基于傾斜攝影數(shù)據(jù)的實景三維建模、修飾及應(yīng)用探討

葉燕萍，詹 瑩

（1.浙江華東測繪地理信息有限公司，浙江杭州，310014；2.浙江華東建設(shè)工程有限公司，浙江杭州，310014）

1 概述

傾斜攝影技術(shù)是國際測繪遙感領(lǐng)域近些年發(fā)展起來的一項高新技術(shù)，顛覆了以往正射影像只能從垂直角度拍攝的局限，通過在同一飛行平臺上搭載多臺傳感器，同時從垂直、4個傾斜等5個不同的角度采集影像[1]，利用實景三維建模及修飾軟件，通過區(qū)域整體平差、多視角影像密集匹配、三維TIN格網(wǎng)構(gòu)建、白體三維模型創(chuàng)建、自動紋理映射、幾何及紋理模型局部修飾等工序，快速建立高精度三維場景。

相對于傳統(tǒng)的正射影像及人工建模，傾斜攝影技術(shù)使用戶可以從多個角度觀察地物，三維場景更加真實地反映地物的實際情況[2]，且具有可量測性、真實性、高精度等一系列優(yōu)勢，將用戶引入符合人眼視覺的真實直觀世界。由于傾斜攝影實景三維場景為用戶提供了更豐富真實的地理信息，具有更加友好的用戶體驗，可廣泛應(yīng)用于應(yīng)急指揮、城市管理、房地產(chǎn)、國土資源管理、人口統(tǒng)計、災(zāi)害評估、環(huán)保監(jiān)測、實景導(dǎo)航、旅游規(guī)劃等領(lǐng)域。

筆者利用Bentley ContextCapture軟件進(jìn)行傾斜數(shù)據(jù)三維建模，利用Dp-Modeler模型修飾軟件對模型進(jìn)行后處理，并在某水電站壩肩危巖體地質(zhì)條件評估、移民拆遷安置規(guī)劃等方面進(jìn)行了應(yīng)用。

2 傾斜數(shù)據(jù)三維建模

傾斜攝影數(shù)據(jù)三維建模軟件眾多，如Bentley公司的ContextCapture、Skyline公司的PhotoMesh、Astrium公司的街景工廠等。目前，市面上應(yīng)用最廣的是ContextCapture軟件，是一款品質(zhì)穩(wěn)健、高性能、可擴(kuò)展、兼容性、可移植性強(qiáng)的全自動建模軟件。ContextCapture軟件支持多種數(shù)據(jù)源，兼容各種航攝相機(jī)系統(tǒng)（Pictometry、Midas、AMC、A3等），同時能夠輸出OBJ、OSGB、DAE、XML等通用兼容格式，且能方便自由地導(dǎo)入各種主流GIS平臺及三維編輯軟件[3]。ContextCapture軟件的技術(shù)流程如下所述。

2.1 數(shù)據(jù)加載

需要將數(shù)據(jù)放置在非中文路徑文件夾下，整理好POS文件并創(chuàng)建工程，目前有兩種方式來加載影像數(shù)據(jù)。

（1）手動加載。創(chuàng)建新的Block，選擇照片數(shù)據(jù)所在的路徑并錄入相機(jī)參數(shù)（相機(jī)類型、傳感器大小、焦距等）。

（2）通過EXCEL文件加載。EXCEL表模板可參考安裝目錄下BlockImportSample文件，根據(jù)具體的內(nèi)容進(jìn)行填寫，并將該文件導(dǎo)入到工程中。

2.2 空三加密

空三加密會對5個視角的影像進(jìn)行大量特征點計算提取，并將獲取的特征點采用多視角匹配同名點，反向解算出每張影像的空間位置及姿態(tài)角度，從而確定影像之間的關(guān)系[4]。空三加密完成后，可通過三維瀏覽器查看航帶的飛行情況、空三點的位置密度、每張影像的相對位置及影像覆蓋范圍方位角等相關(guān)信息，從而判斷空三加密點相對位置是否有漂移或者不正確?？杖c密度如圖1所示。

圖1 空三點密度圖Fig.1 Density of aerial triangulation

空三加密的質(zhì)量也可通過查看空三報告來判斷，各影像空三加密后的中誤差值需小于1個像素。若空三加密質(zhì)量差，必須重新進(jìn)行空三加密，多次空三加密未成功可刪除一些質(zhì)量較差、姿態(tài)較差的影像后再次嘗試。

2.3 加入控制點

空三加密后加入控制點，再次進(jìn)行空三加密?？刂泣c也可以在空三加密前加入Block，這樣就無需再次空三加密。選擇空三加密后加入控制點，是因為這種方式可以節(jié)省處理時間，并且通過空三加密得到的航帶信息可以更快地找到控制點在哪些影像上，從而減少了刺控制點的時間。

2.4 模型重建

利用空三加密點計算出不規(guī)則三角網(wǎng)TIN，生成三維模型的白模，再通過三維模型形狀位置從影像里面選擇最合適紋理進(jìn)行貼合，從而得到實景三維模型。為減少模型中的碎片，可將z值設(shè)置為貼近模型的最佳高程值。采用集群的方式可大幅度提高效率，為保證集群計算機(jī)都能利用起來，須對模型進(jìn)行分塊處理，分塊的大小以不超過每臺電腦內(nèi)存為限。模型輸出成果類型包括三維模型、點云、正射影像等，且其輸出格式豐富，包括通用的OSGB、OBJ、DAE、XML等，圖2為一傾斜三維模型。

圖2 某傾斜三維模型Fig.2 An oblique 3D model

3 三維模型修飾

傾斜攝影過程中可能存在遮擋、反光、運(yùn)動物體等，造成在三角網(wǎng)構(gòu)建過程中存在模型上的空洞、扭曲、碎片等情況，影響模型的可視化效果，如水面空洞或變形、路面不平整、存在碎片等，因而需要對存在缺陷的模型塊借助修飾軟件進(jìn)行修飾。三維模型修飾主要包括幾何修飾跟紋理修飾，目前市面上傾斜模型修飾軟件很多，有Bentley公司的Descartes、天際航的Dp-Modeler、Geomatic、3DMAX等軟件，文章以Dp-Modeler軟件為例。

3.1 水面修飾

在對河流、湖泊等水面區(qū)域進(jìn)行影像匹配時，受倒影、反射等情況的干擾，導(dǎo)致生成的模型出現(xiàn)高程異常，造成水面空洞、凹陷等情況。水面修飾前需要對異常水面圈定并刪除，通過判斷Tile輪廓的完整性來確定是否需要繪制面來將Tile輪廓補(bǔ)充完整，隨后進(jìn)行橋接、補(bǔ)洞、紋理映射的一系列操作。不同的Tile之間，需要將水面擬合到同一平面。若存在紋理不符合的情況，可將當(dāng)前視角的紋理外接PhotoShop軟件進(jìn)行修飾。水面修飾的流程如圖3所示。

圖3 水面修飾流程Fig.3 Modification process for water surface

通過水面修飾的步驟，將水面破洞、凹陷、凸起的地方進(jìn)行修飾，還原真實的水面情況，修飾前后的對比如圖4所示。

圖4 水面修飾前后對比Fig.4 Contrast before and after water surface modification

3.2 路面修飾

由于路面車輛、行人較多，而且都是運(yùn)動著的狀態(tài)，導(dǎo)致影像匹配時出現(xiàn)異常，造成車輛變形、路面凹凸不平，路面修飾通過選中異常范圍并擬合到同一平面，再將不符合的紋理部分外接PhotoShop軟件進(jìn)行修飾。路面修飾的流程如圖5所示。

圖5 路面修飾流程Fig.5 Modification process for road surface

通過路面修飾的步驟，將路面凹凸不平的地方進(jìn)行修飾，還原真實的路面情況，前后對比如圖6所示。

圖6 路面修飾前后對比Fig.6 Contrast before and after road surface modification

3.3 碎片刪除

由于影像質(zhì)量及各種原因會導(dǎo)致生成的模型在空中及地下存在碎片的情況，一般需要將這些多余的碎片進(jìn)行刪除。在保證GPU足夠大的情況下，最多可以加載99個Tile，通過前視圖的方式查看碎片，批量選中并刪除。對于一些細(xì)小的碎片，通過各視角觀察、選中并對其刪除。

4 三維模型應(yīng)用

實景三維產(chǎn)品以其三維模型還原度高、作業(yè)方式效率高而應(yīng)用于各個領(lǐng)域。目前，已將傾斜攝影測量技術(shù)應(yīng)用于多個項目，并且取得了良好的效果，文章以某水電站壩肩危巖體地質(zhì)條件評估及移民拆遷安置規(guī)劃兩個項目為例。

4.1 某水電站壩肩危巖體地質(zhì)條件評估

某水電站壩區(qū)兩岸地質(zhì)條件復(fù)雜，基巖裸露，邊坡高陡，危巖體分布量多面廣、穩(wěn)定性差，若地質(zhì)人員貿(mào)然進(jìn)行現(xiàn)場危巖體的勘探，容易發(fā)生危險。為精確獲取危巖體所在的范圍和體積，引入傾斜攝影測量技術(shù)，建立危巖體的精確三維模型，幫助地質(zhì)人員更好地進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害評估，圖7為危巖體范圍及體積的獲取。

圖7 危巖體范圍及體積的獲取Fig.7 Acquisition of area and volume of dangerous rock mass

4.2 某水電站移民拆遷安置規(guī)劃

水庫移民工作是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及大范圍的人口搬遷，實現(xiàn)各種資源在特定的地理空間上的重新配置[5]。目前，移民拆遷安置規(guī)劃工作中，主要還是以文字、圖片、表格及二維圖的形式對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄。在某水電站移民拆遷安置規(guī)劃中，引入傾斜攝影測量技術(shù)，工作人員可通過實景三維的方式更加生動直觀地了解現(xiàn)場情況，如拆遷房屋的信息查詢、拆遷安置狀態(tài)查看、拆遷效果模擬、拆遷安置數(shù)據(jù)統(tǒng)計匯總等，圖8為拆遷效果模擬及房屋屬性信息查看，圖9為拆遷安置數(shù)據(jù)統(tǒng)計匯總。

圖8 拆遷效果模擬及房屋屬性信息查看Fig.8 Remova effect simulation and house information viewing

圖9 拆遷安置數(shù)據(jù)統(tǒng)計匯總Fig.9 Summary of removal and resettlement data

（1）拆遷房屋的信息查詢。在三維模型上通過拆遷房屋的信息查詢，工作人員可詳細(xì)了解該房屋的戶主、結(jié)構(gòu)、面積、地域位置、建造年限等詳細(xì)情況。

（2）拆遷安置狀態(tài)專題。采用專題圖的形式來表示目前已拆遷房屋、未拆遷房屋、已移民安置、未移民安置的具體情況，可更加生動地展示拆遷安置狀態(tài)，工作人員無需面對枯燥的數(shù)據(jù)或文檔就能了解實際情況。

（3）拆遷效果模擬。在三維模型上繪制特定區(qū)域，將該區(qū)域內(nèi)的傾斜模型壓平，以模擬拆遷后的狀況，可提供多套方案的瀏覽、對比，輔助了解不同建設(shè)方案與當(dāng)前實景的匹配度。

（4）數(shù)據(jù)統(tǒng)計匯總。通過柱狀圖來表示已拆遷房屋數(shù)目及拆遷房屋總數(shù)、已安置數(shù)目及安置總數(shù)，可更加直觀地了解拆遷安置的進(jìn)度。

5 結(jié)語

近年來，傾斜攝影測量技術(shù)因其具有高效性、高真實性以及快速獲得海量空間數(shù)據(jù)的特點而得到了飛速發(fā)展。但是傾斜需要高重疊的影像才能進(jìn)行數(shù)據(jù)匹配，海量數(shù)據(jù)的處理對硬件條件提出了很高的要求，高精度的影像數(shù)據(jù)匹配方法以及去除冗余信息提高運(yùn)行效率又不影響模型的效果等方面的研究，是一個很好的方向。目前，雖然傾斜攝影測量成果已應(yīng)用于很多領(lǐng)域，但是應(yīng)用的深度和廣度還有待進(jìn)一步拓展。