作正射影像各阶段耗时对比  单位：d流程传统方法本文方法畸变改正0.50建立工程0.30.1空三加密30DEM生产22正射纠正0.50.5镶嵌匀色22分幅裁切0.50.5图面修复32总耗时11.87.1

从表3可看出，在保证正射影像精度满足于规范要求的情况下，本文方法的生产效率明显要高于传统的DOM制作流程，效率提升了40%，减少了工作量，极大地提高了工作效率。

3  结论

本文研究了倾斜摄影技术支持的实景三维模型制作DOM的技术方法，将实景三维模型重建数据成果与DOM制作进行有效结合，优化了数字正射影像生产作业流程。试验结果表明，本文技术方法在不重复进行空中三角测量的情况下提升了DOM的制作效率和平面精度，利用真数字正射影像对拼接困难区域进行图面修复，提高了数字正射影像质量，降低了生产成本，为利用无人机影像快速制作高分辨率DOM提供一种新思路。

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Study on DOM for Realistic 3D Model Production Supported by Oblique Photography Technology

JIA Su1， XU Huazhi1， WU Yanyan2，ZHANG Yuntao1， WU Qi1， REN Tongxin1， ZHENG Wei'an1

（1.Shandong Provincial Institute of Land Surveying and Mapping， Shandong Ji'nan 250102， China;2. Ji'nan Explration Institute of Surveying and Mapping， Shandong Ji'nan 250101， China）

Abstract：Digital orthophoto map is widely used in the fields of basic surveying and mapping and national economic construction， so it is necessary to continuously improve the technical methods for efficient production of high-resolution DOM. Combining with the production practice， technical method of real scene 3D model making DOM supported by oblique photography technology has been studied. The results of real scene 3D model can be regarded as the required results of DOM production. True digital orthophoto map can be generated by the real scene 3D model to quickly replace and repair the difficult areas as tall buildings， so as to realize the DOM map surface repair. Comparing with traditional DOM production method， this technology does not need to carry out repeated aerial triangulation of UAV images with large data. It will make full use of real scene 3D model results， and effectively combines the reconstruction of real scene 3D model with DOM production to realize the efficient production of high-resolution DOM for UAV.

Key words：UAV oblique photography; real scene 3D model; aerial triangulation; high resolution；DOM