基于WorldView-3衛(wèi)星多視角數(shù)據(jù)的三維實景建模技術(shù)研究

祝曉坤

(北京市測繪設(shè)計研究院，北京 100038)

基于WorldView-3衛(wèi)星多視角數(shù)據(jù)的三維實景建模技術(shù)研究

祝曉坤*

(北京市測繪設(shè)計研究院，北京 100038)

目前亞米級立體衛(wèi)星影像因其不受空域限制且重訪周期短，已逐步成為航空攝影的有益補充，用于滿足城市大比例尺地形圖更新測繪的需要。而隨著航空傾斜攝影測量技術(shù)在三維實景建模中的廣泛應(yīng)用，衛(wèi)星影像平臺的發(fā)展也讓高分辨率衛(wèi)星大傾角數(shù)據(jù)進入到我們的視野，研究基于高分辨率、多視角的立體衛(wèi)星影像在三維實景建模應(yīng)用的原理和方法具有實際意義。本文首次定制獲取了三景不同傾角的WorldView-3衛(wèi)星數(shù)據(jù)，其中兩景是常規(guī)小傾角 0.31 m多光譜立體影像一景是大于45°的 0.5 m大傾角、多光譜衛(wèi)星影像。本文對其三維實景建模的工藝和關(guān)鍵技術(shù)包括對基于衛(wèi)星影像的紋理提取和自動映射技術(shù)、不同地物的采集方法進行了探討，并提出星載高分立體多視角影像在三維建模方面的優(yōu)劣勢。

傾斜攝影測量；WorldView-3；三維實景建模；多視角；衛(wèi)星影像

1 引 言

傾斜攝影測量是在同一飛行平臺上搭載多角度航攝儀，同時從垂直、傾斜等不同的角度采集影像的技術(shù)，它可以獲取地面物體更為完整準(zhǔn)確的信息[1]。航空傾斜攝影的出現(xiàn)帶來了技術(shù)的革新，早在2008年第21屆國際攝影測量與遙感大會和2011年第53屆德國攝影測量周，傾斜攝影技術(shù)都是大會討論的關(guān)鍵議題，引起廣大學(xué)者的濃厚興趣。與傳統(tǒng)航空攝影獲得的垂直拍攝影像不同，傾斜攝影能夠獲取多個視角的影像，從而使得采集側(cè)面信息成為可能；此外因具有較高的分辨率和較大的視場角，可以獲取同一地物高分辨率紋理影像和高精度幾何信息，并部分解決了單一角度地物遮擋問題[2]?？梢哉f，傾斜攝影為三維建模提供了現(xiàn)勢性高、真實性強的紋理和幾何信息，成為當(dāng)今快速三維建模的一個研究熱點，其搭載平臺也從大飛機，到直升機和無人機，靈活多變。

由于航空飛行的性價比低，我們很早從航空測圖轉(zhuǎn)向航天測圖，那么利用衛(wèi)星立體影像數(shù)據(jù)可以滿足三維建模的需要嗎？目前亞米級高分辨率衛(wèi)星影像使得航天大比例尺測圖成為可能[3]，分辨率高達 0.3 m～0.5 m的WorldView系列衛(wèi)星相繼投入使用，尤其是在WorldView-3、WorldView-4發(fā)射后，使高分辨率衛(wèi)星從單星測圖向更高效實時的星座測圖方向邁進， 0.41 m的全色GeoEye-1經(jīng)過試驗驗證可以滿足 1∶2 000修測要求[4]，那么 0.31 m多光譜WorldView-3和WorldView-4將有可能達到 1∶2 000的測圖精度和立體采集要求，這使得航天測圖在取代航空測圖方面又博得一票，那么在幾何精度保證的基礎(chǔ)上，紋理獲取是否可以滿足呢？

圖1 WorldView-3拍攝美國拉斯維加斯市(側(cè)擺角為63.7°)[DigitalGlobal公司版權(quán)]

由于WorldView系列衛(wèi)星攜帶了“控制力矩陀螺”，可以旋轉(zhuǎn)拍攝，側(cè)擺角課題達到近70°，從而實現(xiàn)大面積采集功能，側(cè)擺角的靈活設(shè)置使得衛(wèi)星也具有類似航空傾斜攝影的功能。如圖1是利用WorldView-3拍攝美國拉斯維加斯市，拍攝時衛(wèi)星指向地面的位置離此地往東 1 700 km處，側(cè)擺角為63.7°，這一功能也使得基于遙感亞米級高分辨率衛(wèi)星多視角數(shù)據(jù)開展三維建模成為可能，一方面可以通過密集匹配構(gòu)建mesh三維模型，一方面可以通過立體采集和紋理貼圖制作三維實景模型。前者可以通過Smart3D等軟件實現(xiàn)，后者目前還沒有形成有效的工藝，本文定制獲取了3個角度的WorldView-3北京市石景山實驗區(qū)的數(shù)據(jù)，探討了基于該數(shù)據(jù)進行三維實景建模的工藝和主要關(guān)鍵技術(shù)。

2 實驗數(shù)據(jù)采集

為了開展上述研究工作，定制獲取了北京市石景山和門頭溝交接處 100 km2的3個側(cè)視角度的WorldView-3影像數(shù)據(jù)(如表1所示)。實驗區(qū)具體位置和影像如圖2(包括局部影像放大效果)：

實驗數(shù)據(jù)情況列表 表1

圖2實驗區(qū)數(shù)據(jù)分布位置和融合影像

3 基于WorldView-3多視角數(shù)據(jù)三維建模流程和關(guān)鍵技術(shù)

3.1技術(shù)流程

為了開展多視角數(shù)據(jù)三維建模，首先對原始數(shù)據(jù)進行融合、勻色等預(yù)處理；然后通過空三平差，進行相對定向(連接點匹配)、像控點量測和平差，生成滿足 1∶5 000大比例尺測圖精度要求的兩組高分辨率影像空三定向結(jié)果；利用定向模型，開展建筑物、道路、水、陡坎的矢量采集，地形采用SGM像素級密集點云匹配，制作高精度的數(shù)字地表模型(DSM)，通過濾波和插值得到高精度數(shù)字高程模型(DEM)，并在3ds Max下實現(xiàn)三維模型構(gòu)建和編輯。利用三組影像空三定向結(jié)果，根據(jù)采集的矢量數(shù)據(jù)，自動提取建筑物頂面和側(cè)面紋理，并實現(xiàn)紋理的自動貼圖。具體技術(shù)路線如圖3所示：

圖3基于WorldView-3多視角數(shù)據(jù)三維建模技術(shù)流程

3.2關(guān)鍵技術(shù)

主要的關(guān)鍵技術(shù)包括以下三方面：

(1)預(yù)處理

①影像融合：采用Pan Sharpen融合模型將 0.31 m全色和 1.44 m8波段多光譜的WorldView-3三組影像數(shù)據(jù)進行融合。

②輻射校正和直方圖匹配：為了保證三組融合影像效果的一致性，以第一組影像為主影像，進行了輻射校正和直方圖匹配，并進行16 bit到8 bit的位深轉(zhuǎn)換。

(2)定向和平差

①自動連接點匹配：由于影像傾角不一致，分辨率不一致，采用了SIFT匹配的方式進行了自動連接點匹配。為了保證連接點匹配數(shù)量，通過影像間同名點距離量取設(shè)置搜索半徑，注意大傾角影像同小傾角影像間距離最大，本次實驗數(shù)據(jù)設(shè)置為200像素，匹配連接點(連接點如圖4圓圈)點數(shù)在航帶間設(shè)置為100個。根據(jù)平差結(jié)果進行連接點編輯。保證相對定向精度。

圖4三組影像定向點和連接點的分布圖

②影像控制點量測：采用歷年影像控制點庫中控制點數(shù)據(jù)，共7個控制點(圖4中三角形)，依據(jù)點之記進行刺點，分別對小傾角兩組影像和三組影像進行平差，前者經(jīng)過定向點和檢查點誤差統(tǒng)計，滿足 1∶2 000空三定向要求，后者滿足 1∶5 000空三定向要求。三組定向點和連接點分布如圖4所示：

(3)三維建模

①像素級密集匹配：采用SGM像素級密集匹配，生成 0.5 m的DSM，由于視角少，高樓去由于陰影和遮擋的影響，生成的DSM部分地區(qū)有錯誤，采用自動濾波和人工編輯，生成高精度DEM，作為三維模型的地形層，局部地區(qū)的DSM和DEM如圖5所示。

圖5 DSM和DEM結(jié)果

②定向矢量線采集。

a.建筑物矢量線采集。包括平頂、坡頂、人字形頂、樓頂、尖頂、弧頂房屋的采集，主要以樓頂面的方式采集矢量，樓頂女兒墻盡量采集，地面以編輯后的DEM為主，將建筑頂面拉至地面生成建筑物模型。采集矢量和房屋如圖6所示：

圖6采集矢量和人字形頂房屋立體采集模型

b.道路和水涯線采集。道路兩邊線對應(yīng)的高度一致，并采集步行道邊線和隔離帶邊線，以區(qū)分車道、步行道、綠化帶。水涯線的采集是為了確定位置和高度。如圖7所示：

圖7道路和水的矢量采集

c.陡坡和泊岸邊線采集。帶護坡的道路要采集坡腳線，地形的斜坡線、泊岸、坡腳線方便定位和后期制作模型。在實驗過程中考慮到影像的識別和模型的精細(xì)程度，只采集道路和水周邊人工綠化或者硬化的斜坡，尤其是 1.5 m以上的斜坡和泊岸并采集坡腳線。如圖8所示：

圖8道路邊坡采集

d.獨立地物采集。采集路燈、電線桿、旗桿、加油站、路牌、信號燈、樹木定位點，其中路燈、電線桿、旗桿、路牌、信號頂采集上下兩個點，確定高度和位置。如圖9所示：

圖9 電線桿采集

③影像紋理自動提取和映射

目前還沒有針對衛(wèi)星影像的紋理自動提取和映射的軟件，衛(wèi)星成像通常是有理函數(shù)模型(RFM)來模擬嚴(yán)格成像模型的，對于WorldView-3，.RPB文件即為其RFM(RPC)參數(shù)，其物方和像方坐標(biāo)關(guān)系如式(1)所示，

(1)

其中，(x，y)和(B，L，H)分別是像方、物方正則化坐標(biāo)值，F(xiàn)x、Gx、Fy、Gy為有理函數(shù)，最高三次。通過連接點和控制點優(yōu)化后的參數(shù)是通過像方仿射變換精化的結(jié)果，具體為以下6個參數(shù)(a0，b0，c0，a1，b1，c1)：

xnew=a0+b0x+c0y

ynew=a1+b1x+c1y

(2)

因此，通過上述原始的RFM(RPC)參數(shù)和仿射變換的6個參數(shù)，根據(jù)采集的矢量線劃和DEM，自動計算每張像片各面紋理范圍的像素坐標(biāo)，提取每張像片的頂面紋理和側(cè)面紋理，按照面積最優(yōu)的紋理映射方法[5，6]，選取最優(yōu)紋理影像，并按照模型連接關(guān)系命名，如圖10所示。由于只有三景衛(wèi)片，根據(jù)每個建筑物模型平均提取5個～10個面，根據(jù)紋理節(jié)點數(shù)和建筑物復(fù)雜程度，開發(fā)的程序每分鐘可以提取30個～50個建筑物不等。

圖10 模型紋理自動提取和映射

④三維模型編輯

對不滿足要求的地形進行精細(xì)化處理、去重面處理、紋理遮擋貼圖編輯等。從而生成滿足要求的三維模型。該模型具有 1∶5 000的可量測精度和真實的紋理信息。圖11是對小區(qū)建筑物模型編輯后的結(jié)果。

圖11 多視角衛(wèi)星影像三維模型成果

4 結(jié) 語

隨著高分辨率衛(wèi)星星座模式、重訪周期的加快以及不受飛行空域限制的優(yōu)勢，衛(wèi)星獲取數(shù)據(jù)相比航空攝影更加靈活便捷，有利于應(yīng)急響應(yīng)和快速監(jiān)測。除了衛(wèi)星影像分辨率不斷提高，衛(wèi)星姿態(tài)角隨著傳感器平臺的發(fā)展可以像側(cè)視雷達一樣獲取航天“傾斜”影像，利用這些影像，我們可以制作并獲取類似傾斜攝影測量一樣的三維實景產(chǎn)品，本文嘗試定制采用多視角高分辨率衛(wèi)星影像開展該項研究工作，在全國屬于首次。但在實驗中，發(fā)現(xiàn)還存在以下問題：

(1)衛(wèi)星由于飛行高度遠大于航空飛行高度，而且影像側(cè)面紋理的分辨率為 0.5 m，遠小于傾斜攝影測量的紋理分辨率，因此三維模型的效果不佳，尤其是低矮房屋，其側(cè)面紋理基本無法識別，需要紋理庫的紋理進行補充；

(2)在利用立體航片進行DSM像素級密集匹配中，航空影像由于相片多，建筑物周邊的信息充足，不會出現(xiàn)漏洞和錯匹配情況，而本次實驗中，僅采用了三景衛(wèi)星影像密集匹配的DSM結(jié)果高層建筑物周邊漏洞多，需要采用鄰近等方法進行漏洞內(nèi)插，并進行人工編輯?？梢灶A(yù)見，更多傾角的衛(wèi)星影像將有效得以補該缺陷。

[1] 王慶棟. 新型傾斜航空攝影技術(shù)在城市建模中的應(yīng)用研究[D]. 蘭州：蘭州交通大學(xué)，2013.

[2] 楊國東，王民水. 傾斜攝影測量技術(shù)應(yīng)用及展望[J]. 測繪與空間地理信息，2016(1)：13～15，18.

[3] 祝曉坤，左琛，劉曉琳等. 米級/亞米級衛(wèi)星遙感影像大比例尺立體測圖試驗研究[J]. 測繪與空間地理信息，2016，39(3)：28～31.

[4] 虞欣，賈光軍，陳倬. 基于有理函數(shù)和像方仿射變換組合模型的高分辨率衛(wèi)星影像區(qū)域網(wǎng)平差[J]. 測繪通報，2010，10：1～16.

[5] 詹總謙，李一揮，桂鑫源. 傾斜攝影測量與SketchUp二次開發(fā)技術(shù)相結(jié)合的建筑三維重建[J]. 測繪通報，2017，5：71～74.

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Studyonthe3DModelingTechnologyBasedonMulti-viewWorldView-3SatelliteData

Zhu Xiaokun

(Beijing Institute of Surveying and Mapping，Beijing 100038，China)

The stereo satellite submeter images with periodic revisit cycle，,not limited by the airspace，,has gradually become a useful supplement for aerial photography to meet the need of updating urban large-scale topographic map. With the wide application of aerial oblique photogrammetry technology in 3D modeling，,the development of satellite image platform makes it possible to supply high resolution spaceborne oblique data acquired with large pitch angle lens. It is of practical significance to study the principles and methods of 3D modeling based on high resolution and multi-view stereo satellite images. In this paper，,three sets of WorldView-3 satellite data with different viewing angles were specially ordered. There are a pair of conventional steep angle multispectral stereo images with pixel size of 0.31m and one large-angle，,greater than 45 degrees，,multi spectral satellite image with resolution of 0.5m. The process and technologies of 3D modeling with the testing data were discussed，,including texture extraction and automatic mapping work flow，,and the acquisition methods for different ground objects. The advantages and disadvantages of spaceborne high resolution stereo multi-view images in 3D modeling were concluded.

oblique photogrammetry；WorldView-3；3D modelling；multi-view satellite images

1672-8262(2017)05-6-06

P236

A

2017—07—24

祝曉坤(1981—)，女，高級工程師，研究方向攝影測量與遙感。

2017年度國家測繪地理信息局青年學(xué)術(shù)和技術(shù)帶頭人科研計劃課題。

本論文獲得2017年“華正杯”城市勘測優(yōu)秀論文一等獎。