傾斜攝影測量技術(shù)在三維城市建模中的運(yùn)用探討

趙 飛 安徽省煤田地質(zhì)局第三勘探隊(duì)

1 傾斜攝影測量技術(shù)

傾斜航空攝影技術(shù)作為當(dāng)前比較先進(jìn)的測繪技術(shù)，相比于傳統(tǒng)技術(shù)通常對物體、地形的拍攝只能按照垂直角度進(jìn)行，而該技術(shù)能夠彌補(bǔ)傳統(tǒng)技術(shù)的不足。該技術(shù)將多臺傳感器設(shè)置在同一個(gè)飛行器中，并且各個(gè)傳感器的設(shè)置都是以不同角度完成，這樣能夠更好地保證測繪作業(yè)能夠以多角度、多層次進(jìn)行。該技術(shù)擁有的特點(diǎn)與優(yōu)勢具體如下：首先，能夠精準(zhǔn)地反映出被測對象的真實(shí)情況；其次，能夠?qū)崿F(xiàn)有效測量單張影像，使其在整個(gè)行業(yè)中的應(yīng)用得到了有效拓寬；再次，能夠全面采集整個(gè)建筑物的側(cè)面紋理；最后，利用該技術(shù)所獲取的數(shù)據(jù)量有限，適用于在網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行發(fā)布。

2 城市三維建模

2.1 數(shù)據(jù)的獲取與處理

首先與實(shí)際需求進(jìn)行結(jié)合，合理的設(shè)計(jì)測區(qū)航線，完成設(shè)計(jì)后將該技術(shù)應(yīng)用在飛行器上進(jìn)行航拍，拍攝時(shí)間與獲取的影像信息要視實(shí)際情況而定。完成外業(yè)飛行后，利用軟件將數(shù)據(jù)格式進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)化，完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化后，主要包含曝光點(diǎn)、影像號等相關(guān)數(shù)據(jù)。然后以此為基礎(chǔ)科學(xué)的融合解算POS數(shù)據(jù)，進(jìn)而將高精度的sol文件獲得，最后將該文件、Event數(shù)據(jù)進(jìn)行充分的綜合分析，并對這些分析后的數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)檢校，將相應(yīng)的外方位元素進(jìn)行有效輸出，為后來建立三維模型提供強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)依據(jù)。

2.2 構(gòu)建三維模型

（1）對同名點(diǎn)進(jìn)行自動匹配：當(dāng)相關(guān)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好以后，相關(guān)人員會通過使用項(xiàng)目管理模塊提取出有用的數(shù)據(jù)，并系統(tǒng)的檢查整個(gè)影像的質(zhì)量，以此為基礎(chǔ)進(jìn)行平衡光，調(diào)勻顏色，然后對同名點(diǎn)進(jìn)行自動匹配處理，進(jìn)而將該區(qū)域網(wǎng)當(dāng)中存在的各個(gè)鏡頭所收集到的影像加密點(diǎn)進(jìn)行提取APM文件。這樣就能夠更好地提高初始定向精度，從而獲取精確的立體圖形。（2）空三處理：科學(xué)設(shè)置相機(jī)的參數(shù)與影像，并在相關(guān)的軟件中將自動匹配點(diǎn)相關(guān)的APM文件進(jìn)行輸入，通過使用慣導(dǎo)與模塊更好地實(shí)現(xiàn)解算與分析空三，計(jì)算完成后所得出的結(jié)果能夠全面掌握每張航片所具備的外方位元素文件。（3）對建筑物進(jìn)行三維建模：首先，要進(jìn)行有效提取房屋屋頂線，對3DEidter模塊進(jìn)行科學(xué)的利用，從而實(shí)現(xiàn)了屋頂?shù)氖噶炕幚砟康?。在進(jìn)行使用建模軟件的過程中，要利用軟件自帶功能自定義選擇屋頂?shù)念愋?，在進(jìn)行繪制不同類型的屋頂時(shí)，房屋線的選擇可以采取不同種類的形式，而且要根據(jù)實(shí)際情況對其進(jìn)行科學(xué)的調(diào)整與優(yōu)化；其次，要將DEM模型進(jìn)行精確的加載，然后對實(shí)體建模進(jìn)行相應(yīng)的處理，充分使用CityModeller模塊，發(fā)揮出其應(yīng)有的功能，這樣能夠有機(jī)的與房屋屋頂、DEM模型數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)合，便于更準(zhǔn)確地計(jì)算出實(shí)體高度后進(jìn)行相應(yīng)的拉伸。最后，利用TextureMapper模塊生成紋理信息，該軟件會將其中紋理信息精度較高的從中優(yōu)選出來，然后在白模上實(shí)現(xiàn)自動紋理貼。在此過程中，在建筑物中可能存在一部分地面與樹木紋理貼，需要依據(jù)實(shí)際情況，對其進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，最終能夠得到整個(gè)攝影區(qū)最真實(shí)的三維模型，并且生成的該三維模型精度已經(jīng)達(dá)到較高的標(biāo)準(zhǔn)。

3 傾斜攝影立體量測功能實(shí)現(xiàn)

3.1 多片立體量測建模

為了能夠得到建筑物實(shí)體結(jié)構(gòu)的外方位元素可以采用空中測量的方式，同時(shí)還可以與相機(jī)檢校進(jìn)行充分結(jié)合，利用共線方程將相關(guān)的影像和地面建筑之間的幾何關(guān)系進(jìn)行確定，將地面建筑多片立體結(jié)構(gòu)的測量工作完成。在3dsMax中完整的保存所得到的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，利用該軟件自身具有的擠出功能將其轉(zhuǎn)換成為MESH對象，從而實(shí)現(xiàn)幾何體重構(gòu)的目標(biāo)。在實(shí)際運(yùn)行過程中，可按照建筑的實(shí)際類型情況，綜合分析所得到的三維點(diǎn)信息，這樣能夠有效地防止出現(xiàn)過多的交互操作，同時(shí)將建模效率和準(zhǔn)確率有效提高。如當(dāng)建筑模型為平頂型建立時(shí)，將建筑屋頂輪廓角點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行相應(yīng)的選出，在3dsMax中將建筑樣條線輪廓構(gòu)建的過程中，按照澆筑的高度擠出樣條線相應(yīng)的高度，如果設(shè)計(jì)了女兒墻，其默認(rèn)的高度就需要達(dá)到0.1m，利用具有插入功能的函數(shù)進(jìn)行間距操作，將內(nèi)輪廓生成。

3.2 紋理的提取

3.2.1 紋理最優(yōu)路徑選擇

建立的三維模型必須要能夠?qū)⒔ㄖ膶?shí)際情況展現(xiàn)出來，這需要從影像中將建筑的相關(guān)紋理獲取到，并在三維幾何體表面映射出來才能夠?qū)崿F(xiàn)。在對紋理進(jìn)行優(yōu)選時(shí)，同一墻體紋理能夠同時(shí)出現(xiàn)在多幅影像上，首先需要將墻面法線進(jìn)行準(zhǔn)確的判定，找出中心到攝影中線之間所形成的夾角，當(dāng)角度小于90°，就能夠看見該墻面影像。按照選優(yōu)的原則：①相同的墻體紋理能夠在超過兩幅的影像出現(xiàn)，則需要優(yōu)先選擇最大面積的紋理；②當(dāng)其出現(xiàn)在一幅影像中，采集對象就可以作為該影像；③如果其存在一定的遮擋情況，需要選擇最小遮擋物影像作為最終采集的對象。

3.2.2 紋理裁切和映射

按照選擇最優(yōu)紋理原則將最佳紋理信息、點(diǎn)坐標(biāo)情況進(jìn)行確定，從而將最小裁切矩形得出，為了便于后期對其進(jìn)行歸一化處理，通常情況下會將裁剪區(qū)長和寬進(jìn)行科學(xué)的設(shè)置，然后按照設(shè)置的數(shù)值范圍展開相應(yīng)的裁切。在軟件中采用的是數(shù)組形式將紋理信息在MESHMaP類對象中進(jìn)行相應(yīng)的保存，在TVFace類對象中保存了各個(gè)以數(shù)組形式所表示的索引坐標(biāo)，當(dāng)紋理與面頂點(diǎn)的數(shù)值相等時(shí)，這就說明坐標(biāo)定點(diǎn)達(dá)到了對應(yīng)關(guān)系。假設(shè)紋理坐標(biāo)用u、v進(jìn)行表示，矩形左上角點(diǎn)坐標(biāo)用x0、y0進(jìn)行表示，對應(yīng)像點(diǎn)坐標(biāo)用xi、yi進(jìn)行表示，由此建立起相應(yīng)的坐標(biāo)關(guān)系式為：

式中，width、height為裁切矩形像素高度。

由于紋理映射過程中存在一定的映射偏差，需要通過人工干預(yù)的方式來進(jìn)一步調(diào)整紋理信息。根據(jù)所建立坐標(biāo)和影像，通過人工進(jìn)行紋理信息判讀，從而確定最優(yōu)影像，由人工擠出建模輪廓，進(jìn)而使紋理實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的提取和映射。

3.3 實(shí)驗(yàn)與分析

為了對該技術(shù)的應(yīng)用效果進(jìn)行驗(yàn)證，本文選取了比較有代表性的城市街區(qū)展開相應(yīng)的建模實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)以SWDC5相機(jī)作為基礎(chǔ)獲得數(shù)據(jù)，該相機(jī)分別由1個(gè)下視和4個(gè)斜視相機(jī)構(gòu)成，共對5條航帶進(jìn)行了測量。由于實(shí)驗(yàn)地區(qū)擁有較多的中層建筑，并且建筑結(jié)構(gòu)主要以簡單為主，因此選定了一塊街區(qū)作為實(shí)驗(yàn)量測建模。由此可以看出，該建模能夠有效展示出建筑頂部細(xì)節(jié)，通過組合相機(jī)數(shù)據(jù)形成較為完整的三維模型。如圖1所示，該圖為街區(qū)整體所達(dá)到的效果，建筑在該區(qū)域能夠達(dá)到均勻分布，一共耗時(shí)4 h完成該建模，相比于傳統(tǒng)方式來說極大地提升了拍攝效率。

圖1 街區(qū)整體效果圖

4 結(jié)束語

綜上所述，該項(xiàng)技術(shù)在城市建模領(lǐng)域的應(yīng)用將關(guān)乎整體建筑施工質(zhì)量及應(yīng)用的功能使用。本文利用了傾斜設(shè)計(jì)技術(shù)將建筑的三維模型建立起來，并引入插件實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的渲染功能，從而更好地實(shí)現(xiàn)了快速構(gòu)建城市的三維場景。通過研究得到了以下幾個(gè)結(jié)論：①利用共線方程能夠準(zhǔn)確地確定影像和建筑之間存在的幾何關(guān)系，通過3dsMax軟件自身的擠出功能，能夠?qū)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為MESH對象，從而將幾何體實(shí)現(xiàn)重構(gòu)，完成測量多片立體任務(wù)。②按照優(yōu)選紋理的法則，從影像中得到所需要的備選影像，根據(jù)映射和分配原理將坐標(biāo)映射建立起來，并通過人工進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。