李玉芳

（1.中煤航測(cè)遙感集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710054）

因其具有豐富的紋理信息和地圖的幾何屬性，數(shù)字正射影像圖（DOM）被廣泛應(yīng)用于城市建設(shè)規(guī)劃、國(guó)土資源調(diào)查等領(lǐng)域。然而，DOM存在建筑物傾斜、遮擋等問題，影響了其幾何精度和視覺效果。因此，不少學(xué)者致力于研究基于數(shù)字表面模型（DSM）或數(shù)字建筑模型（DBM），通過遮擋區(qū)域和陰影區(qū)的檢測(cè)與補(bǔ)償制作真正射影像圖（TDOM）的方法，從而解決傳統(tǒng)DOM存在的問題[1-2]。

目前，根據(jù)幾何糾正對(duì)遮擋檢測(cè)的依賴關(guān)系，TDOM制作方法可分為間接法和直接法兩大類：①間接法的關(guān)鍵在于遮擋檢測(cè)與遮擋補(bǔ)償，但逐相片遮擋檢測(cè)計(jì)算量大、復(fù)雜費(fèi)時(shí)，且依賴于檢測(cè)算法精度，遮擋補(bǔ)償需對(duì)不同成像角度鄰近影像上的可見區(qū)域紋理進(jìn)行挖補(bǔ)式紋理采樣，易造成影像紋理的不連貫，從而增加后期影像鑲嵌與勻光等輻射處理的難度；②直接法是基于多視影像的空三加密和密集匹配生成DSM，同時(shí)記錄地面點(diǎn)與影像點(diǎn)之間一對(duì)多的可視對(duì)應(yīng)關(guān)系，在幾何糾正中選取地面點(diǎn)對(duì)應(yīng)的最佳可見像素，避開了間接法中復(fù)雜的遮擋檢測(cè)和遮擋補(bǔ)償。因此，直接法被認(rèn)為是最有前途的處理方法，但仍存在以下問題：生成的DSM存在粗差，無法精確表達(dá)復(fù)雜建筑物、樹木、橋梁等物體的輪廓邊界信息，部分點(diǎn)云經(jīng)內(nèi)插后不能完全貼合地表，易導(dǎo)致地物邊緣模糊和局部失真。為了解決上述問題，本文利用立體模型下編輯的DSM對(duì)實(shí)景三維模型進(jìn)行重建，再通過垂直投影技術(shù)獲取高質(zhì)量的TDOM。

1 傾斜攝影制作TDOM的關(guān)鍵技術(shù)

1.1 多視影像密集匹配

多視影像密集匹配和聯(lián)合平差是目前傾斜攝影測(cè)量領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)，國(guó)內(nèi)諸多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究[3-6]。多視影像密集匹配的目的在于利用高精度高分辨率的DSM代替?zhèn)鹘y(tǒng)的DEM進(jìn)行幾何糾正，以改正中心成像造成的幾何形變與位移。它需要采用多角度傾斜攝影技術(shù)獲取高分辨率的影像，然后基于Photomesh、Street Factory和ContextCapture Center等專業(yè)傾斜攝影三維建模軟件，在多視影像聯(lián)合空三加密的基礎(chǔ)上進(jìn)行多視影像密集匹配，從而生成地物超高密度三維點(diǎn)云。

多視影像密集匹配生成的超高密度三維點(diǎn)云，其精度和效果受影像地面分辨率和重疊度影響較大，在傳統(tǒng)65%航向重疊度和30%旁向重疊度的配置下，建筑物遮蔽問題嚴(yán)重，增加了影像匹配的難度，難以保證各側(cè)面的紋理完整性[7]。本文將制作TDOM與DSM的影像重疊度提升至80%航向重疊度和75%旁向重疊度，可有效減少遮蔽；并通過較高的冗余度剔除匹配的粗差，提高了匹配DSM的精度。

1.2 遮擋檢測(cè)與紋理補(bǔ)償

遮蔽檢測(cè)與紋理補(bǔ)償[8-9]是TDOM制作的關(guān)鍵技術(shù)之一，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者進(jìn)行了大量研究，如Schickler W[10]等通過距離與相對(duì)方向來設(shè)置權(quán)值，利用最優(yōu)像素進(jìn)行像素補(bǔ)償；SHENG Y[11]和ZHOU G[12]等選擇投影差最小的像素來進(jìn)行補(bǔ)償；許彪[13]和鄧非[14]等以矢量面為單元進(jìn)行紋理填補(bǔ)。

隨著傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的快速發(fā)展，多角度傾斜航攝儀不僅能獲取測(cè)區(qū)的下視影像，還能獲取測(cè)區(qū)的側(cè)視影像。多尺度多視角的影像不僅為建筑物自動(dòng)紋理映射提供了豐富的紋理信息，也從不同角度獲取了地面的紋理信息，為TDOM制作中遮蔽區(qū)域紋理補(bǔ)償提供了更豐富的數(shù)據(jù)源。本文主要采用傾斜攝影三維重建技術(shù)制作TDOM，有效避免了間接法中復(fù)雜的遮擋檢測(cè)與遮擋補(bǔ)償。

1.3 DSM編輯

由于采用多視影像密集匹配技術(shù)生成，基于實(shí)景三維模型提取的DSM存在粗差，無法精確表達(dá)復(fù)雜建筑物、樹木、橋梁等物體的輪廓，需在立體環(huán)境下進(jìn)行人工編輯處理，主要包括對(duì)建筑物、橋梁等的邊緣線進(jìn)行增強(qiáng)處理，濾除植被、電桿、路燈、移動(dòng)物體（車、人）等，水面修飾。編輯后的DSM需通過不規(guī)則三角網(wǎng)來表達(dá)，以清晰描述建筑物等的輪廓邊緣信息。利用編輯后的高精度DSM對(duì)實(shí)景三維模型進(jìn)行重建，生成紋理一致且邊緣清晰的實(shí)景三維模型。

2 傾斜攝影制作TDOM的生產(chǎn)方案

2.1 技術(shù)流程

根據(jù)TDOM的產(chǎn)品特點(diǎn)和技術(shù)要求，本文設(shè)計(jì)的基于傾斜攝影三維重建技術(shù)的TDOM制作流程如圖1所示。

圖1 TDOM制作技術(shù)流程圖

2.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

本文選取西安市城區(qū)10 km2范圍作為TDOM制作的實(shí)驗(yàn)區(qū)，以直升機(jī)為飛行平臺(tái)，航攝儀采用SWDC-5，獲取的傾斜影像地面分辨率為0.05 m，航向重疊度約為80%，旁向重疊度約為75%。實(shí)驗(yàn)區(qū)地形主要為平丘地，大部分區(qū)域建筑高大且密集，共布設(shè)像控點(diǎn)39個(gè)、檢查點(diǎn)8個(gè)，分別用于TDOM制作和精度檢測(cè)。

2.3 生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)

傾斜攝影測(cè)量包括多角度傾斜航空攝影、像控測(cè)量以及多視影像聯(lián)合空三加密。與傳統(tǒng)航空攝影測(cè)量不同，傾斜攝影測(cè)量獲取的側(cè)視影像存在較大的變形和遮擋問題，為了提高DSM匹配的精度和效果，本文將像控點(diǎn)均布設(shè)于開闊的平坦地面上。

多視影像聯(lián)合空三加密和利用多視影像自動(dòng)構(gòu)建實(shí)景三維模型均采用Bentley公司的ContextCapture Center系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，具體流程為：①導(dǎo)入多視影像和對(duì)應(yīng)的定位定向數(shù)據(jù)，設(shè)置相機(jī)參數(shù)；②根據(jù)多視影像和定位定向數(shù)據(jù)情況，選取適合的參數(shù)進(jìn)行多視影像相對(duì)定向；③設(shè)置像控點(diǎn)坐標(biāo)系統(tǒng)，導(dǎo)入像控點(diǎn)，并將像控點(diǎn)逐一在多視影像上進(jìn)行量測(cè)，量測(cè)時(shí)需選取目標(biāo)明顯且清晰的影像；④像控點(diǎn)參與平差計(jì)算，解算得到多視影像的精確外方位元素，并消除多視影像的畸變差；⑤采用多視影像密集匹配技術(shù)生成地物超高密度三維點(diǎn)云；⑥基于三維點(diǎn)云構(gòu)建不同層次細(xì)節(jié)度的不規(guī)則三角網(wǎng)模型；⑦通過三角網(wǎng)優(yōu)化并簡(jiǎn)化，生成帶白模的三維模型；⑧通過紋理映射生成實(shí)景三維模型。

基于實(shí)景三維模型提取DSM采用Bentley公司的ContextCapture Center系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，需根據(jù)地形地物的復(fù)雜程度，設(shè)置適合的DSM抽稀比例。在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，ContextCapture Center軟件輸出的空三成果導(dǎo)入Inpho等專業(yè)的攝影測(cè)量軟件后存在明顯的視差問題，無法恢復(fù)立體模型，從而無法對(duì)DSM進(jìn)行立體編輯。因此，需在專業(yè)的攝影測(cè)量系統(tǒng)下對(duì)下視影像重新進(jìn)行空三處理，恢復(fù)立體模型，對(duì)建筑物、橋梁等的邊緣線進(jìn)行增強(qiáng)處理，濾除植被、電桿、路燈、移動(dòng)物體（車、人）等，修飾水面。利用編輯后的高精度DSM對(duì)實(shí)景三維模型進(jìn)行重建，生成紋理一致且邊緣清晰的實(shí)景三維模型，再利用垂直投影技術(shù)獲取高質(zhì)量的TDOM。

3 TDOM精度檢測(cè)與效果分析

3.1 TDOM精度檢測(cè)

本文利用野外檢查點(diǎn)對(duì)TDOM平面精度進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果如表1所示。

經(jīng)檢測(cè)，檢查點(diǎn)最大誤差為0.241 m，最小誤差為0.062 m，表明利用該方法制作的TDOM能滿足規(guī)范的精度要求。

另外，本文將TDOM的水平精度與數(shù)字線劃圖（DLG）進(jìn)行了套合對(duì)比，結(jié)果如圖2所示，可以看出，圖2a中紅圈標(biāo)記處因建筑物高大導(dǎo)致傾斜而與DLG不套合，而TDOM與DLG的套合情況良好，說明TDOM的幾何精度高，在某種意義上可替代DLG使用，但由于實(shí)際上部分建筑具有屋檐，因此TDOM中的建筑輪廓會(huì)稍大于DLG所測(cè)的實(shí)際輪廓。

表1 TDOM平面精度統(tǒng)計(jì)表

3.2 TDOM效果分析

傳統(tǒng)DOM與本文制作的TDOM對(duì)比如圖3所示，可以看出，紅圈標(biāo)記處因建筑物傾斜遮擋道路而造成道路紋理缺失，極大地影響了DOM的幾何精度和視覺效果；而在本文制作的TDOM中，建筑物傾斜、遮擋問題被有效消除，遮擋區(qū)域的紋理按真實(shí)情況得以補(bǔ)償，視覺效果良好。

本文具體實(shí)施過程中生成的TDOM對(duì)比圖如圖4所示，圖4a為采用自動(dòng)匹配未編輯處理的DSM進(jìn)行紋理映射，再經(jīng)過垂直投影獲取的TDOM，紅圈標(biāo)記處植被、車輛、建筑物邊緣均存在變形，影響了TDOM的視覺效果；圖4b為采用編輯處理的DSM對(duì)實(shí)景三維模型進(jìn)行重建后，再經(jīng)過垂直投影獲取的TDOM，植被、車輛視覺效果良好，建筑物邊緣輪廓清晰，紋理結(jié)構(gòu)完整一致。

圖3 DOM與TDOM效果對(duì)比

圖4 TDOM效果對(duì)比圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

1）采用本文技術(shù)路線生產(chǎn)的TDOM精度可滿足規(guī)范要求，與立體采集的DLG數(shù)據(jù)套合較好。

2）在本文生產(chǎn)TDOM的技術(shù)方案中，航攝影像重疊度起著至關(guān)重要的作用，高重疊度不僅可以增加多余觀測(cè)、降低點(diǎn)云匹配難度、提高成果精度，而且可為TDOM制作提供豐富的地面紋理。采用傾斜攝影技術(shù)制作TDOM時(shí)，航向重疊一般不小于80%，旁向重疊一般不小于70%，對(duì)于一些發(fā)達(dá)城市，建筑物高大且密集時(shí)，應(yīng)適當(dāng)增大航向和旁向重疊度。

3）密集匹配生成的DSM存在粗差，無法精確表達(dá)復(fù)雜建筑物、樹木、橋梁等物體的輪廓邊界信息，易導(dǎo)致樹木等拉花變形；而利用編輯后的DSM制作的TDOM建筑物邊緣輪廓清晰，紋理結(jié)構(gòu)完整一致。

4）垂直投影獲取TDOM時(shí)，建筑物邊緣處理不是很好，可先輸出高分辨率TDOM，再重采樣成TDOM所要求的分辨率，從而改善邊緣羽化效果，色彩過渡更自然。

5 結(jié) 語

本文提出了一種基于傾斜攝影三維重建技術(shù)的TDOM制作方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文方法可有效利用多視角的傾斜影像制作高質(zhì)量的TDOM，制作的TDOM可與地形圖完全吻合。在高重疊度和高分辨率下，利用編輯后的DSM進(jìn)行實(shí)景三維重建制作的TDOM，可大幅提高其精度和效果。本文為TDOM制作中遮蔽區(qū)域紋理補(bǔ)償提供了一種有效的解決方法，具有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。