基于數字攝影測量快速建模的方法研究

黃昌勝，孫黎明

(佳木斯市勘察測繪研究院，黑龍江佳木斯 154004)

1 引言

隨著計算機技術及三維仿真技術的發展，三維城市模型的建設和應用技術也得到了快速發展，其需求也越來越旺盛。成熟的三維城市模型建模方法很多:有通過二維數據直接拉伸獲得簡單白模的方法，有通過手工建立精細模型的方法，有利用LiDAR掃描生成真實模型的方法，2011年10月，Esri公司正式發布了其領先的三維建模軟件Esri CityEngine 2011，提出一種程序化的規則建模新技術，具有突破性，非常適合于三維建筑設計。本文主要介紹一種基于數字攝影測量的快速建模技術，這種方法的特點是精度高，模型真實，建模速度快。基于數字攝影測量構建三維城市模型的優勢在于不僅可以生產制作用于構建地面模型所需的高精度DEM和真正射影像圖資料，而且可以采集獲取絕對位置準確、相對關系正確、紋理信息真實的建筑物三維模型。下面重點探討基于數字攝影測量建立建筑物三維模型的原理、流程及其關鍵要點。

2 基本原理

三維城市模型由地面模型、建筑物模型、城市部件模型、植被模型以及附屬設施模型等組成。地面模型可以通過DEM與DOM疊加的方式來獲取，復雜的地面模型可以通過手工方式來建模。城市部件、植被以及附屬設施可以采用模型樣本按位置種植或對點狀要素進行符號化的方式進行建模。建立這些模型所需的數據可以利用數字攝影測量直接獲取，比較簡單，下面重點介紹建筑物模型的獲取原理。

基于數字攝影測量建立建筑物三維模型有兩項內容，一是建筑物幾何模型的生成，二是幾何模型頂面和側面紋理的獲取。

2.1 模型的生成

模型生成階段，主要任務是獲取由頂部及側面多邊形構成的建筑物白模。建筑物幾何模型的頂部如無遮擋可以在數字攝影測量工作站中直接采集獲得，如圖1(a)、(b)所示。較低的建筑物如被較高的樹冠或其他較高的建筑物遮擋，需要采用全站儀等設備到現場補測幾何外形及紋理。建筑物幾何模型的側面多邊形可以通過頂部幾何圖形的邊線沿重力方向向地面作垂面獲得，頂部幾何圖形的所有邊均按此方法處理即可獲得建筑物幾何模型的所有側面多邊形，如圖1(c)所示。建模過程中參照的地面可以采用基于數字攝影測量方法生產的數字高程模型。

圖1 建筑物三維模型的采集與生成

2.2 紋理的獲取

紋理獲取階段，主要任務是從像片中截取已經獲得的建筑物白模各個表面的紋理。如圖2所示，(a)、(b)、(c)是同一建筑物在同一航線相鄰3張像片中的成像，(d)是該建筑物在相鄰航線像片中的成像。要獲取該建筑物的紋理，首先需要根據建筑物的相對關系及成像位置選擇截取紋理的最佳像片。因為對于中心投影的航攝像片來說，建筑物的各個面根據航攝位置的不同或被拍到或被遮擋，所以不同表面的紋理需要從不同的像片上來截取，通常選取建筑物居于像片中心位置的像片及其上、下、左、右4張相鄰像片。圖2中橫實線暈線部分是獲取建筑物模型頂面紋理的選擇方式，圖2中豎虛線暈線部分是獲取建筑物模型側面紋理的選擇方式。其次是確定紋理的截取范圍。由式(1)共線方程知，如像片主距(f)及外方位元素(Xs、Ys、Zs、φ、ω、К)已知，建筑物每個角點(X、Y、Z)在像片上的成像(x、y)就可以計算出來的，這樣由角點組成的每個表面在像片上的成像多邊形就可以計算出來，該成像多邊形也就是模型表面紋理的截取范圍。最后需要對截取到的紋理進行糾正。由于建筑物表面成像后在像片上會發生變形，所以需要對截取到的紋理進行變換以還原到原有的表面形狀。

圖2 建筑物模型紋理的獲取

3 作業流程

從航空攝影開始，需要進行外業像控、內業加密、立體像對建立、DEM生產、真正射影像圖制作、建筑物模型采集與生成、紋理提取、模型編輯整合轉換、三維城市模型系統集成等環節，如圖3所示。

圖3 三維城市模型的數字攝影測量方法建模流程

4 建模要點

4.1 對航空攝影的要求

為了建立三維城市模型，航空攝影需要進行專項設計，以滿足制作真正射影像圖的需要及保證建筑物的每個面能夠取到理想的紋理信息。通常采用增加航向及旁向重疊度的方法，要求航向和旁向重疊度不能低于70%。如圖4所示，像片的每個位置均能保證9°重疊(圖中陰影部分)，這樣能夠保證建筑物的頂面和側面以及周圍地面能被充分拍到而不被遮擋。也可以按常規重疊度采用東西和南北交叉重疊攝影的方式，同樣可以保證充分獲取到地面及建筑物的紋理信息。目前，越來越廣泛的采用傾斜攝影的方式，航攝相機由多個不同角度的鏡頭組成，一次飛行可以獲取多個角度的影像，且獲取到的建筑物的側面影像的質量非常高。為了提高DEM以及建筑物模型的精度，采用機載LiDAR直接獲取地面及建筑物表面模型的方法也得到了越來越廣泛的應用。

圖4 航空攝影設計

4.2 地面的精細建模

在平坦地區或對地面模型要求不高時，可以采用DEM與DOM疊加的方式來構建地面模型。但要建立復雜的地面精細模型，需要DEM的格網間距足夠小，這樣數據量會急劇增加，盡管如此，在人工地貌或破碎地貌區域，地面模型的精度也不會有明顯的改善。為了精細表示人工地貌(如陡坎、堤壩、溝渠、臺階等)，可以采用TIN與DOM疊加的方式來建立地面模型或采用3ds Max手工方式直接建立地面模型，當然也可以利用攝影測量技術按照建筑物模型的采集方法來采集，只是這種方法僅需考慮頂面紋理的獲取而不需考慮側面紋理的獲取。這種方法建立的地面精細模型，需要編輯一個對應范圍的低于地面的假的DEM，這樣系統集成時，地面精細模型才能與DOM疊加DEM形成的地面模型套合。

4.3 建筑物的立體采集

立體采集建筑物時只采集頂部，根據形狀可將頂部分割成一個個相鄰的閉合多邊形，采集時應注意公共節點要三維捕捉，保證公共邊完全重合。建筑物的各部分如果高度不同應分別采集，需要注意的是高的部分與矮的部分交匯處不應有空隙，否則外觀上會出現破面，影像模型的可視性。采集時還應注意，在保證精度的情況下應盡量減少節點的數據量，節點越少模型的數據量越小。模型的坐標數值較大時，在3ds Max中進行模型編輯、整合、轉換時速度會較慢，而且容易出錯，因此采集前應將立體像對的左下角平移到原點(0，0)位置，建庫時再將平移量加上以還原到真實位置。

5 結語

在佳木斯市中心區三維城市模型的建設中，我們充分利用2006年和2010年的兩期同一相機的常規航空攝影數據，開展了基于數字攝影測量快速建模的研究和實踐活動，2名生產人員利用3個月的時間完成了9000多個建筑物模型的生產任務。在這個項目中，2010年的航空攝影盡管沒有按照本文4.1節的要求實施，但充分利用了2006年的航空攝影數據，并通過拍攝現場照片的方法加以補充，較好地彌補了重疊度不足，紋理獲取不全的問題，取得了很好的效果和實踐經驗，如圖5所示。

圖5 佳木斯市中心區的三維城市模型

基于數字攝影測量的快速建模技術具有速度快、精度高、模型真實的特點。與其他建模方法相比，基于數字攝影測量的快速建模方法是三維城市模型的整體解決方案，不僅可以快速建立建筑物三維模型，而且可以快速建立地面三維模型，具有投入少、產出多、產品全的優點，是對傳統數字攝影測量生產4D產品的延伸和發展，有利于提高航空攝影的數據利用率，降低成本，增加產出。

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