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基于倾斜摄影测量的三维建模技术初探

发表时间：2021/6/17 来源：《基层建设》2021年第6期作者：董燕枫

[导读] 【摘要】随着“数字城市”“智慧城市”的发展，城市建设越来越倾向于精细化、高效化、动态化的方向发展。

        安徽省水利水电勘测设计研究总院有限公司230094
        【摘要】随着“数字城市”“智慧城市”的发展，城市建设越来越倾向于精细化、高效化、动态化的方向发展。如何快速高效地获取高精度的三维模型成为迫切的需求。在新一代城市空间数据基础设施建设中，倾斜摄影测量技术有着巨大的发展潜力，其可以大范围、高精度、高清晰的方式全面感知复杂场景，较好地顾及建筑物侧面纹理信息，为三维模型建立提供了测量技术保障，满足大面积区域的三维模型高效构建的需求。基于此，本文针对倾斜摄影测量的三维建模技术展开探究分析如下。
        【关键词】倾斜摄影测量；三维建模；关键技术
        随着“智慧地球”、“数字城市”等理念的相继提出，使得传统的平面地图和二维地理信息已经很难满足现代城市信息化发展的需求。倾斜摄影测量技术的出现给城市三维模型的建设带来了新的契机，相对于传统三维建模效率低、工作量大、费用高、不能很好地反映真实地物地貌等问题而言，采用倾斜摄影测量技术可以更加全面地感知复杂场景，具有范围广、清晰度高、精准度高、角度多等优点，能够提升物体正射影像拍摄工作效率，同时可得到物体的立面纹理信息，再利用高性能协同数据处理系统，便能够以较快效率构建城市实景三维模型。这种采用倾斜方式采集数据的技术，不仅具有覆盖范围大、分辨率高的特点，而且所有多视影像数据经过联合平差后可以较好地顾及遮挡关系，克服传统摄影测量的局限。
        1、倾斜摄影测量技术
        1.1技术介绍
        倾斜航空摄影技术是一种新型测绘技术，传统的正射影像往往只能够按照垂直的角度对物体、地形进行拍摄，而倾斜摄影测量技术很好地解决了这一问题。这一技术是在同一个飞行器之上设置多台传感器，并且每个传感器以不同的角度设置，保证能够从多个角度、多个层次进行测绘作业。倾斜摄影测量技术的特点与优势主要体现在如下几个方面：首先，倾斜摄影测量技术能够对被测对象的实际情况进行更为精准且真实的反映；其次，在倾斜摄影测量技术支持之下，可以对单张影像测量进行有效地实现，使这一技术在行业中的应用得到了进一步的拓宽；再次，倾斜摄影测量技术可以对建筑物的侧面纹理进行采集；最后，利用倾斜摄影测量技术所获得的数据数据量较小，适合于网络发布。
        1.2系统组成
        倾斜摄影测量是集 POS 系统和数据采集系统为一体的测量技术，包含地面控制部分和空中飞行部分［2］。其中，POS 是一款用于姿态测量的系统，由惯性测量（IMU）和 GPS 差分技术两个单元构成，用来感知飞行器瞬时时刻的速度与姿态，为相片提供高精度的外方位元素解值。数据采集系统则通过 CCD航射仪记录光线的变化形成数字图像，有效限制气象及地形对获取高分辨率影像的影响。其不需要胶片，免扫描，减少了信息存储成本。由于CCD 采用感光的影像采集方式，与人眼生理功能相近，因此，其更易于辨识。
        1.3 测量的原理
        如果某一影像在拍摄过程中，相机主光轴是有一定倾角的（倾角 β 大于5°），那我们就把该相片称作倾斜影像。基于倾斜影像的定义，倾斜摄影测量是通过搭载在同一飞行平台上的多个传感器，同时同步地对地物侧向、前方、后方和垂直方向进行拍摄，获取多视角高分辨率影像，并结合定位定向系统（ Position & Orientation System，POS）采集的外方位元素及地面控制点相关数据，经过处理生成立体三维模型，最大限度地还原真实场。
        2、建模流程及关键技术
        2.1技术流程
        三维建模技术流程如图 1 所示。

        图 1 三维建模技术流程
        2.2预处理
        对原始影像预处理，主要是对原始影像进行色彩、亮度和对比度的调整和匀色处理。在获取影像的过程中，由于时间和空间的不同，影像会有一定的色差，应进行匀色处理，使影像间影像清晰、色彩鲜明、色调均匀、反差适中、层次分明，保持地物色彩不失真，不应有匀色处理的痕迹。拍摄影像上不应该存在云、烟、污点、大面积反光等缺陷，应有较丰富的层次，能辨别与地面分辨率相适应的细小地物影像，能够建立清晰的立体模型，且拼接影像应无明显模糊、重影、错位现象。
        2.3空中三角测量
        空中三角测量( aerotriangulation，AT) 过程将相机参数、影像数据、POS 数据进行多视角影像特征点密集匹配，建立在空间尺度可以适度自由变形的立体模型，完成相对定向; 将外业测定的像片控制点成果，在内业环境中进行转刺，利用这些点对已有区域网模型进行约束平差解算，将区域网纳入到精确的大地坐标系统中，完成绝对定向。本文通过Context Capture 对导入的倾斜摄影测量影像进行计算，提取大量的特征点，并对特征点进行多视角影像同名点匹配，进而计算出每张原始像片的姿态和空间位置信息，最终确定出各像片间的关系。空三解算完成后，可在 Context Capture 中查看整个航带的布设情况，解算出空三点的位置密度、每张像片的相对位置、像片所覆盖的范围方位角等信息。
        普通摄影测量更多地获取建筑物顶部的纹理信息，而倾斜摄影测量则尽可能多地获取侧面纹理信息。同一地物会出现在不同的影像上，选择最佳纹理非常重要，可以有效减少影像纹理过度变形。通过计算三维不规则三角网( triangulated irregularnetwork，TIN) 模型的三角形面与影像对应的区域间几何关系，寻找最佳纹理进行投射，实现纹理贴附。整个建模过程: 基于 tile( 瓦片) 技术把整个区域分割成若干个子区; 根据瓦片尺寸和等级，进行切片，分别存储; 利用并行算法处理各个瓦片，同时建立不同细节层次( levels of detail，LOD) 优化结构，提高模型浏览效率。
        3、结语
        总而言之，传统的三维建模技术存在低效率、高成本、纹理数据不足、数据处理复杂等问题，倾斜摄影测绘技术从不同视角获取地物的影像信息能够弥补传统三维建模技术的缺陷，具有高效率、低成本等优点，为城市大规模实景三维模型数据生产提供可行的技术解决方案。倾斜摄影航拍测量技术是时代与科技发展的产物，在城市测绘工作中发挥了十分重要的作用，有效地促进了城市的现代化与可持续性发展，具有重要的社会意义与现实意义。
        【参考文献】
        [1] 陈永健,陈曦.基于倾斜摄影测量技术的城市实景三维建模方法研究[J].资源信息与工程,2018,33(04):131-132.
        [2] 谭金石,黄正忠.基于倾斜摄影测量技术的实景三维建模及精度评估[J].现代测绘,2015(5):21-24.
        [3] 包丹丹.倾斜摄影测量的空三精度和三维模型精度的评估方法研究[D].天津:天津师范大学,2017.
        [4] 毕波,喜文飞.倾斜摄影测量中像控点数量对模型精度的影响研究[J].甘肃科学学报,2018,3 0(06):27-31.
        [5]马永刚 . 倾斜摄影测量技术在大比例尺地形图测绘中的应用［J］.世界有色金属，2019（24）：210-211.
        [6]杨国东，王民水 . 倾斜摄影测量技术应用及展望［J］. 测绘与空间地理信息，2016（1）：13-15，18.