基于傾斜攝影測量技術(shù)的博鰲鎮(zhèn)樂城區(qū)三維建模

楊盛虎 王康文

1. 自然資源部第四航測遙感院 海南 ?？?570000；2. 海南天涯人力資源管理服務(wù)有限公司 海南 ?？?570000

引言

隨著傾斜攝影技術(shù)的發(fā)展和人們對于真實(shí)世界再現(xiàn)需求的不斷強(qiáng)烈，傾斜攝影技術(shù)在各個角落如火如荼地開展著，它顛覆了以前只能從垂直角度拍攝影像的局限，具有低成本、效果好的特點(diǎn)，它可通過多旋翼、固定翼、有人直升機(jī)、動力傘、飛艇等各種裝備，同一平臺掛載各種多拼高像素相機(jī)，如飛思等，從不同視角同步采集影像，能夠清晰地記錄地球表面的建筑、道路、水系、植被等數(shù)據(jù)，再通過專業(yè)的數(shù)據(jù)處理軟件,生成直實(shí)的能夠反映地物的外觀和位置等屬性信息的三維模型。該技術(shù)已廣泛應(yīng)用于城市管理、應(yīng)急指揮、國土資源規(guī)劃等行業(yè)。

1 項(xiàng)目范圍

1.1 測區(qū)概況

本次航測的區(qū)域隸屬瓊海市博鰲鎮(zhèn)，中心位置位于東經(jīng)110°35’34”，北緯19°9’55”，位于瓊海市的東部，萬泉河與南海交匯處。博鰲是海南著名的“十大文化名鎮(zhèn)”之一，自然風(fēng)光優(yōu)美，人文沉淀深厚，融江、河、湖、海、山麓、島嶼于一體，集椰林、沙灘、奇石、溫泉、田園的資源精華于一身，有“世界上自然景觀保持最完美的出?？凇焙拖碛惺澜缂崴辜o(jì)錄的“玉帶灘”自然奇觀。因著名的“亞洲論壇”永久落戶于此，成為風(fēng)云際會的“亞洲之心”，同時是著名的“華僑之鄉(xiāng)”，美麗風(fēng)情的“天堂小鎮(zhèn)”。

本項(xiàng)目范圍如圖1所示。

圖1 測區(qū)范圍

1.2 控制點(diǎn)和檢查點(diǎn)測量

利用海南CORS系統(tǒng)獲取的控制點(diǎn)成果，該成果采用CGCS2000高斯投影坐標(biāo)系統(tǒng)，屬于3度分帶37帶，高程采用1985國家高程基準(zhǔn)。

每2條航線和5-10條基線布設(shè)至少1個控制點(diǎn)，不規(guī)則區(qū)域在凹凸轉(zhuǎn)折處增加控制點(diǎn)，共計布設(shè)約65個控制點(diǎn)、14檢查點(diǎn)。

1.3 PHOTOMESH軟件介紹

PhotoMesh是Skyline旗下的傾斜攝影自動批量建模軟件，是基于圖形運(yùn)算單元GPU快速三維模型的構(gòu)建軟件。它通過攝影測量原理，可以將多種源數(shù)據(jù)、分辨率、任意數(shù)據(jù)量的照片轉(zhuǎn)化為高分辨率的、帶有圖像紋理的三維網(wǎng)格模型。具體來說，它通過對獲得的傾斜影像、街景數(shù)據(jù)、拍攝照片等不同數(shù)據(jù)源數(shù)據(jù)進(jìn)行同名點(diǎn)選取、多視匹配、三角網(wǎng)（TIN）構(gòu)建、自動賦予紋理等步驟，最終得到三維模型。該過程僅依靠簡單連續(xù)的二維圖像，就能還原出最真實(shí)的真三維模型[1]，完全無需人工干預(yù)便可以完成海量城市模型的批量處理。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 傾斜攝影測量平臺

博鰲鎮(zhèn)測區(qū)數(shù)據(jù)獲取使用SWDC-5傾斜數(shù)碼航空攝影儀1臺，鏡頭編號：5031，相機(jī)焦距：下視50mm/側(cè)視70mm。

SWDC-5是國內(nèi)最早推出的國產(chǎn)航空傾斜攝影儀，是中國測繪科學(xué)研究院下屬單位研發(fā)的第一臺國產(chǎn)傾斜攝影裝備，它通過1個垂直拍攝和前后左右4個40～45°傾角拍攝得到多視角影像、建筑物墻體真實(shí)紋理，主要用于城市三維建模，可廣泛應(yīng)用于智慧城市基礎(chǔ)地理空間建設(shè)領(lǐng)域，廣泛的得到業(yè)內(nèi)的認(rèn)可。

2.2 技術(shù)路線

本文利用已獲取的優(yōu)于0.05米分辨率的多角度原始影像，并對原始影像進(jìn)行預(yù)處理和分析，排除獲取到的影像資料中存在的一些問題，比如試飛影像，大面積純海域的影像等；外業(yè)利用RTK連接海南CORS系統(tǒng)站進(jìn)行相片控制測量，采集一定數(shù)量的地面控制點(diǎn)；采用的成熟高效的全自動三維建模軟件PHOTOMESH，將傾斜影像進(jìn)行空中三角測量，獲得所有影像的高精度外方位元素，通過影像密集匹配獲得三維點(diǎn)云，構(gòu)建3D TIN模型，然后進(jìn)行自動紋理關(guān)聯(lián)和貼圖；最后進(jìn)行三維模型構(gòu)建?？衫肞HOTOMESH“Fuser Farm機(jī)器資源分配機(jī)制”空三分布式算法技術(shù)，擴(kuò)展數(shù)據(jù)處理節(jié)點(diǎn)，一個工程一次性可處理數(shù)十萬張影像運(yùn)算量。

3 數(shù)據(jù)處理

3.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

3.1.1 按要求整理POS數(shù)據(jù)和控制測量成果。

3.1.2 檢查航測的相片，對原始色彩較暗的相片，時行勻光勻處理。

3.2 多視影像匹配和聯(lián)合平差

建立工程項(xiàng)目，導(dǎo)入航測時提供的POS數(shù)據(jù)、相機(jī)參數(shù)文件，以及建立不同等級金字塔的影像[2]，在每個層級的影像上進(jìn)行特征點(diǎn)的密集匹配，對多視影像構(gòu)成的自由網(wǎng)進(jìn)行聯(lián)合約束平差解算，當(dāng)自由網(wǎng)迭代至中誤差小于1/3個像素，最大殘差小于2/3像素時，即完成相對定向。若在解算過程中無法達(dá)到精度要求，可通過人工排查的方式，找出同名點(diǎn)中誤差較大的點(diǎn)，根據(jù)實(shí)際情況對點(diǎn)位進(jìn)行調(diào)整或直接刪除，直至滿足精度的要求。

3.3 控制點(diǎn)轉(zhuǎn)刺

控制點(diǎn)轉(zhuǎn)刺是最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，刺點(diǎn)的準(zhǔn)確度和每個控制點(diǎn)在5個視角影像上分布的密度都會影響空三的精度。將控制點(diǎn)導(dǎo)入已完成相對定向的空三加密網(wǎng)。此測區(qū)按每個控制點(diǎn)落在每個測視角50張片子測量。在確?？刂泣c(diǎn)刺點(diǎn)準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)上，進(jìn)行整體的區(qū)域網(wǎng)平差，最終構(gòu)建的區(qū)域網(wǎng)控制點(diǎn)在x、y方向的中誤差分別為0.003m、0.003m；檢查點(diǎn)在在x、y方向的中誤差分別為0.053m、0.070m。完成絕對定向?？杖龍蟾嬉妶D2。

圖2 空三報告

3.4 多視角影像密集匹配構(gòu)建3D TIN 模型

利用處理過畸變改正后的影像和空三加密的外方位元素，創(chuàng)建立體像對，通過軟件內(nèi)制的算法對多視影像進(jìn)行密集匹配，獲取影像上同名點(diǎn)坐標(biāo)，構(gòu)建地物密集的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。基于點(diǎn)云進(jìn)行三角網(wǎng)構(gòu)建，在構(gòu)建過程中盡可能地保證每個三角形是銳角三角形或三邊的長度近似相等，避免出現(xiàn)過大的鈍角和過小的銳角，再次優(yōu)化三角網(wǎng)形，即可獲得滿足要求的3D TIN模型數(shù)據(jù)。

3.5 自動紋理關(guān)聯(lián)與貼圖

紋理關(guān)聯(lián)和貼圖有軟件自動完成。3D TIN 模型紋理關(guān)聯(lián)和貼圖主要通過3D TIN 模型與紋理圖像的配準(zhǔn)再進(jìn)行紋理貼附。使用每個三角形面片的法線方程與圖像之間的角度關(guān)系合適的紋理影像，使3D TIN 模型上的三角面片對應(yīng)一幅目標(biāo)影像，然后計算出3D TIN 模型中的每一個三角網(wǎng)形與對應(yīng)區(qū)域之間影像的幾何關(guān)系，找到每個三角形面在紋理影像中對應(yīng)的實(shí)際紋理區(qū)域，實(shí)現(xiàn)三維TIN模型與紋理影像的配準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)紋理貼附[3]。

3.6 模型精度評定

三維模型構(gòu)建完成后，采用檢查點(diǎn)對模型的精度進(jìn)行評定，檢查點(diǎn)具有明顯的特征的地物坐標(biāo)，如道路斑馬線端點(diǎn)、圍墻的拐角、房屋頂角等。見表1，平面中誤差為0.052m，高程中誤差為0.069m，滿足設(shè)計指標(biāo)要求。

表1 分區(qū)控制點(diǎn)平差情況

4 局限性分析

在使用PHOTOMESH對BOAO鎮(zhèn)建立三維模型的作業(yè)中，發(fā)現(xiàn)此軟件有兩個明顯的缺點(diǎn)：①模型生成的.OSGB、.OBJ格式文件不是通用的模型文件，如需常見的軟件查看還需用自帶的插件時行轉(zhuǎn)換；②水體置平采集的水面范圍只能在自身軟件下采集，這樣局限了軟件的兼容性。此外，生成的三維模型成果中還存在某些區(qū)域拉花變形，這些區(qū)域主要是密集的建筑群、電線桿、塔狀地物等。導(dǎo)致這些區(qū)域拉花變形的主要原因是：①航拍時影像紋理缺失；②紋理特征不明顯等。因此，后期三維模型的修補(bǔ)將會存在較大的工作量。

5 結(jié)束語

本文利用PHOTOMESH軟件，對博鰲鎮(zhèn)樂城區(qū)執(zhí)行了三維模型構(gòu)建的整體流程，雖然生成的是大場景的三維模型，且某些區(qū)域的模型存在拉花變形的問題，但是在整個生產(chǎn)過程軟件合理利用多個計算節(jié)點(diǎn)的資源，并且高度自動化處理，大大提高了生產(chǎn)效率，精度滿足要求。