傾斜攝影與精細(xì)建模技術(shù)在城市三維建模中的實(shí)踐與精度分析

許中勝

（安徽省第二測(cè)繪院，安徽 合肥 230031）

2017年7月淮北市獲批為國(guó)家“智慧城市時(shí)空大數(shù)據(jù)與云平臺(tái)建設(shè)”試點(diǎn)城市。城市三維建模項(xiàng)目是智慧城市建設(shè)的子項(xiàng)目?；幢笔谐鞘腥S建模項(xiàng)目，需新增建城區(qū)40平方千米城市三維實(shí)景模型，其中有20平方千米為普通建模，另外20平方千米為精細(xì)建模。

1.基于傾斜攝影實(shí)景城市三維建模的主要技術(shù)要點(diǎn)

1.1 現(xiàn)場(chǎng)踏勘

對(duì)測(cè)區(qū)地形地貌、人員密集區(qū)域、建筑物高度等進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)查看，標(biāo)注并記錄。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)踏勘，將測(cè)區(qū)分為A、B、C、D四個(gè)大區(qū)域。其中A區(qū)劃分為13個(gè)小區(qū)域,B區(qū)劃分為12個(gè)小區(qū)域，C區(qū)劃分為12個(gè)小區(qū)域，D區(qū)劃分為12個(gè)小區(qū)域。這里僅介紹B區(qū)踏勘情況：

表1 B區(qū)踏勘記錄表

1.2 航線(xiàn)規(guī)劃、像控預(yù)布設(shè)

經(jīng)過(guò)前期現(xiàn)場(chǎng)踏勘，項(xiàng)目組決定采用劃分多個(gè)區(qū)塊的方式進(jìn)行航線(xiàn)規(guī)劃，使得飛機(jī)在飛手的可控視線(xiàn)范圍之內(nèi)，降低飛行風(fēng)險(xiǎn)和工作量。

圖1 任務(wù)拆分航線(xiàn)規(guī)劃設(shè)計(jì)圖

1.3 空三加密

空三加密是整個(gè)數(shù)據(jù)生產(chǎn)的關(guān)鍵。航片的重疊率、清晰度和旋偏角等因素都會(huì)影響空三加密的運(yùn)算結(jié)果。每次空三加密完成后需要查看算出的加密點(diǎn)是否有漂移；如有漂移，判斷漂移的區(qū)域是邊緣還是中心；整個(gè)空三加密點(diǎn)的相對(duì)位置是否正確等。如果空三加密點(diǎn)相對(duì)位置不正確或者漂移，并且漂移的區(qū)域是中心地段或者是重要區(qū)域，就必須重新進(jìn)行計(jì)算。多次計(jì)算都未成功，可以刪除一些質(zhì)量和姿態(tài)較差的航片再次嘗試。

多架次的不同高度的航片融合，計(jì)算可能會(huì)失敗，或者是計(jì)算出的加密點(diǎn)漂移。該狀況下，需先創(chuàng)建多個(gè)塊。將不同航高的航片導(dǎo)入至不同的塊，分別進(jìn)行空三加密計(jì)算。該步驟計(jì)算完成后，記錄解算出來(lái)的航片位置與姿態(tài)信息。再新建一個(gè)塊，加載所有的航片。輸入之前分開(kāi)算好的航片位置與姿態(tài)信息，融合起來(lái)進(jìn)行空三加密計(jì)算。此方法可解決不同架次、不同航高航線(xiàn)空三加密問(wèn)題。

圖2 空三成果展示圖

本項(xiàng)目?jī)?nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理過(guò)程中調(diào)用10臺(tái)服務(wù)器，將任務(wù)由大化小，分塊進(jìn)行計(jì)算，最終結(jié)算點(diǎn)云結(jié)果如圖上所示，模型控制點(diǎn)精度如下圖所示：

圖3 空三像控精度

由精度報(bào)告中得出相片所刺控制點(diǎn)精度都控制在厘米級(jí)。

1.4 三維重建

空三加密、控制點(diǎn)刺完之后就開(kāi)始模型建立貼圖。軟件通過(guò)空三加密點(diǎn)計(jì)算出不同規(guī)則三角網(wǎng)TIN，并且生成白模的三維模型。再通過(guò)三維模型形狀位置從航片里面選取最合適的進(jìn)行紋理的貼合，最后輸出紋理逼真的實(shí)景三維模型。把模型切分為多塊來(lái)建立模型，這樣可以把系統(tǒng)計(jì)算不好的或者是計(jì)算機(jī)自動(dòng)不好處理的如水域等單獨(dú)提出來(lái)進(jìn)行第三方軟件構(gòu)網(wǎng)貼圖。

圖4 實(shí)景三維模型成果展示

1.5 精細(xì)拼接合并

整個(gè)模型數(shù)據(jù)最終需要合并成一個(gè)整體，將合并之后的空三點(diǎn)云數(shù)據(jù)在同一空間框架之下進(jìn)行切片分割。所有分割模型需統(tǒng)一使用同一坐標(biāo)原點(diǎn)，且使用同一個(gè)切片框架。保證無(wú)重復(fù)的瓦塊命名。

圖5 區(qū)塊合并，統(tǒng)一切片片面示意

1.6 精細(xì)建模

對(duì)劃定的20平方公里范圍的建筑物和構(gòu)筑物，進(jìn)行模型測(cè)高、外業(yè)紋理拍攝、紋理處理，利用實(shí)景三維模型基礎(chǔ)圖，基于3DMAX軟件生產(chǎn)制作，形成精細(xì)三維模型數(shù)據(jù)。

圖6 精細(xì)建模流程圖

根據(jù)DOM影像數(shù)據(jù)、傾斜攝影三維模型數(shù)據(jù)，獲取模型的輪廓底圖及尺寸數(shù)據(jù)。建模之前，需要在外業(yè)，運(yùn)用地面數(shù)碼相機(jī)拍攝的照片為貼圖，制作建筑物立面紋理。

圖7 精細(xì)模型單體展示

1.7 模型整合、平臺(tái)可視化

對(duì)實(shí)景三維模型進(jìn)行裁切，以瓦塊整合至同一空間框架之下，生成osgb格式的模型數(shù)據(jù)，加載至橢球平臺(tái)。導(dǎo)入水面模型，將高程調(diào)整至與實(shí)景三維模型高程相匹配。對(duì)實(shí)景三維模型當(dāng)中結(jié)構(gòu)不完整的樓體結(jié)構(gòu)進(jìn)行壓平面操作。在此基礎(chǔ)上疊加融合相對(duì)應(yīng)的精細(xì)建筑物模型，進(jìn)一步導(dǎo)入到平臺(tái)，進(jìn)行可視化操作。

圖8 平臺(tái)可視化展示

2.質(zhì)量檢查

2.1 航空影像圖件資料檢查

以飛行區(qū)域?yàn)閱挝?，檢查各區(qū)航空影像數(shù)量、重疊率、色彩飽和度、像移等質(zhì)量。影像應(yīng)清晰，層次豐富，反差適中，色調(diào)柔和；能辨認(rèn)出與地面分辨率相適應(yīng)的細(xì)小地物影像，能夠建立清晰的立體模型。因飛機(jī)航速的影響，在曝光瞬間造成的像點(diǎn)位移不應(yīng)大于1個(gè)像素，最大不應(yīng)大于1.5個(gè)像素。拼接影像應(yīng)無(wú)明顯模糊、重影和錯(cuò)位現(xiàn)象。融合形成的高分辨率彩色影像不應(yīng)出現(xiàn)明顯色彩偏移、重影、模糊等現(xiàn)象，檢查結(jié)果以下表所示。

表1 影像數(shù)量檢查

表2 影像重疊率檢查表

表3 影像色彩飽和度檢查

表4 影像曝光度檢查表

表5 影像像移檢查表

2.2 模型位置誤差檢查

采集模型點(diǎn)位數(shù)據(jù)與實(shí)地外業(yè)測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比分析，分別求得點(diǎn)位平面中誤差和高程中誤差。根據(jù)《1：500地形圖航空攝影測(cè)量?jī)?nèi)業(yè)規(guī)范》GB/T7930-2008關(guān)于像控點(diǎn)最大中誤差的規(guī)范指標(biāo)得出結(jié)論，此模型成果滿(mǎn)足要求。

表6 樣本模型精度檢查主要質(zhì)量元素

表7 模型精度檢查主要質(zhì)量元素3

3.結(jié)語(yǔ)

從本項(xiàng)目結(jié)合工程實(shí)際，采用傾斜攝影實(shí)景三維建模技術(shù)、精細(xì)建模等手段，有效提高城市三維建模數(shù)據(jù)加工生產(chǎn)的效率。在項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中，針對(duì)難點(diǎn)問(wèn)題做好技術(shù)保障，做好各工序質(zhì)量檢查，確保產(chǎn)品質(zhì)量。由此獲得的淮北市城市三維模型美觀逼真，精度良好。該項(xiàng)目實(shí)踐和質(zhì)檢分析結(jié)果，能為類(lèi)似作業(yè)提供有益參考。