基于A3航空攝影系統(tǒng)和Smart3d軟件快速進行實景影像三維模型生產(chǎn)

張鑫鑫，王冬，趙鳳梧

(天津市測繪院，天津 300381)

基于A3航空攝影系統(tǒng)和Smart3d軟件快速進行實景影像三維模型生產(chǎn)

張鑫鑫*，王冬，趙鳳梧

(天津市測繪院，天津 300381)

當(dāng)今社會，數(shù)字城市建設(shè)飛速發(fā)展，對城市實景影像三維建模需求越來越多，A3數(shù)字航攝儀以其獨特的優(yōu)勢能快速輔助城市實景影像三維模型生產(chǎn)。本文以天津重點區(qū)域為例，利用先進的A3數(shù)字航攝儀，結(jié)合Smart3D軟件，詳細闡述了從數(shù)據(jù)獲取到實景影像三維模型制作的過程。

A3數(shù)字航攝儀；Smart3D；三維建模

1 引 言

數(shù)字城市作為數(shù)字地球的重要組成部分，為數(shù)字地球的建設(shè)起到巨大的推動作用。三維可視化技術(shù)的迅猛發(fā)展也為數(shù)字城市的建設(shè)增加了更直觀的表現(xiàn)形式。三維數(shù)字城市發(fā)展至今，主要方式仍然采用傳統(tǒng)人工手工建造三維模型的方式來完成數(shù)字城市三維模型的制作。建設(shè)單位通常使用3ds Max軟件根據(jù)建筑的形態(tài)進行人工建模，紋理采集以及模型貼圖，這種方式通常需要大量的人工來完成模型的制作，一般來說完成城市級規(guī)模的三維建筑模型需要漫長的數(shù)據(jù)制作與數(shù)據(jù)加工周期，過長的生產(chǎn)周期和高昂的成本阻礙了三維城市的發(fā)展。而傾斜攝影技術(shù)是國際測繪領(lǐng)域近幾年來發(fā)展起來的一項高新技術(shù)，它推翻了以往只能從垂直角度拍攝的局限之處，通過高科技傳感器通過不同角度采集影像，從而大范圍、快速、自動構(gòu)建三維模型，近幾年來利用傾斜攝影技術(shù)來生產(chǎn)實景影像三維已成為業(yè)內(nèi)重點關(guān)注和研究的方向。

A3數(shù)字航攝儀是新一代步進式分幅成像的數(shù)字航攝儀，一次飛行可同時獲取垂直和斜拍影像數(shù)據(jù)。A3因其長焦距的鏡頭，保證了很高的數(shù)據(jù)獲取能力，A3數(shù)字航攝儀相比同類相機，在效率上高出1.5倍～2.5倍，在成本上節(jié)約了15%～20%。在同樣成果分辨率和精度要求下，A3能夠飛行更高的高度，覆蓋更大的面積，可以獲得更高分辨率的成果，非常適合進行城市航空攝影。我院使用A3航攝儀及Smart3D軟件于2014年12月完成了天津市重點城區(qū)影像分辨率為 8 cm面積為 3 000多km2實景影像三維自動建模任務(wù)。因此，使用A3航空攝影系統(tǒng)獲取傾斜影像，利用Smart3D構(gòu)建三維模型對城市快速建模具有重大的意義。

2 A3航空攝影系統(tǒng)及Smart3D軟件簡介

2.1 A3航空攝影系統(tǒng)

A3航空攝影系統(tǒng)包括A3數(shù)字航攝儀和Lightspeed后處理系統(tǒng)兩大部分。A3數(shù)字航攝儀(A3 digital aerial camera)是以色列VisionMap公司生產(chǎn)的新型航攝儀，它包括數(shù)據(jù)存儲器(VSSR)，控制電腦(VMU)，相機鏡頭系統(tǒng)，安裝面板，飛行顯示器，系統(tǒng)連接線和后處理拷貝系統(tǒng)組成。具體如圖1所示：

圖1 A3數(shù)字航攝儀示意圖

Lightspeed后處理系統(tǒng)主要包括Dataviewer數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和Control Center數(shù)據(jù)分配及運算系統(tǒng)。

Dataviewer數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)主要進行數(shù)據(jù)的編輯、GPS導(dǎo)入、區(qū)域合并、空三刺點、輻射校正、數(shù)據(jù)導(dǎo)出等操作。

Control Center數(shù)據(jù)分配及運算系統(tǒng)主要進行數(shù)據(jù)空三、DEM、DOM生產(chǎn)及超大像幅導(dǎo)出等操作。

2.2 Smart3D軟件

Smart3D軟件是法國Acute3D公司研發(fā)的一款革命性的制作實景影像三維模型的軟件系列。它可以通過簡單的照片生成具有高分辨率的真實三維模型。近乎于沒有任何限制的照片拍攝要求，并且數(shù)據(jù)處理的過程也具有高伸縮性和高效率，整個處理過程不需要人工干預(yù)。它基于高性能攝影測量、計算機視覺與計算幾何算法，在實用性、穩(wěn)定性、計算性能、互操作性方面，能夠滿足嚴苛的工業(yè)質(zhì)量要求，其關(guān)鍵優(yōu)勢是快速，簡單，全自動。

3 A3數(shù)字航攝儀獲取傾斜影像技術(shù)優(yōu)勢

3.1 掃擺范圍廣空三精度高

A3數(shù)字航攝儀超大相幅航空攝影，一次掃擺可覆蓋旁向2條～3條航線，同一地物可以在多張影像上出現(xiàn)，視角廣、冗余度高。利用A3自有的后處理算法可以解算每張像片高精度的影像外方位元素，這些高精度外方位元素可直接導(dǎo)入Smart3D中使用。

3.2 多角度航空攝影可節(jié)約飛行空域

A3數(shù)字航攝儀具有0°，45°，135°三種不同的安裝方式，具體安裝如圖2所示：

圖2 A3數(shù)字航攝儀安裝角度圖

0°：數(shù)字航攝儀主縱線與飛行方向一致，數(shù)字航攝儀鏡頭掃描方向與飛行方向垂直，飛行基線最短。

45°：數(shù)字航攝儀主縱線以飛行方向為軸，逆時針旋轉(zhuǎn)45°，數(shù)字航攝儀掃描方向與飛行方向夾角為135°。

135°：數(shù)字航攝儀主縱線以飛行方向為軸，逆時針旋轉(zhuǎn)135°，數(shù)字航攝儀掃描方向與飛行方向夾角為225°。

圖3 傳統(tǒng)數(shù)字航攝儀航線空域范圍圖 圖4 A3數(shù)字航攝儀航線空域范圍圖

圖3、圖4中紅色線區(qū)域為三維模型制作范圍，藍色線區(qū)域為航空攝影所需的空域范圍，綠色線為航線。圖3所示為普通交叉航線鋪設(shè)，需要申請交叉飛行空域，增加了空域申請范圍，并且狹長區(qū)域鋪設(shè)短邊時會增加航線條數(shù)，增加了飛機掉頭時長。圖4中可以看出，A3數(shù)字航攝儀可以沿同航線45°、135°兩角度安裝方式獲取4個方向的傾斜影像。由此可以看出，A3數(shù)字航空攝影系統(tǒng)在影像三維數(shù)據(jù)獲取方面既節(jié)省了空域，又提高了效率。

4 利用A3數(shù)字航攝儀獲取的Frame生產(chǎn)實景影像三維技術(shù)路線

4.1 原始數(shù)據(jù)下載、預(yù)處理

使用LightSpeed全自動地面數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)將數(shù)據(jù)下載，下載完畢后使用FlightViewer對照飛行日志進行數(shù)據(jù)檢查，檢查航線完整性及是否發(fā)生漏洞及云、煙遮蓋地物等問題。

使用Preprocess.exe工具對原始數(shù)據(jù)進行預(yù)處理。

圖5 利用A3數(shù)字航攝儀獲取的Frame生產(chǎn)實景影像三維技術(shù)路線圖

4.2 GPS數(shù)據(jù)解算及導(dǎo)入

按照載波相位測量差分GPS定位技術(shù)，采用高精度動態(tài)數(shù)據(jù)處理軟件(GrafNav)結(jié)合基站數(shù)據(jù)精密解算每一時刻的機載GPS天線相位中心WGS84坐標(biāo)。

在Dataviewer中使用ImportGPS工具進行導(dǎo)入，如圖6所示。

圖6 GPS數(shù)據(jù)導(dǎo)入

4.3 影像輻射精度校正

使用LightSpeed全自動地面數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中的DataViewer軟件對原始影像數(shù)據(jù)(Frame)進行輻射校正，如圖7所示。

圖7 影像輻射精度校正

4.4 數(shù)據(jù)整理及加密區(qū)域劃分

依據(jù)航空攝影影像數(shù)據(jù)情況及影像數(shù)據(jù)地理位置分布情況合理劃分測區(qū)，應(yīng)保證分區(qū)形狀規(guī)則，分區(qū)間旁向有兩條航線的重疊，航向有4個超大影像覆蓋，如圖8所示。

圖8 加密分區(qū)劃分

4.5 空中三角測量解算

在ControlCenter中創(chuàng)建空三計算任務(wù)，正確的設(shè)置相關(guān)參數(shù)，如圖9所示。

圖9 空三解算

4.6 區(qū)域網(wǎng)接邊

對區(qū)域網(wǎng)間的公共點進行較差，以檢驗區(qū)域網(wǎng)的接邊精度。

4.7 空三frame影像輸出

將空三加密后的Frame影像輸出，正確的設(shè)定輸出參數(shù)，如圖10所示。

圖10 Frame影像輸出

4.8 像片導(dǎo)入、像對配對及同名相點密集匹配

完成了航空攝影空中三角測量后，需要將帶有空三信息的Frame單片按照三維重建分區(qū)為一組導(dǎo)入到Smart3D軟件中，并進行像對配對及同名點密集匹配，像對配對是選擇有互相重疊關(guān)系的單片frame兩兩為一組建立立體像對，并且提取每個相對的關(guān)鍵點(key point)，最終完成表達同一地物的同名相點密集匹配，并建立三維點云，如圖11、圖12所示。

圖11 選擇空三方式

圖12選擇相片外方位元素引用方式

4.9 三維重建Tile分幅劃分

依據(jù)三維重建Tile分幅劃分規(guī)則劃將實景影像三維模型數(shù)據(jù)按tile分幅輸出。Tile的大小為400 m×400 m。

4.10 實景影像三維模型分區(qū)接邊

根據(jù)三維重建分區(qū)的位置及每個分區(qū)實際計算生成的Tile文件，獲取每個分區(qū)的Tile結(jié)合表，利用ArcMap疊加顯示，將每個分區(qū)外擴的那些Tile剔除；然后分析相鄰分區(qū)的重復(fù)Tile，按照保留中間剔除邊界的原則，剔除重復(fù)的Tile；對于最終的不含重復(fù)Tile的分區(qū)的三維模型，重新組織到一個或若干新區(qū)中。

5 天津市重點區(qū)域?qū)嵕坝跋袢S生產(chǎn)

天津市重點區(qū)域既有高大的樓房，又有低矮密集的磚房，地物豐富多樣，本文以天津市重點區(qū)域為例，介紹基于A3航攝儀Frame影像利用Smart3D軟件生產(chǎn)實景影像三維模型技術(shù)流程。

5.1 實景影像三維生產(chǎn)區(qū)域介紹

天津市實景影像三維生產(chǎn)區(qū)域包括：武清區(qū)中心城區(qū)、北辰區(qū)大部、市內(nèi)六區(qū)全部(紅橋區(qū)、河北區(qū)、和平區(qū)、河?xùn)|區(qū)、南開區(qū)、河西區(qū))、西青區(qū)中心城區(qū)、東麗區(qū)中心城區(qū)、津南區(qū)全部、中新生態(tài)城及濱海新區(qū)一部分。地面分辨率為8 cm，制作面積為3 000多km2。實景影像三維生產(chǎn)范圍如圖13紅色區(qū)域所示：

圖13 實景影像三維生產(chǎn)范圍圖

5.2 A3技術(shù)設(shè)計及航空攝影

設(shè)計分辨率為8 cm，設(shè)計的航向重疊度為60%，旁向重疊度為80%，A3航攝儀使用45°、135°角安裝，同航線飛行兩遍。攝區(qū)航線總長度 9 864 km，航線數(shù)量304條，航空攝影使用運12飛機，飛行速度 280 km/h，總共飛行10個架次。

5.3 實景影像三維生產(chǎn)

天津市重點區(qū)域?qū)嵕坝跋袢S生產(chǎn)全部采用Smart3D軟件，具體過程如下：

(1)空三加密，F(xiàn)rame導(dǎo)出。使用A3航攝儀專用的后處理軟件Lightspeed對飛行后的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)整理及加密區(qū)域劃分，然后在control center中計算空三，按區(qū)域?qū)С鰩в锌杖畔⒌腇rame影像。

(2)Frame導(dǎo)入，內(nèi)部空三。在Smart3D中新建工程，將Frame導(dǎo)入進工程中，開始計算Smart3D內(nèi)部空三，提取大量特征點，進行像對配對及同名點密集匹配，像對配對是選擇有互相重疊關(guān)系的單片frame兩兩為一組建立立體像對，并且提取每個相對的關(guān)鍵點(key point)，最終完成表達同一地物的同名相點密集匹配，并建立三維點云，如圖14所示。

圖14 三維點云圖

(3)構(gòu)Tin。根據(jù)生成的點云構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)，并生成白膜的三維模型，如圖15所示。

圖15 三維白膜圖

(4)紋理粘貼及實景影像三維模型輸出。自動計算選擇最佳角度紋理粘貼在白膜上，最終完成實景影像三維模型生產(chǎn)，如圖16、圖17所示。

圖16 三維模型圖

圖17 三維模型圖

5.4 實景影像三維效果和效率

生成的城市實景影像三維模型整體效果較好，模型色彩均衡，空間立體感強。A3獨特的掃擺方式可從多角度、多航線獲取同一地物不同視角的影像，最大限度獲取地物細節(jié)。基于A3航空攝影系統(tǒng)構(gòu)建的實景影像三維模型的建筑物根部立面細節(jié)部分，均能真實地構(gòu)建出來，并且解決了采集真實紋理困難、效率低下的難題。本次生產(chǎn)的Smart3D軟件共有4個節(jié)點，一天可生產(chǎn) 15 km2的實景影像三維數(shù)據(jù)，整個 3 000 km2耗時7個月，真正地實現(xiàn)了全自動快速三維實景城市的生產(chǎn)，如圖18～圖20所示。

圖18 實景影像三維建筑物底部視圖

圖19 實景影像三維建筑物側(cè)視圖

圖20 實景影像三維建筑物后視圖

6 總 結(jié)

本次利用A3航空攝影系統(tǒng)結(jié)合Smart3D軟件進行天津市重點區(qū)域?qū)嵕坝跋袢S生產(chǎn)從航空攝影到最終生成影像三維模型共耗時7個月，完成了 3 000多km2實景影像三維建模任務(wù)，航攝效率高、建模速度快，如此高分辨大范圍城市實景影像三維自動建模在全國絕無僅有。A3數(shù)字航攝儀以其獨特的掃擺方式，從多角度獲取建筑物影像，同一地物在幾十張像片上都有顯示，避免了三維建模時因城市建筑物密集及高大建筑物遮擋而造成的漏洞。A3數(shù)字航攝儀獲取的傾斜影像生成的三維模型整體色彩均衡，建筑物細節(jié)豐富，為數(shù)字城市建設(shè)快速順利的進行提供了有力保障。

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Fast 3D Model Production of Real Image Based on A3 Aerial Photography System and Smart3d Software

Zhang Xinxin，Wang Dong，Zhao Fengwu

(Tianjin Institute of Surveying and Mapping，Tianjin 300381，China)

In today's society，the rapid development of digital city construction needs more and more city real 3D modeling，A3 digital aerial camera with its unique advantages can give a great help to the 3D modeling. Taking the important area of Tianjin as an example，using advanced A3 digital aerial camera and Smart3D software，This paper describes the process from data acquisition to 3D modeling production in detail.

A3 digital aerial camera；Smart 3D；3D modeling

1672-8262(2017)01-76-06

P231

B

2016—10—28 作者簡介：張鑫鑫(1986—)，男，工程師，主要從事RS、三維城市模型數(shù)據(jù)加工與處理等技術(shù)工作。 基金項目：國家測繪地理信息局2014年度測繪地理信息公益性行業(yè)科研專項(201412012)