多重分辨率傾斜影像三維集群建模技術(shù)

李麗娟 朱超乾 顧景強(qiáng)

(中國電建集團(tuán)北京勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司, 北京 100024)

0 引言

傾斜攝影技術(shù)是國際測繪領(lǐng)域近些年發(fā)展起來的一項(xiàng)高新技術(shù),其突破了傳統(tǒng)航空攝影測量只能進(jìn)行垂直角度影像獲取的局限性,通過在同一飛行平臺(tái)上搭載多臺(tái)傳感器,同時(shí)從“一個(gè)垂直、四個(gè)傾斜、五個(gè)不同”的角度采集影像,獲取到豐富的建筑物頂面及側(cè)視的高分辨率紋理。它不僅能夠真實(shí)地反映地物情況,高精度地獲取物方紋理信息,還可通過先進(jìn)的定位、融合、建模等技術(shù),生成真實(shí)的實(shí)景模型[1]。隨著現(xiàn)代化建設(shè)的需求、黨中央政策的支持、大數(shù)據(jù)云平臺(tái)及計(jì)算機(jī)集群技術(shù)的發(fā)展,如何高效地建立傾斜三維模型成了新的研究熱點(diǎn)[2]。魏曉琴[3]、張福存等[4]研究了傾斜攝影在大比例尺地形圖測繪中的應(yīng)用及技術(shù)要點(diǎn)。周曉敏等[5]研究了傾斜攝影在城市級實(shí)景三維模型建設(shè)中的應(yīng)用。王旭科等[6]研究了利用機(jī)載載激光雷達(dá)和傾斜影像進(jìn)行互補(bǔ)融合構(gòu)建城市三維模型的方法。張奇等[7]對比了三維重建幾種方式的優(yōu)缺點(diǎn),介紹了傾斜攝影測量和三維重建過程中的關(guān)鍵技術(shù)及未來的發(fā)展趨勢。何雁如等[8]論述了如何利用ContextCapture Center軟件提供的集群建模技術(shù)解決三維自動(dòng)化建模時(shí)遇到的計(jì)算資源匱乏問題。從現(xiàn)有的傾斜建模技術(shù)和建模軟件應(yīng)用分析，仙居抽水蓄能電站項(xiàng)目面積大、植被茂密且存在大范圍水庫，因此，建模中容易出現(xiàn)空中三角測量結(jié)果扭曲、分層等現(xiàn)象，生產(chǎn)的模型水域部分會(huì)出現(xiàn)大范圍空洞，同時(shí)單機(jī)建模效率低，不能滿足工期要求。針對以上問題，項(xiàng)目在航飛設(shè)計(jì)階段對整個(gè)建模區(qū)域先進(jìn)行較低分辨率傾斜攝影，再對重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行高分辨率傾斜攝影；在建模環(huán)節(jié)中，充分將瞰景Smart3D高效的空三處理優(yōu)勢和ContextCapture Center的集群建模效率高的優(yōu)勢相結(jié)合，再利用ModelFun軟件對傾斜模型進(jìn)行道路置平、水面修補(bǔ)、底部碎片及懸浮物刪除等修飾工作。該方法不僅提高了生產(chǎn)作業(yè)效率，而且取得了良好的建模效果。

1 項(xiàng)目概況及技術(shù)路線

浙江仙居抽水蓄能電站是國家“十一五”規(guī)劃重點(diǎn)建設(shè)工程和浙江省重點(diǎn)工程。電站位于浙江省仙居縣湫山鄉(xiāng)境內(nèi),測區(qū)植被茂密,山勢陡峭,地形分類屬于高山地。需要完成傾斜模型建設(shè)總面積10.45 km2,總體分辨率不低于5 cm,業(yè)主營地、上下水庫及環(huán)庫路等重要區(qū)域分辨率不低于2 cm?；陬癝mart3D和ContextCapture Center的傾斜建模技術(shù)路線如圖1所示,主要包括前期準(zhǔn)備、數(shù)據(jù)采集、空三加密、傾斜模型生產(chǎn)、傾斜模型修飾、質(zhì)量檢查6個(gè)階段。

圖1 傾斜模型建模技術(shù)路線

2 航飛方案設(shè)計(jì)

前期準(zhǔn)備階段主要包括航飛方案設(shè)計(jì)和航飛人員、設(shè)備配置。航飛設(shè)置包括航攝分區(qū)、航線設(shè)計(jì)和像控點(diǎn)布設(shè)。結(jié)合仙居抽水蓄能電站項(xiàng)目要求和項(xiàng)目區(qū)域環(huán)境特點(diǎn),本次航飛采用大疆M600Pro型無人機(jī)進(jìn)行航飛,搭載KG1000五鏡頭相機(jī)進(jìn)行拍攝,采用上海珞琪軟件公司開發(fā)的RockyCapture航線規(guī)劃軟件進(jìn)行地面站的操作。測區(qū)為山區(qū),高差較大,為了同時(shí)滿足最高點(diǎn)重疊度和最低點(diǎn)分辨率的要求,航飛采用地形跟隨方式飛行,航飛高度隨著地形起伏而變化,設(shè)計(jì)4.8 cm分辨率，分1～12測區(qū)進(jìn)行航攝,再對重要區(qū)域設(shè)計(jì)1.5 cm分辨率，分13～21測區(qū)進(jìn)行二次拍攝。

為了滿足三維模型量測及分析需求,必須將傾斜模型從GPS定位得到的WGS84地理坐標(biāo)系,轉(zhuǎn)化到與浙江仙居項(xiàng)目一致的投影過后的獨(dú)立坐標(biāo)系。須在三維模型區(qū)域內(nèi)布置高精度像片控制點(diǎn)。像控點(diǎn)的布設(shè)按照飛行分區(qū)采用區(qū)域網(wǎng)布點(diǎn)法,隔航線布設(shè),結(jié)合項(xiàng)目重點(diǎn)區(qū)域精度要求,共計(jì)布設(shè)42個(gè)像控點(diǎn)和72個(gè)用于傾斜模型質(zhì)量檢查的檢查點(diǎn)。

3 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集主要包括傾斜影像采集和像控點(diǎn)采集。傾斜攝影按照航拍設(shè)計(jì)在天氣晴朗、能見度高的環(huán)境下進(jìn)行,共計(jì)拍攝4.8 cm分辨率影像22 290張,1.5 cm分辨率影像23 025張,共計(jì)拍攝航片45 315張;飛行姿態(tài)穩(wěn)定,獲取影像清晰、層次豐富,總體質(zhì)量較好。對獲取的航拍像片及POS數(shù)據(jù),依次進(jìn)行有效像片數(shù)確定、POS數(shù)據(jù)編輯、各鏡頭影像名更改,確保POS信息與5鏡頭像片數(shù)量及信息一一對應(yīng),便于后期三維傾斜模型生產(chǎn)。

鑒于此次航飛影像清晰度較高,像控點(diǎn)測量采用直接在航片上選刺的方式進(jìn)行。選擇交角良好的細(xì)小線狀地物交點(diǎn)、地物折角頂點(diǎn)、影像小于0.2 mm的點(diǎn)狀地物中心,且高程變化較小、易于準(zhǔn)確定位與量測的明顯地物直接影像判刺。采用實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)載波相位差分(Real Time Kinematic，RTK)技術(shù)獲取像控點(diǎn)坐標(biāo),并按照《低空數(shù)字航空攝影測量外業(yè)規(guī)范》要求做好“點(diǎn)之記”,以方便后續(xù)建模內(nèi)業(yè)空三處理中應(yīng)用。

4 基于Smart3D空中三角測量計(jì)算

空中三角測量(簡稱“空三”)是指解算相機(jī)參數(shù)、影像位置、姿態(tài)以及加密點(diǎn)三維坐標(biāo)的過程,是傾斜三維建模的關(guān)鍵步驟。整體流程主要包括影像特征點(diǎn)提取與匹配、構(gòu)建自由網(wǎng)以及加刺控制點(diǎn)絕對定向。目前國內(nèi)常用的建模軟件為是Acute3D公司的Context Capture(簡稱“CC”)。由于浙江仙居項(xiàng)目的傾斜影像具有多重分辨率、大面積水域的特殊性,常用軟件對此類數(shù)據(jù)解算效果差,易出現(xiàn)空三錯(cuò)亂、分層及大量照片未參與解算。而Smart3D具有測區(qū)劃分靈活、刺點(diǎn)模式友好、二次平差速度極快、空三解算一次性通過率高等優(yōu)點(diǎn)。因此，浙江仙居項(xiàng)目采用瞰景科技的Smart 3D平臺(tái)進(jìn)行空三解算再導(dǎo)出XML文件到CC中進(jìn)行建模。其建模主要流程如下：

(1)新建工程及數(shù)據(jù)導(dǎo)入：在Smart3D中新建工程,導(dǎo)入全部的影像數(shù)據(jù)及像控點(diǎn)坐標(biāo)文件,檢查定位定姿系統(tǒng)(Position and Orientation System, POS)數(shù)據(jù)及影像的完整性及正確性。

(2)分區(qū)相對定向：依據(jù)相鄰測區(qū)不少于4個(gè)公共控制點(diǎn)、單個(gè)測區(qū)影像數(shù)量小于1.5萬張的原則,將編號(hào)為1～21的航測區(qū)域分為block1(4、8、11、21)、block2(,6、10、12、13、14)、block3(1、3、7、9、19、20)及block4(2、5、15、16、17、18)四個(gè)測區(qū),Smart3D將利用POS數(shù)據(jù)分別進(jìn)行特征點(diǎn)提取、匹配、平差完成相對定向。

(3)分區(qū)絕對定向：依據(jù)控制點(diǎn)“點(diǎn)之記”文件同時(shí)進(jìn)行5鏡頭相片的刺點(diǎn)工作,經(jīng)反復(fù)“平差-調(diào)整點(diǎn)位-平差”直至解算出精度要求滿足規(guī)范《數(shù)字航空攝影測量中三角測量規(guī)范》(GB/T 23236—2009),求出影像的外方位元素,完成絕對定向。

(4)導(dǎo)出各分區(qū)的XML成果。

5 集群模式下Context Capture三維建模技術(shù)

將Smart3D導(dǎo)出的XML成果導(dǎo)入CC軟件中并依次合并,檢查各分區(qū)接邊處是否出現(xiàn)分層或錯(cuò)層等問題。設(shè)置建模參數(shù),依據(jù)計(jì)算機(jī)內(nèi)存大小設(shè)置切塊大小。ContextCapture軟件包含控制臺(tái)(Master)、設(shè)置(Setting)、引擎(Engine)、瀏覽器(Viewer)幾個(gè)模塊。CC4.4以上版本在基于邏輯并行計(jì)算的集群下,由主機(jī)的master創(chuàng)建任務(wù)并分配建立“先到先行”的工作隊(duì)列,進(jìn)行任務(wù)分配;Setting是一個(gè)中間介質(zhì),它主要是幫助Engine指向任務(wù)的路徑;副機(jī)的Engine接收分配的子任務(wù)并完成并行計(jì)算。其工作模式如圖2所示。為該項(xiàng)目配置1臺(tái)主機(jī)9臺(tái)副機(jī)組成建模集群,CC軟件在高密度點(diǎn)云基礎(chǔ)上全自動(dòng)構(gòu)建地物不規(guī)則三角網(wǎng) (Triangulated Irregular Network，TIN)模型,再根據(jù)TIN模型形狀及位置從影像里選擇最合適的紋理進(jìn)行貼合,分別輸出“.3mx”及“.obj”格式的傾斜三維模型。在Viewer中查看其模型效果，如圖3所示。

圖2 CC集群在傾斜三維建模中的工作模式

6 傾斜模型修飾

傾斜攝影過程中可能存在遮擋、反光、運(yùn)動(dòng)、影像落水等情況，在三角網(wǎng)構(gòu)建過程中引起模型空洞、扭曲、碎片等問題,影響模型的可視化效果,因而，需要將存在缺陷的模型分塊借助三維模型編輯軟件進(jìn)行修飾[9]。本文選擇ModelFun軟件作為模型修飾工具,對已生成的傾斜模型進(jìn)一步完善。

(1)水域填補(bǔ)：由于測區(qū)的蓄能電站上水庫面積較大,落水照片近千張,水面特征點(diǎn)少,軟件在計(jì)算時(shí)很難匹配正確,導(dǎo)致輸出模型的水面大范圍缺失,使計(jì)算出的部分水面也存在水面高程異常,空洞、凹陷等情況如圖4所示。水面修飾需要對異常的水面進(jìn)行圈定并刪除,隨后通過ModelFun的“水面修整”工具提示完成水面修飾,修飾后效果如圖5所示。

(2)孔洞修復(fù)：由于航拍視角被遮擋,復(fù)雜的建筑物、擁有玻璃墻面的建筑物會(huì)出現(xiàn)漏洞,如圖6矩形框中的模型,利用ModelFun的“立面修整”及“補(bǔ)洞”工具完成結(jié)構(gòu)的修飾,再利用“空三映射”選擇影像完成紋理修飾,效果如圖7所示。

圖6 未修飾前的傾斜模型

圖7 ModelFun修飾后的傾斜模型

(3)道路置平：由于路面車輛、行人較多,都是運(yùn)動(dòng)狀態(tài),導(dǎo)致影像匹配時(shí)出現(xiàn)異常,如圖6棱形中的模型,利用ModelFun的“道路置平”工具優(yōu)化道路、橋梁使其盡量平整,再將不符合的紋理部分聯(lián)動(dòng)Photoshop軟件進(jìn)行修飾,其效果如圖7所示。

(4)懸浮物刪除：獨(dú)立樹、點(diǎn)線桿、電線塔、路燈等目前不能通過實(shí)景三維建模的形式重建,造成三維模型中存在懸浮物,如圖6橢圓形中的模型,利用ModelFun的“刪除小物件”工具一鍵刪除細(xì)小的碎片及懸浮物,其效果如圖7所示。

(5)測區(qū)邊緣裁切,利用ModelFun的“測區(qū)邊緣裁切”工具依據(jù)浙江仙居項(xiàng)目建模范圍進(jìn)行傾斜模型邊緣裁切。

7 傾斜三維模型質(zhì)量檢查

傾斜三維模型質(zhì)量檢查是整個(gè)項(xiàng)目重要的一環(huán),建模流程的每個(gè)環(huán)節(jié)都必須進(jìn)行嚴(yán)格的質(zhì)量控制,最終反映到模型整體美觀性、平面精度和高程精度3個(gè)指標(biāo)上[10]。

浙江仙居項(xiàng)目傾斜模型底部無碎片，上部無懸浮物，數(shù)據(jù)邊緣整齊，紋理整體上無明顯色差，道路紋理物明顯錯(cuò)位，模型細(xì)節(jié)層次豐富，結(jié)構(gòu)完整，建模效果良好。滿足項(xiàng)目驗(yàn)收要求。

傾斜模型平面精度和高程精度通過量測模型上檢查點(diǎn)的三維坐標(biāo)與外業(yè)實(shí)測值進(jìn)行對比,按照均勻分布、重要區(qū)域加密采集的原則,共計(jì)采集4.8 cm+1.5 cm分辨率范圍內(nèi)檢查點(diǎn)30個(gè),4.8 cm分辨率范圍內(nèi)檢查點(diǎn)43個(gè),點(diǎn)位包括房角、臺(tái)階、路面標(biāo)示線折角等多類要素,4.8 cm+1.5 cm及4.8 cm分辨率檢查點(diǎn)實(shí)測坐標(biāo)和其對應(yīng)的模型量測坐標(biāo)精度統(tǒng)計(jì)表分別見表1和表2。

表1 4.8 cm+1.5 cm分辨率范圍傾斜模型精度統(tǒng)計(jì)表 單位:m

表2 4.8 cm分辨率范圍傾斜模型精度統(tǒng)計(jì)表 單位：m

分析表2可知,4.8 cm分辨率區(qū)域43個(gè)點(diǎn)位,平面X、Y方向最大的點(diǎn)位誤差分別為0.75、0.64 m,最小的點(diǎn)位誤差均為0.01 m,平面中誤差計(jì)算為0.35 m,高程誤差最大值1.26 m,最小值0.1 m,計(jì)算高程中誤差值為0.42 m。該測區(qū)傾斜三維模型精度符合《三維地理信息模型產(chǎn)品規(guī)范》(CH/T9015—2012)相關(guān)要求。

8 結(jié)束語

(1)本文將Smart 3D平臺(tái)空三解算出XML文件導(dǎo)入CC中建模,利用了Smart3D測區(qū)劃分靈活、刺點(diǎn)模式友好、二次平差速度極快、空三解算一次性通過率高及ContextCapture生產(chǎn)的傾斜模型細(xì)節(jié)層次豐富、結(jié)構(gòu)完整、模型效果良好的優(yōu)點(diǎn)。

(2)本文利用多臺(tái)普通PC機(jī)實(shí)現(xiàn)了基于邏輯并行計(jì)算的傾斜三維集群建模技術(shù),提高了生產(chǎn)效率,保證了項(xiàng)目的按時(shí)驗(yàn)收。

(3)本文利用ModelFun軟件對自動(dòng)建模中由于遮擋、反光、運(yùn)動(dòng)造成模型的空洞、扭曲、碎片等情況進(jìn)行修飾,在自動(dòng)建模的基礎(chǔ)上優(yōu)化模型效果。

(4)通過外業(yè)實(shí)測檢查點(diǎn)三維坐標(biāo)與傾斜模型上量測值進(jìn)行比較,其平面精度與高程精度均滿足《三維地理信息模型產(chǎn)品規(guī)范》(CH/T9015—2012)要求,項(xiàng)目成果可以作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)應(yīng)用于浙江仙居抽水蓄能電站項(xiàng)目規(guī)劃與設(shè)計(jì)。

(5)實(shí)景三維中國建設(shè)是新型基礎(chǔ)測繪的主要任務(wù)和成果形式,帶動(dòng)“以地理要素為視角和對象”的傳統(tǒng)基礎(chǔ)測繪向“以地理實(shí)體為視角和對象”的新型基礎(chǔ)測繪轉(zhuǎn)變。本文總結(jié)的技術(shù)路線和生產(chǎn)流程為大面積、多廣水域、多重分辨率的同類型傾斜建模項(xiàng)目提供借鑒參考和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。