基于傾斜攝影技術(shù)的壽縣古城三維重建及瀏覽應(yīng)用

鄭旺

摘要：為滿足壽縣古城旅游宣傳和保護(hù)的需求，對(duì)壽縣古城進(jìn)行了精細(xì)化三維建模，此次針對(duì)壽縣古城研究，利用傾斜攝影方法，采集了壽縣古城的空間坐標(biāo)信息與表面紋理信息，通過基于計(jì)算機(jī)視覺和計(jì)算機(jī)圖形的三維重建技術(shù)，獲得了基于地理信息的數(shù)字化三維模型，通過對(duì)壽縣古城實(shí)景三維模型建立，達(dá)到了對(duì)壽縣古城信息記錄、保護(hù)與展示利用目的。同時(shí)也可以為壽縣旅游宣傳及智慧旅游提供實(shí)景三維數(shù)據(jù)支撐。

Abstract： In order to meet the needs of tourism publicity and protection of the ancient city of Shouxian， a refined 3D model of the ancient city of Shouxian was built. Aiming at the research of the ancient city of Shouxian， the spatial coordinate information and surface texture information of the ancient city of Shouxian were collected by means of tilt photography. Through the 3D reconstruction technology based on computer vision and computer graphics， a digital 3D model based on geographic information was obtained. Through the establishment of the three-dimensional model of Shouxian ancient city， the purpose of information recording， protection and display of Shouxian ancient city is achieved. At the same time， it can also provide real 3D data support for Shouxian tourism publicity and smart tourism.

關(guān)鍵詞：傾斜攝影;三維重建;壽縣古城;旅游

Key words： oblique photography;3D reconstruction;ancient city of Shouxian;travel

中圖分類號(hào)：TP391.41? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2020）32-0163-02

0? 引言

壽縣古城位于安徽省淮南市。在實(shí)現(xiàn)壽縣古城傳統(tǒng)宣傳及智慧旅游所有功能的同時(shí)，通過對(duì)壽縣古城實(shí)景三維模型的建立，進(jìn)一步提升游客體驗(yàn)，從而為壽縣旅游宣傳及智慧旅游提供實(shí)景三維數(shù)據(jù)支撐。

1? 傾斜攝影技術(shù)簡(jiǎn)介

傾斜攝影測(cè)量技術(shù)是通過在同一飛行平臺(tái)上搭載多臺(tái)傳感器，可同時(shí)從不同角度對(duì)地面物體進(jìn)行影像數(shù)據(jù)獲取。通過三維重建技術(shù)，精確還原影像獲取時(shí)刻地物的三維實(shí)景模型，受到各單位廣泛歡迎和大量應(yīng)用。大概流程為：首先，對(duì)攝區(qū)進(jìn)行實(shí)地勘查，完成航線設(shè)計(jì)之后，進(jìn)行無人機(jī)低空傾斜攝影;控制點(diǎn)采集，用于模型糾正;再用自動(dòng)建模軟件進(jìn)行空中三角測(cè)量與模型重構(gòu)，生成三維實(shí)景模型;對(duì)不同航攝分區(qū)的三維實(shí)景模型進(jìn)行拼接，完成整個(gè)項(xiàng)目的三維模型連接;最后整理成果并提交。無人機(jī)數(shù)據(jù)采集與處理流程如圖1所示。

2? 壽縣古城三維建模

本文的主要技術(shù)點(diǎn)為利用大疆M600Pro飛行器、雙相機(jī)搖擺式傾斜攝影相機(jī)以及重建大師等軟件實(shí)現(xiàn)面向工程測(cè)量以及基于傾斜影像自動(dòng)構(gòu)建三維實(shí)景模型。相比于傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集方法，無人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)具有體積小、重量輕、快速獲取影像、飛行條件需求較低、成本低廉等特點(diǎn)。而采用傾斜攝影測(cè)量技術(shù)可以更全面的獲取城區(qū)內(nèi)建筑物、道路、水系、綠化、交通及其附屬設(shè)施等高精度的原始影像數(shù)據(jù)。無人機(jī)數(shù)據(jù)采集與處理流程大致分為航測(cè)準(zhǔn)備工作、數(shù)據(jù)采集、地面控制點(diǎn)測(cè)量、數(shù)據(jù)自動(dòng)三維重建等步驟：

2.1 航測(cè)準(zhǔn)備工作? ①航測(cè)作業(yè)開始前需要對(duì)測(cè)區(qū)進(jìn)行踏勘，收集已有的地圖、控制點(diǎn)信息等測(cè)繪資料;②結(jié)合踏勘情況，設(shè)計(jì)無人機(jī)航線規(guī)劃以及行高、飛行速度、重疊度等參數(shù);③對(duì)相機(jī)焦距和無人機(jī)性能進(jìn)行調(diào)試。

2.2 數(shù)據(jù)采集? 利用地面站軟件“GSPRO”設(shè)計(jì)航線并實(shí)時(shí)監(jiān)控飛行情況。通過航線規(guī)劃系統(tǒng)，能夠保證數(shù)據(jù)的重疊圖，數(shù)據(jù)的分辨率和范圍，從而保證采集數(shù)據(jù)的有效性。

本次建模飛行平臺(tái)配置了大疆M600pro旋翼無人機(jī)，傳感器采用了雙魚雙鏡頭傾斜相機(jī)。雙魚傾斜相機(jī)的雙相機(jī)搖擺工作模式，能夠大大減輕重量，提高續(xù)航時(shí)間，從而提高數(shù)據(jù)采集的效率。根據(jù)地面分辨率5cm以內(nèi)、平面高程精度較高的要求，綜合研究后采用像片重疊度航向?yàn)?0%，旁向?yàn)?5%;航線彎曲度不大于5%。原始影像數(shù)據(jù)如圖2所示。

2.3 地面控制點(diǎn)測(cè)量? 本次壽縣古城三維建模采集3cm分辨率的航空攝影，為保證最終成果的精度，在測(cè)量范圍內(nèi)使用RTK進(jìn)行地面控制點(diǎn)測(cè)量。

針對(duì)壽縣古城區(qū)域特點(diǎn)、本次像控布設(shè)一方面需保證整體數(shù)據(jù)成果精度、另一方面需保證不同架次或相鄰內(nèi)業(yè)處理區(qū)域之間不出現(xiàn)模型二義性現(xiàn)象（分層、錯(cuò)位）?；谝陨峡紤]，在無人機(jī)架次規(guī)劃的基礎(chǔ)上，將控制點(diǎn)位均勻地布設(shè)在相鄰架次接邊處。

壽縣古城三維像控點(diǎn)點(diǎn)位設(shè)計(jì)：點(diǎn)位布設(shè)按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，基于大地2000坐標(biāo)系，3cm地物分辨率每平方公里10到12個(gè)點(diǎn)：具體參數(shù)描述如下所示：①像控點(diǎn)布設(shè)的航線間隔數(shù)和模型間隔數(shù)應(yīng)滿足《工程攝影測(cè)量規(guī)范》中的相關(guān)規(guī)定，即在城鎮(zhèn)建筑區(qū)應(yīng)其間隔數(shù)k應(yīng)小于12;②在區(qū)域網(wǎng)中布設(shè)像控點(diǎn)時(shí)，區(qū)域四角應(yīng)布設(shè)平高控制點(diǎn)，四邊的航線應(yīng)每間隔k≤12個(gè)模型;③區(qū)域網(wǎng)內(nèi)像片平高控制點(diǎn)應(yīng)以2k×2k布設(shè)8個(gè)平高控制點(diǎn)為基本單元，在其相鄰處每增加一個(gè)基本單元時(shí)，應(yīng)加布5個(gè)平高控制點(diǎn);當(dāng)增加的相鄰區(qū)域小于2k×2k時(shí)，應(yīng)布設(shè)5個(gè)平高控制點(diǎn);④本項(xiàng)目采用數(shù)字?jǐn)z影方式，按城鎮(zhèn)地區(qū)的布設(shè)密度;⑤像控點(diǎn)控制區(qū)域應(yīng)大于測(cè)圖范圍;⑥區(qū)域網(wǎng)中心部位應(yīng)布設(shè)一個(gè)用作檢查的平高控制點(diǎn);⑦在本次建模中，按地面分辨率3cm成果，且采用不同的像控點(diǎn)密度對(duì)測(cè)區(qū)進(jìn)行設(shè)計(jì)。相控布設(shè)示意圖如圖3所示。

2.4 數(shù)據(jù)自動(dòng)三維重建? 壽縣古城低空無人機(jī)航空攝影測(cè)量生成帶紋理的三維地形模型，主要作業(yè)流程包括像片控制點(diǎn)選擇與刺點(diǎn)，空中三角測(cè)量和模型重建，采用重建大師三維建模軟件。①根據(jù)三維模型瀏覽器的要求及三維重建平臺(tái)本身的限制，確定模型的分塊大小和重疊度，根據(jù)壽縣古城大小確定生成三維成果的范圍;②對(duì)于存在水面的區(qū)域在生成的三維模型中進(jìn)行后期修改，并重新添加水面約束后更新三維模型;③在成果輸出前，需要對(duì)空三結(jié)果進(jìn)行檢查，確定其精度滿足要求。

2.5 技術(shù)難點(diǎn)? 和以往的建模的規(guī)則性不同，壽縣古城三維建模實(shí)施的主要技術(shù)難點(diǎn)體現(xiàn)在：①需要對(duì)古城內(nèi)重點(diǎn)區(qū)域：孔廟、清真寺、報(bào)恩寺、賓陽樓等特殊區(qū)域進(jìn)行針對(duì)性的精細(xì)化補(bǔ)拍，提升模型表面精度，減少攝影死角;②對(duì)于部分重點(diǎn)區(qū)域，采用無人機(jī)對(duì)重點(diǎn)建筑或區(qū)域超低空繞飛，以獲取更高分辨率的影像;采用地面站自動(dòng)定點(diǎn)繞飛或人工控制的形式繞飛，繞飛時(shí)影像重疊度不低于75%;③攝區(qū)內(nèi)有較集中的居民地和城鎮(zhèn)，航攝時(shí)必須在各主要位置派駐觀察員，始終保持無人機(jī)不離開各觀察員的視線。各觀察員應(yīng)配備相應(yīng)通信設(shè)備（如：對(duì)講機(jī)），及時(shí)將無人機(jī)飛行異常情況及時(shí)通報(bào)操控人員。

3? 結(jié)束語

本文介紹了壽縣古城數(shù)三維建模過程，從獲取高分辨率的原始傾斜影像數(shù)據(jù)，到空三控制點(diǎn)加密，再到模型重建輸出成果。根據(jù)此次工作，得到了多方面的寶貴經(jīng)驗(yàn)：首先，在原始影像數(shù)據(jù)獲得過程中，影像數(shù)據(jù)的獲得快速且便捷，通過大疆無人機(jī)拍攝，且同時(shí)進(jìn)行像控點(diǎn)測(cè)量，在天氣允許的情況下，半天就能結(jié)束工作，與傳統(tǒng)建模方法比較大大提升了工作效率;其次，壽縣古城很多地方存在植被和密集的房屋，所以很多地方無人機(jī)無法獲取影像數(shù)據(jù)，會(huì)對(duì)建模工作產(chǎn)生影像，必須采用地面補(bǔ)拍進(jìn)行模型的后期處理或者用特定的三維模型修復(fù)軟件進(jìn)行后期處理，否則會(huì)影像整體模型的美觀;與昂貴的激光三維掃描儀建模相比，盡管實(shí)景三維模型在部分細(xì)節(jié)與精度上存在理論差距，但通過控制點(diǎn)加密以及后期的模型精修，仍可滿足需求，實(shí)景三維模型最大優(yōu)點(diǎn)就是高性價(jià)比。

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