傾斜攝影測(cè)量在城市數(shù)字化三維建模中的應(yīng)用

王港淼

（平頂山天安煤業(yè)股份有限公司勘探工程處，河南 平頂山 467000）

傾斜類型的攝影測(cè)量技術(shù)屬于一項(xiàng)攝影測(cè)量相關(guān)技術(shù)，和常規(guī)的手動(dòng)3D立體空間的建模類技術(shù)進(jìn)行比對(duì)的話，具有非常顯著的優(yōu)勢(shì)。首先是此類技術(shù)能夠生成實(shí)景形式的3D立體狀態(tài)的空間模型，進(jìn)而能夠最大限度地防止常規(guī)3D立體模型帶給觀察者虛假的感覺；其次是其具有高效捕捉圖像數(shù)據(jù)信息的功能，常規(guī)的手動(dòng)3D立體模型需要依賴手動(dòng)建立模型、工作人員人工去往區(qū)域的實(shí)地進(jìn)行拍照來捕捉相應(yīng)的數(shù)據(jù)，這種操作的模式既費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，還增加了出錯(cuò)的概率；最后一點(diǎn)是此類技術(shù)是基于計(jì)算機(jī)程序進(jìn)行的完全自動(dòng)建模操作，執(zhí)行成本非常低廉。為此，針對(duì)此類新型技術(shù)的實(shí)際需求顯得非常必要。無人機(jī)裝置和相關(guān)技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步，可以為傾斜類型的攝影測(cè)量技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用打下牢固的基礎(chǔ)。

1 模型生成技術(shù)的特征對(duì)比

傾斜類型的攝影測(cè)量相關(guān)技術(shù)借助具備飛行能力平臺(tái)上配備的若干臺(tái)傳感器裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)同時(shí)由垂直方向、東向、南向、西向、北向等不同方向的各種角度來實(shí)現(xiàn)圖像的采集工作，基于拍攝的規(guī)定與相應(yīng)的配套程序，建立3D立體的空間景觀，傾斜類型的攝影測(cè)量技術(shù)有效防止常規(guī)的正向攝影測(cè)量技術(shù)僅僅可以由垂直方向角度攝像的不足。該技術(shù)屬于攝影測(cè)量相關(guān)技術(shù)的一類進(jìn)化版本，和常規(guī)的人工3D建模方法相比較，獲得了非常顯著的進(jìn)步和提升，節(jié)省了大量的人力和物力，借助電腦設(shè)備來進(jìn)行完全的自動(dòng)化建模操作，運(yùn)行成本非常低廉。一般狀態(tài)下，空中攝影測(cè)量技術(shù)可用于區(qū)域范圍相對(duì)比較大。測(cè)量工作中，范圍比較小的測(cè)量工作，采用航拍方式來進(jìn)行攝影測(cè)量操作很可能受制于機(jī)場(chǎng)位置以及天氣情況，出現(xiàn)拍攝操作周期長(zhǎng)、費(fèi)用高昂等問題，不能很好地體現(xiàn)空中攝影拍攝測(cè)量技術(shù)的主要優(yōu)勢(shì)。因此對(duì)于新型技術(shù)的需求日漸突出。無人機(jī)技術(shù)的廣泛使用，可以為傾斜類型攝影技術(shù)的進(jìn)一步實(shí)際應(yīng)用打下牢固的基礎(chǔ)[1]。

2 項(xiàng)目的具體實(shí)施

2.1 項(xiàng)目的主要內(nèi)容

基于城市的中心廣場(chǎng)來生成實(shí)景的3D立體模型，應(yīng)用虛擬仿真以及傾斜類型的攝影技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)廣場(chǎng)區(qū)域的3D立體實(shí)景場(chǎng)景中生成諸如園區(qū)的各類建筑物、交通系統(tǒng)、城市功能區(qū)域、綠化帶以及其他類型公共區(qū)域附屬設(shè)施的3D立體模型的管理，提升城市綜合管理能力，提升決策管理工作的前瞻性與合理性。項(xiàng)目主體范圍如圖1所示。

圖1 項(xiàng)目主體范圍

2.2 技術(shù)流程

整體技術(shù)路線如下。

（1）實(shí)地踏勘和現(xiàn)有資料研究：針對(duì)該區(qū)域?qū)嵤?shí)地走訪，選取無人機(jī)裝置的起飛點(diǎn)以及降落點(diǎn)，并和主管部門報(bào)備，查閱近期的氣象數(shù)據(jù)，對(duì)于資料實(shí)施初步的研究。

（2）技術(shù)方案設(shè)計(jì)：使用科衛(wèi)泰幻影-Y24KB型無人機(jī)為飛行設(shè)備，使用沈陽航遙信息公司出品的AIRJD538型號(hào)的多鏡頭相機(jī)為拍攝裝置，工作時(shí)需要保證太陽高度角在42.85°以上，陰影部分的倍數(shù)低于1.375倍，工作的時(shí)間選擇從11：15至16：25，根據(jù)項(xiàng)目設(shè)置的重疊度等參數(shù)設(shè)計(jì)可行的執(zhí)行方案。

（3）數(shù)據(jù)信息的采集：嚴(yán)格根據(jù)設(shè)計(jì)方案實(shí)施圖形數(shù)據(jù)捕捉及測(cè)量操作。

（4）3D立體模型的制作：數(shù)據(jù)捕捉過程完成后，需要針對(duì)圖形信息實(shí)施預(yù)處理、密集匹配操作、點(diǎn)云捕捉、空三類型測(cè)量、SVT文件的生成、三角網(wǎng)格生成、紋理修飾等步驟，生成最終的3D模型。

2.3 項(xiàng)目執(zhí)行過程

2.3.1 航拍設(shè)計(jì)

（1）傾斜類型的攝影基礎(chǔ)性技術(shù)參數(shù)的規(guī)劃設(shè)計(jì)。無人機(jī)裝置傾斜類型攝影操作過程中，橫向飛行覆蓋的區(qū)域需要超過拍攝區(qū)域邊界線3條基準(zhǔn)線的范圍；縱向覆蓋區(qū)域需要超過被拍攝區(qū)邊界線的55.875%左右；這樣操作方便施測(cè)區(qū)域的圖像控制點(diǎn)集在不妨礙內(nèi)業(yè)加密操作的情況下，側(cè)向覆蓋區(qū)域超過拍攝區(qū)邊界線大于像幅區(qū)域的33.125%。

（2）圖片的重疊度參數(shù)。無人機(jī)進(jìn)行低空攝影工作的過程中，飛行航向的重疊度區(qū)間取62.875%～82.175%之間，特殊情況最小不可以小于55.981%；旁向的重疊度區(qū)間取14.875%～62.887%之間，特殊情況最小不可以小于8.125%。不過傾斜類型的攝影技術(shù)具有一定程度的特殊性，為了確保拍攝品質(zhì)，平均航向的重疊度及旁向重疊度都要大于72.875%[2]。

2.3.2 信息數(shù)據(jù)采集

測(cè)量及攝影相關(guān)工程技術(shù)人員選用的垂直方向的鏡頭，其焦距是21.785 mm，像元尺寸參數(shù)取0.0041 mm，地面分辨率取值是0.035 m，估算后得出的航高數(shù)值為155.285 m；航線設(shè)置為東西方向，橫切全部拍攝范圍，航線的規(guī)劃設(shè)計(jì)要以無人機(jī)高效執(zhí)行項(xiàng)目為出發(fā)點(diǎn)，并且盡量防止像主點(diǎn)發(fā)生落水的情況[3]。

2.3.3 數(shù)據(jù)信息的三維立體建模

傾斜類型的攝影測(cè)量實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的采集任務(wù)后，就要進(jìn)行處理環(huán)節(jié)。

（1）點(diǎn)云的生成。有關(guān)軟件程序結(jié)合IOC信息生成了密集點(diǎn)云，用于三角網(wǎng)格生成。

（2）構(gòu)建三角網(wǎng)。點(diǎn)云生成三角網(wǎng)，構(gòu)成基本3D模型骨架。

（3）紋理的自動(dòng)映射?；谌蔷W(wǎng)格，程序可實(shí)現(xiàn)紋理映射。

2.3.4 實(shí)現(xiàn)三維數(shù)字模型的精修技術(shù)模式

測(cè)量及攝影相關(guān)工程技術(shù)人員E-Sys 3D實(shí)景建模軟件自動(dòng)完成建模過程并且生成的三維數(shù)字模型稍有一些偏差，借助先進(jìn)的三維數(shù)字建模軟件的快速修正模塊可以針對(duì)現(xiàn)有幾何模型以及相關(guān)截圖進(jìn)行行之有效的修正，在通常狀況下三維數(shù)字模型修飾作業(yè)的主要流程包括以下三點(diǎn)內(nèi)容。

（1）三維數(shù)字模型的加載與導(dǎo)入研究。測(cè)量及攝影相關(guān)工程技術(shù)人員TD-530三維制圖軟件支持E-Sys 3D軟件重要數(shù)據(jù)信息的直接寫入。再將相關(guān)數(shù)據(jù)信息導(dǎo)入以后能夠查細(xì)得出，能夠準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)原有數(shù)字模型在很多技術(shù)細(xì)節(jié)信息上所存在的明顯缺陷，如圖2所示。

圖2 三維數(shù)字模型相關(guān)細(xì)節(jié)缺陷示例

（2）城市大型高層建筑物外形輪廓描繪及勾勒研究。測(cè)量及攝影相關(guān)工程技術(shù)人員分別在進(jìn)行城市高層大型建筑物頂部以及底層基礎(chǔ)的外形輪廓的描繪及勾勒，在通常狀況下并借助基準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)的精準(zhǔn)定位，進(jìn)而形成建筑物的承重柱體及加強(qiáng)梁。

（3）大型高層建筑物全部細(xì)節(jié)精準(zhǔn)修復(fù)措施。測(cè)量及攝影相關(guān)工程技術(shù)人員使用等距偏移、切割修剪以及拉伸切除等技術(shù)在已經(jīng)完成的大型高層建筑物柱體框架結(jié)構(gòu)內(nèi)部，將建筑物外部的窗戶、歐式陽臺(tái)以及各個(gè)側(cè)面的結(jié)構(gòu)進(jìn)行行之有效的修復(fù)。在通常狀況下修復(fù)工作完成以后，把重要數(shù)據(jù)信息直接導(dǎo)入E-Sys 3D三維數(shù)字建模軟件中進(jìn)行紋理截圖工作。經(jīng)過測(cè)量及攝影相關(guān)工程技術(shù)人員快速修復(fù)以后的三維數(shù)字化模型結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 三維數(shù)字化模型快速修復(fù)技術(shù)

3 三維數(shù)字模型的持續(xù)更新研究

現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)數(shù)字化城市三維數(shù)據(jù)建模普遍存在造價(jià)非常高以及作業(yè)周期比較長(zhǎng)的情況，測(cè)量及攝影相關(guān)工程技術(shù)人員確保重要數(shù)據(jù)現(xiàn)勢(shì)性就是無人機(jī)傾斜式攝影測(cè)量先進(jìn)技術(shù)首先需要克服的難題。本文研究過程使用TD-530軟件針對(duì)E-Sys 3D自動(dòng)三維數(shù)字建模的相關(guān)數(shù)據(jù)信息實(shí)施精修處理，修復(fù)大型高層建筑物結(jié)構(gòu)內(nèi)部發(fā)生扭曲失真導(dǎo)致變形、紋理深入拉花、建筑物表面缺損破壞、懸空零部件刪除以及丟失零部件實(shí)時(shí)還原等等，測(cè)量及攝影相關(guān)工程技術(shù)人員進(jìn)行深入研究得到非常精細(xì)的單體數(shù)字模型單元，進(jìn)而達(dá)成IGS國(guó)內(nèi)大型城市管理使用的要求。

3.1 剝離及裁剪模式解決方案

現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)大型城市實(shí)施更新在通常狀況下是基于局部數(shù)據(jù)單元為單位實(shí)施的，測(cè)量及攝影相關(guān)工程技術(shù)人員假如針對(duì)整個(gè)區(qū)域全體重要數(shù)據(jù)信息采集進(jìn)行數(shù)字化三維建模，必將導(dǎo)致大量的人力物力浪費(fèi)；對(duì)于相關(guān)重點(diǎn)區(qū)域的變化情況，確定出需要進(jìn)行實(shí)施更新的具體建筑區(qū)域，在通常狀況下為了確保國(guó)內(nèi)大型高層建筑物的完整一致性，測(cè)量及攝影相關(guān)工程技術(shù)人員在一般情況下會(huì)根據(jù)真實(shí)狀況需求的前提條件下，向外部延伸155.895 m視為最大安全飛行范圍，針對(duì)具體需求進(jìn)行更新編譯的國(guó)內(nèi)大型城市區(qū)域?qū)嵤﹦冸x與裁剪相關(guān)措施。

3.2 快速重要數(shù)據(jù)信息編譯研究

測(cè)量及攝影相關(guān)工程技術(shù)人員使用E-Sys 3D三維數(shù)字建模軟件能夠自動(dòng)校核傾斜式攝影測(cè)量相關(guān)重要數(shù)據(jù)信息的結(jié)果，進(jìn)而使用TD-530三維數(shù)字建模軟件針對(duì)自動(dòng)解譯成果實(shí)施行之有效的精修加工作業(yè)。

3.3 高度融合與持續(xù)更新技術(shù)模式

測(cè)量及攝影相關(guān)工程技術(shù)人員把精細(xì)修復(fù)之后的重要數(shù)據(jù)信息模型上傳至原三維數(shù)字處理平臺(tái)內(nèi)部，完全實(shí)現(xiàn)三維數(shù)據(jù)信息的快速、精準(zhǔn)無縫對(duì)接。在國(guó)內(nèi)早期已經(jīng)建設(shè)完成的重要地理區(qū)域結(jié)構(gòu)框架的前提條件下，測(cè)量及攝影相關(guān)工程技術(shù)人員大量使用傾斜攝影先進(jìn)測(cè)量技術(shù)，基于局部細(xì)節(jié)更新模塊作為更新基礎(chǔ)條件，借助剪裁分離、重要數(shù)據(jù)信息編譯以及實(shí)時(shí)更新等先進(jìn)技術(shù)，把精準(zhǔn)修復(fù)以后的三維數(shù)據(jù)模型替代原對(duì)應(yīng)的手工模型，和周圍三維數(shù)字模型實(shí)現(xiàn)快速無縫拼接，進(jìn)而最大限度地達(dá)成現(xiàn)有手工建模數(shù)據(jù)信息的三維數(shù)字模型的實(shí)時(shí)更新[4]。

4 結(jié)束語

綜上所述，本文通過基于市中心廣場(chǎng)為具體重點(diǎn)研究對(duì)象，測(cè)量及攝影相關(guān)工程技術(shù)人員應(yīng)用多方位旋翼式無人機(jī)搭載六組鏡頭高清數(shù)碼單反相機(jī)的技術(shù)模式采集相關(guān)重點(diǎn)研究范圍內(nèi)的多重視角高清4K影像，測(cè)量及攝影相關(guān)工程技術(shù)人員通過高精密像素控制點(diǎn)測(cè)量、匹配精密影像圖像集、三維空間三角模式立體測(cè)量、范圍二次曲線網(wǎng)絡(luò)平差、精密點(diǎn)云重要參數(shù)數(shù)據(jù)信息的生成、組建三角型快速局域網(wǎng)絡(luò)、像素紋理投射、三維數(shù)字模型修復(fù)等技術(shù)工作，進(jìn)而在最短的時(shí)間內(nèi)最大限度高質(zhì)量地完成城市數(shù)字化相關(guān)三維數(shù)字建模的重要工作。測(cè)量及攝影相關(guān)工程技術(shù)人員經(jīng)過重點(diǎn)項(xiàng)目工程的真實(shí)案例，全方位科學(xué)合理地證明了傾斜攝影模式測(cè)量三維數(shù)字建模先進(jìn)技術(shù)在現(xiàn)階段能夠在國(guó)內(nèi)重要城市三維數(shù)字建模過程中以及GPS定位地圖的更新過程中大范圍使用，并且該技術(shù)具有工作效率高以及與實(shí)景能夠達(dá)到最大限度貼合的良好效果。