摘要:傾斜攝影實(shí)景三維建模技術(shù)將傳統(tǒng)測(cè)量從二維平面提升至三維立體層次，同時(shí)也將部分外業(yè)測(cè)繪工作轉(zhuǎn)化到內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理，極大程度地提高了生產(chǎn)效率。作為一種新興測(cè)繪技術(shù)，傾斜攝影實(shí)景三維建模技術(shù)具有其自身的兩面性，本文從傾斜攝影實(shí)景三維建模技術(shù)原理出發(fā)，結(jié)合其優(yōu)點(diǎn)及不足之處，詳細(xì)闡述分析了該技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀及優(yōu)化措施。

　　關(guān)鍵詞:傾斜攝影;三維建模;無人機(jī);攝影測(cè)量

　　0引言

　　傾斜攝影實(shí)景三維建模技術(shù)首先興起于國外，從2014年以來，相關(guān)的數(shù)據(jù)處理軟件被逐步引入測(cè)繪地理信息行業(yè)，近幾年傾斜攝影測(cè)量技術(shù)在國內(nèi)受到強(qiáng)烈關(guān)注，其數(shù)據(jù)成果廣泛地應(yīng)用于應(yīng)急測(cè)繪、國土資源調(diào)查、城市規(guī)劃、智慧城市建設(shè)及模擬仿真等各個(gè)行業(yè)。傾斜攝影技術(shù)利用飛行器(有人/無人)平臺(tái)搭載傾斜攝影航攝儀，從多個(gè)視角實(shí)施對(duì)地觀測(cè)，并獲取多視數(shù)碼航攝影像，結(jié)合多視影像密集匹配算法，構(gòu)建實(shí)景三維模型準(zhǔn)確真實(shí)地還原表現(xiàn)狀信息[1-2]。

　　該技術(shù)以大范圍、高精度、高真實(shí)感的作業(yè)方式全面感知復(fù)雜場(chǎng)景，通過高效的數(shù)據(jù)采集設(shè)備及專業(yè)的數(shù)據(jù)處理軟件生成的數(shù)據(jù)成果可以直觀地反映地物的外觀、位置、高度等屬性信息。硬件方面，國外有美國徠卡公司RCD30系統(tǒng)、德國IGI公司的Penta-DigiCam系統(tǒng)、以色列VisionMap公司的A3系統(tǒng)及國內(nèi)有SWDC-5、AMC580及TOPDC-5傾斜相機(jī);軟件方面，主要有法國ASTRIUM公司的街景工廠、Acute3D公司的Smart3DCapture、美國Pictometry公司的Pictometry系統(tǒng)、Trimble公司的AOS系統(tǒng)、微軟Vexcel公司的Ultramap軟件、以色列的VisionMap軟件等。

　　上述軟硬件系統(tǒng)是目前國際傾斜攝影技術(shù)發(fā)展的最高水平。傾斜攝影實(shí)景三維建模技術(shù)雖然在測(cè)繪地理信息行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用，與此同時(shí)，由于其技術(shù)本身的局限性也帶來了不少問題。因此，本文首先闡述傾斜攝影測(cè)量相關(guān)技術(shù)流程，其次分析其在各領(lǐng)域應(yīng)用情況及存在的問題，并提出相關(guān)的應(yīng)用改進(jìn)及推廣措施。

　　1傾斜攝影實(shí)景三維建模

　　傾斜攝影實(shí)景三維建模技術(shù)主要包括傾斜攝影及三維建模兩個(gè)階段:傾斜攝影階段分為多視影像獲取與像控布設(shè)與測(cè)量兩部分;三維建模階段根據(jù)處理過程分為預(yù)處理、傾斜空三加密、多視影像密集匹配、集群紋理映射及實(shí)景三維輸出等步驟。

　　1.1傾斜攝影

　　傾斜攝影是指通過同一飛行器平臺(tái)搭載傾斜航攝儀，同時(shí)從垂直、傾斜等多個(gè)不同角度采集場(chǎng)景多視影像。根據(jù)攝區(qū)范圍大小、地形情況，飛行器平臺(tái)可以分別選擇直升機(jī)、無人機(jī)及動(dòng)力傘等，目前實(shí)施傾斜攝影使用頻率最高的飛行器為旋翼無人機(jī)[3-4]。任務(wù)荷載方面，搭載的傾斜航攝儀有五鏡頭、三鏡頭等相機(jī)，針對(duì)單體實(shí)施傾斜攝影時(shí)，也可以使用單鏡頭進(jìn)行傾斜拍攝。為保證實(shí)景三維數(shù)據(jù)質(zhì)量及精度，目前傾斜攝影多視影像地面分辨率以5cm內(nèi)為主，影像航向重疊度控制在70%—80%之間，旁向重疊度控制在60%—70%之間[5-6]。

　　1.2多視影像聯(lián)合平差

　　多視影像包括垂直攝影影像和傾斜攝影影像，其影像多樣性比傳統(tǒng)航攝更多，傳統(tǒng)空中三角測(cè)量方法無法解算，因此需要多個(gè)角度的影像進(jìn)行聯(lián)合平差處理傾斜影像。平差解算過程中，首先，需要分析多視影像之間的幾何形變及遮擋關(guān)系;其次，根據(jù)影像POS數(shù)據(jù)中的外方位元素，結(jié)合金字塔影像匹配策略，在每一層級(jí)金字塔進(jìn)行同名點(diǎn)匹配和聯(lián)合平差，得到相對(duì)精度較好的匹配結(jié)果;最后將像控點(diǎn)、連接點(diǎn)及其他輔助數(shù)據(jù)導(dǎo)入多視影像自檢校區(qū)域網(wǎng)誤差方程，通過聯(lián)合解算獲取最終的高精度結(jié)果。

　　1.3多視影像密集匹配

　　多視影像密集匹配是傾斜攝影數(shù)據(jù)解算的關(guān)鍵技術(shù)之一，多視影像匹配與單一立體像對(duì)相比具有如下特點(diǎn):1)由于影像拍攝角度及數(shù)量較多，因此可利用影像信息十分豐富，將誤匹配概率降至最低;2)充分利用冗余紋理特征信息，有助提升航攝盲區(qū)匹配精度。

　　1.4生成數(shù)字表面模型

　　利用多視影像密集匹配空三成果，生成高精細(xì)數(shù)字表面模型(DSM)，該模型數(shù)據(jù)可以準(zhǔn)確反映地形起伏變化情況。由于傾斜多視影像之間存在角度、色差、高度等方面的差異，且影像中存在陰影和地物遮擋的情況，因此使得DSM局部出現(xiàn)不規(guī)則拉伸及扭曲的情況。

　　1.5實(shí)景三維模型輸出

　　多視影像經(jīng)絕對(duì)定向及勻光勻色后，將其轉(zhuǎn)換成高密度真彩色點(diǎn)云數(shù)據(jù)，利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成TIN模型，通過紋理映射，生成給予多視影像紋理的高分辨率實(shí)景三維模型，該模型數(shù)據(jù)具有高精度、高真實(shí)感、全方位感知的特點(diǎn)。為滿足多行業(yè)應(yīng)用，目前通用的實(shí)景三維數(shù)據(jù)成果格式有*.osgb、*.obj兩種格式。

　　2應(yīng)用分析

　　2.1大比例尺測(cè)圖

　　基于傾斜攝影實(shí)景三維模型生產(chǎn)大比例尺(1∶500/1∶1000)地形圖基本滿足《城市測(cè)量規(guī)范》[7]1∶500數(shù)字線劃圖的精度要求，相比于數(shù)字化測(cè)圖作業(yè)方式，生產(chǎn)效率得到了明顯提升。但模型中部分尺寸較細(xì)的地物(如路燈、電桿等)建模效果不佳，扭曲變形較為嚴(yán)重，采集誤差較大，需要用其他作業(yè)方式進(jìn)行補(bǔ)充測(cè)量。另外，針對(duì)部分地物要素特點(diǎn)，可研究開發(fā)一些智能自動(dòng)化線劃圖提取功能軟件，從而進(jìn)一步提升線劃圖生產(chǎn)效率。

　　2.2土方測(cè)量

　　利用傾斜攝影空三成果，可以輸出真彩點(diǎn)云數(shù)據(jù)，該點(diǎn)云數(shù)據(jù)具高密度及高精度特點(diǎn)，可用于無植被遮擋大范圍裸露土石方測(cè)量項(xiàng)目，通過與傳統(tǒng)土方測(cè)量比較，量測(cè)方量較差百分比小于3%，滿足《城市測(cè)量規(guī)范》要求。需要注意，為滿足土方測(cè)量高程精度要求，像控測(cè)設(shè)高程控制需采用水準(zhǔn)測(cè)量與周邊高等級(jí)水準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)測(cè)。

　　2.3竣工測(cè)量

　　傾斜攝影實(shí)景三維模型具有高精度、高真實(shí)感、全方位感知的特點(diǎn)，其在規(guī)劃竣工測(cè)量項(xiàng)目中用途包括竣工地形測(cè)繪、綠化測(cè)量、樓高測(cè)量及建筑物退距核實(shí)等[8]。實(shí)際應(yīng)用過程，一類建筑物角點(diǎn)要求平面中誤差在±5cm以內(nèi)，部分扭曲變形較大的建筑角點(diǎn)采集時(shí)，需調(diào)用絕對(duì)定向后的多角度原始航片輔助進(jìn)行采集才能確保精度要求。

　　2.4地籍測(cè)量

　　傾斜攝影實(shí)景三維建模技術(shù)在地籍測(cè)量項(xiàng)目中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在地籍調(diào)查底圖生產(chǎn)，傳統(tǒng)作業(yè)方式為全野外數(shù)字化測(cè)量，需要投入大量人力物力，且生產(chǎn)周期長，投入成本大，將傾斜攝影應(yīng)用于地籍測(cè)量項(xiàng)目有效提升工作底圖生產(chǎn)效率。經(jīng)精度驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，60%—70%房屋角點(diǎn)平面誤差在±5cm以內(nèi)，符合地籍界址點(diǎn)精度要求;剩余精度超限部分為隱蔽或不規(guī)則房屋角點(diǎn)，多為房屋周邊存在植被樹木遮擋或?yàn)槔吓f木土材質(zhì)房屋，對(duì)于此類房屋角點(diǎn)需采用其他方式(如數(shù)字化測(cè)量)進(jìn)行補(bǔ)充測(cè)量。

　　2.5立面測(cè)量

　　當(dāng)前，全國范圍內(nèi)各個(gè)省市都在推行美麗鄉(xiāng)村建設(shè)，針對(duì)已有建筑景觀風(fēng)貌提升改造項(xiàng)目也隨之增多，而建筑立面圖是開展景觀提升設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)資料。利用傾斜攝影實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)生產(chǎn)建筑立面圖，更加準(zhǔn)確直觀高效，進(jìn)一步豐富了項(xiàng)目成果;也可以基于建筑實(shí)景三維進(jìn)行景觀設(shè)計(jì)，提升設(shè)計(jì)方案的可行性與真實(shí)度。

　　2.6城市三維建模

　　隨著智慧城市、數(shù)字孿生城市建設(shè)的不斷推進(jìn)，城市三維建模需求與日俱增[9]。目前城市三維模型大部分為三維仿真模型，主要利用三維激光點(diǎn)數(shù)據(jù)結(jié)合已有矢量數(shù)據(jù)全人工方式進(jìn)行生產(chǎn)，具有生產(chǎn)成本非常高、模型真實(shí)感不高、精度有限等不足。傾斜攝影實(shí)景三維建模其高真實(shí)感、高效率及高精度的特點(diǎn)，為城市三維建模提供了技術(shù)補(bǔ)充，有效地解決了項(xiàng)目生產(chǎn)周期、成本控制等方面的問題，但實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)類型為Mesh模型數(shù)據(jù)，不具備矢量數(shù)據(jù)的點(diǎn)、線、面特征，為滿足更多元化的GIS應(yīng)用需求，需利用其他軟件進(jìn)行建筑單體化。

　　3結(jié)束語

　　本文通過詳細(xì)的分析，闡述了傾斜攝影實(shí)景三維建模技術(shù)原理及其當(dāng)前的應(yīng)用現(xiàn)狀，該技術(shù)可以有效地提升測(cè)繪生產(chǎn)效率，豐富測(cè)繪成果，為大數(shù)據(jù)測(cè)繪提供新的技術(shù)支持。與此同時(shí)，該技術(shù)依然存在不足之處，主要表現(xiàn)在以下幾方面:

　　1)飛行器平臺(tái)續(xù)航時(shí)間短。傾斜多視影像具有高分辨率、大重疊度的特點(diǎn)，因此航攝實(shí)施需要長航時(shí)飛行器平臺(tái)的硬件支持。目前傾斜攝影飛行器平臺(tái)以旋翼無人機(jī)為主，該種類型飛行器續(xù)航時(shí)間有限，作業(yè)工期相應(yīng)延長，航拍風(fēng)險(xiǎn)增高，另外，影像光照及色彩信息差異性增強(qiáng)，加大了后期數(shù)據(jù)處理難度。2)局部建模效果有待提升。傾斜攝影實(shí)景三維模型中，部分區(qū)域建模容易出現(xiàn)扭曲拉花等現(xiàn)象，如建筑檐下結(jié)構(gòu)、樹下遮擋部分、玻璃紋理及水域等，影響模型數(shù)學(xué)精度，需進(jìn)行貼近補(bǔ)拍或約束建模，提升模型輸出質(zhì)量;3)行業(yè)規(guī)范有待補(bǔ)充。目前傾斜攝影實(shí)景三維建模外業(yè)航攝實(shí)施規(guī)范和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理規(guī)范待有關(guān)部門編制發(fā)行，全面制定行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，從而進(jìn)一步推進(jìn)傾斜實(shí)景三維建模技術(shù)的深化應(yīng)用。

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　　作者：林萬榮