張春敏，丁亞杰，徐 慶

(常州市測(cè)繪院，江蘇 常州 213003)

0 引 言

傾斜攝影技術(shù)于2010年首次引入國(guó)內(nèi)，它的出現(xiàn)給城市三維模型建設(shè)帶來(lái)了新的契機(jī)。傾斜攝影技術(shù)通過(guò)多臺(tái)傳感器從多個(gè)角度采集地面影像，突破了傳統(tǒng)航空影像從垂直角度拍攝的局限，快速、高效獲取豐富的數(shù)據(jù)信息，真實(shí)地反映地面的客觀情況，滿(mǎn)足人們對(duì)三維信息的需求[3]。所獲得的三維數(shù)據(jù)可真實(shí)反映地物的外觀、位置、高度等屬性，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)人工模型仿真度低的缺點(diǎn)。借助無(wú)人機(jī)等飛行載體可以快速采集影像數(shù)據(jù)，同時(shí)使用傾斜影像批量提取及自動(dòng)映射紋理方式，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的三維建模，大幅度降低城市三維建模成本。與其他傳統(tǒng)4D產(chǎn)品相比，由于其可實(shí)現(xiàn)側(cè)面拍攝方式，相對(duì)于傳統(tǒng)正射投影方式，能獲得更立體的地理和環(huán)境信息，因此在地物解譯、環(huán)境監(jiān)測(cè)和應(yīng)急響應(yīng)等方面具有不可替代的價(jià)值[5]。運(yùn)用傾斜攝影技術(shù)構(gòu)建實(shí)景三維模型也成為智慧城市的技術(shù)亮點(diǎn)[4]。

本文以?xún)A斜影像為數(shù)據(jù)源，將傾斜影像空三加密技術(shù)、多視影像密集匹配技術(shù)和紋理映射技術(shù)有機(jī)結(jié)合，在少量人工干預(yù)的情況下快速、自動(dòng)實(shí)現(xiàn)城市三維模型的構(gòu)建[7]。

1 基本思路

首先，將獲取的影像進(jìn)行空中三角量測(cè)并獲得高精度的外方位元素；其次，應(yīng)用經(jīng)過(guò)畸變校正后的多視影像和高精度的內(nèi)外方位元素，創(chuàng)建立體像對(duì)，采用多基元、多視影像密集匹配技術(shù)，構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)，經(jīng)過(guò)三角網(wǎng)的優(yōu)化和簡(jiǎn)化，生成三維模型[10]；然后，為建筑物幾何模型中的每個(gè)墻面從傾斜影像中選擇質(zhì)量最好、受遮擋影響最小的影像作為紋理圖像源，確定最小裁切矩形，利用物方房角點(diǎn)與相應(yīng)像方房角點(diǎn)之間的透視變換關(guān)系確定每個(gè)房角點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的紋理坐標(biāo)，借助反解法，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)紋理糾正；接著，基于多邊形三角剖分思想，實(shí)現(xiàn)其他景觀的構(gòu)建以及地塊模型與建筑模型的匹配；最后，將城市三維模型輸出進(jìn)行驗(yàn)證。擬采取的技術(shù)路線(xiàn)如圖1所示。

圖1 技術(shù)路線(xiàn)圖

2 研究?jī)?nèi)容

傾斜攝影建模的具體內(nèi)容包括：傾斜影像的空中三角量測(cè)；根據(jù)獲得的內(nèi)外方位元素，構(gòu)建三角網(wǎng)，得到白模的城市三維模型；從傾斜影像中篩選出符合要求的影像，提取每個(gè)面的最佳紋理信息，實(shí)現(xiàn)紋理的自動(dòng)映射；最后基于多邊形三角剖分思想進(jìn)行城市景觀的三維建模和匹配。

2.1 傾斜影像的空中三角測(cè)量

空三處理使用的是SVS近景/低空攝影測(cè)量軟件，可以在有地面控制點(diǎn)或無(wú)地面控制點(diǎn)的情況下實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)快速空中三角測(cè)量[6]?？杖^(guò)程中加入自檢校光束法平差，相當(dāng)于在平差過(guò)程中使用攝影測(cè)量的方法再次進(jìn)行標(biāo)定，提高了匹配點(diǎn)的質(zhì)量和精度[8]。

2.2 建筑物幾何模型建立

要建立建筑物三維模型，需要獲取建筑物幾何信息和提取建筑物表面的真實(shí)紋理并貼圖。建筑物幾何模型包括建筑物的空間位置及建筑物各部分三維信息[3]。主要獲取方法是基于傾斜影像和空三優(yōu)化后的高精度外方位元素獲取的。

應(yīng)用經(jīng)過(guò)畸變校正后的多視影像，給出三維空間復(fù)雜物體的全方位信息，避免雙目視覺(jué)存在的攝影遮擋、攝影死角問(wèn)題?？杖馑愫蟮玫酵夥轿辉?，創(chuàng)建立體像對(duì)，采用多基元、多視影像密集匹配技術(shù)，構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)。通過(guò)對(duì)三角網(wǎng)的整飾，將內(nèi)部三角的尺寸調(diào)整至與原始影像分辨相匹配的比例，分析連續(xù)變化曲面，對(duì)相對(duì)平坦地區(qū)的三角網(wǎng)進(jìn)行簡(jiǎn)化，降低數(shù)據(jù)冗余，生成白膜的城市三維模型[7]。

2.3 建筑物紋理的自動(dòng)獲取與映射

真實(shí)的紋理是重建建筑物精細(xì)三維模型所必備的。傾斜攝影所獲取的高分辨率影像，除含有建筑物的幾何信息外，還有大量的建筑物屋頂和側(cè)面紋理信息[2]。本文基于傾斜影像和3ds max的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行建筑物紋理的自動(dòng)提取。

該方法主要包括以下幾個(gè)方面：① 紋理最優(yōu)選擇，選擇質(zhì)量最好、受遮擋影響最小的影像作為紋理圖像源；② 紋理自動(dòng)裁切，找到最佳紋理信息，確定該面各點(diǎn)反投到影像上的影像坐標(biāo)，確定最小裁切矩形；③ 紋理自動(dòng)糾正，利用物方房角點(diǎn)與相應(yīng)像方房角點(diǎn)之間的透視變換關(guān)系確定每個(gè)房角點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的紋理坐標(biāo)，借助反解法，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)紋理糾正[1]。但在紋理自動(dòng)映射中，難免有可能會(huì)存在個(gè)別模型的立面紋理映射出現(xiàn)偏差的情況，這時(shí)就需要借助適當(dāng)?shù)娜斯じ深A(yù)，對(duì)紋理信息進(jìn)行糾正。

2.4 城市其他三維模型構(gòu)建

城市三維模型包括的對(duì)象十分廣泛和多樣化，除了建筑物以外，還包括道路、水系、樹(shù)木等。在實(shí)際三維場(chǎng)景的構(gòu)建中，由于種種原因可能出現(xiàn)地物沒(méi)有與地形相匹配，造成諸如地物飄在空中或陷入地下的情景。通常地物、地形模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和組織方式有很大差別(如通過(guò)不同的建模軟件生成的)，另外地形是起伏的，而地物的基準(zhǔn)面是水平的，很可能出現(xiàn)地物所覆蓋的區(qū)域橫跨在2個(gè)或多個(gè)高度不同的地形三角形面片上等[9]。本課題基于多邊形三角剖分思想，實(shí)現(xiàn)其他景觀的構(gòu)建以及地塊模型與建筑模型的匹配。

3 研究成果

利用傾斜航攝系統(tǒng)，搭載在大鵬CW-30垂直起降固定翼無(wú)人機(jī)上，對(duì)溧陽(yáng)城南約16 km2范圍進(jìn)行了傾斜攝影(GSD=0.05 m)，共計(jì)獲取影像數(shù)量5546 張x5 鏡頭=27 730張，完成了三維實(shí)景模型制作，并在三維實(shí)景模型基礎(chǔ)上進(jìn)行模型單體化，從而達(dá)到后期三維gis應(yīng)用?？杖馑闩c建模采用的是Smart3D軟件，分為3個(gè)測(cè)區(qū)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，生成實(shí)景三維模型效果(圖2)。

圖2 溧陽(yáng)城南測(cè)區(qū)三維實(shí)景模型圖

基于3ds Max平臺(tái)開(kāi)發(fā)半自動(dòng)單體建模軟件，通過(guò)航測(cè)立體模型和三維實(shí)景模型進(jìn)行建筑模型的單體化幾何量測(cè)，紋理在模型量測(cè)完成后自動(dòng)映射。引入所有攝影測(cè)量空三軟件的空三成果，在立體環(huán)境下以航測(cè)法“3D測(cè)圖”的方式進(jìn)行建筑物的半自動(dòng)快速單體建模(圖3)；也可同時(shí)引入osgb格式的三維實(shí)景模型，直接在實(shí)景模型上進(jìn)行單體化量測(cè)，最終可以快速、半自動(dòng)地實(shí)現(xiàn)城市三維模型的構(gòu)建(圖4)。

圖3 航測(cè)法半自動(dòng)快速單體建模

圖4 城市三維模型構(gòu)建

4 結(jié) 語(yǔ)

本文構(gòu)建了利用傾斜影像進(jìn)行建筑物快速三維建模平臺(tái)——3ds Max插件。該平臺(tái)能夠生成實(shí)時(shí)核線(xiàn)影像，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行建筑物的建模和紋理自動(dòng)映射。以常州市地區(qū)的傾斜影像為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行建筑的幾何建模，實(shí)驗(yàn)通過(guò)本文的建模新方法，構(gòu)建了一個(gè)街區(qū)，其效率與傳統(tǒng)建模流程相比，有明顯提升，在真實(shí)感上也有顯著的提高。同時(shí)采用 3ds Max的插件開(kāi)發(fā)技術(shù)，方便了傳統(tǒng)作業(yè)人員的使用，易于在實(shí)踐生產(chǎn)中推廣，具有較好的應(yīng)用前景。

基于傾斜攝影技術(shù)的城市三維快速建模方法，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)集三維建模、紋理自動(dòng)獲取、紋理映射等功能于一身的高效率數(shù)字城市建模平臺(tái)，該方法在效率上大大優(yōu)于傳統(tǒng)的手工“貼”紋理方式，具有較好的實(shí)用價(jià)值，為城市的三維模型快速構(gòu)建奠定了技術(shù)基礎(chǔ)，對(duì)測(cè)繪生產(chǎn)單位規(guī)?；a(chǎn)具有一定的參考價(jià)值，同時(shí)也為輔助規(guī)劃編制、管理、決策等提供了科學(xué)、高效的手段。