利用Pictometry傾斜攝影技術進行全自動快速三維實景城市生產
——以常州市三維實景城市生產為例

田 野，向 宇，高 峰，高 亮

(北京天下圖數據技術有限公司，北京100083)

一、引 言

傾斜攝影技術是國際測繪領域近些年發展起來的一項新的對地觀測技術。該技術目前已在歐美等發達國家廣泛應用于應急指揮、國土安全、城市管理、房產稅收等行業。北京天下圖數據技術有限公司則在2010年4月首次將世界領先的傾斜攝影技術引入中國，開啟了中國航空傾斜攝影時代。

目前，我國已經啟動數字城市建設，然而傳統的手工三維模型生產技術需要耗費大量的人力和時間，同時基于影像的立體像對建設工藝和基于矢量樓塊的快速建模工藝比較簡單，不能生成較好的精細模型［1］。此外，由于人工紋理采集的局限性，三維模型呈現的真實性較差，且紋理采集依然需要耗費大量人力和時間。因此，傳統三維建模技術已不能夠滿足我國數字化城市建設的需求，而快速自動真實三維場景生產便顯得尤為迫切。傾斜影像能夠提供豐富的紋理信息，結合三維模型制作，能夠得到更真實的三維場景。本文以江蘇省常州市為例，介紹如何采用傾斜攝影技術進行全自動快速三維實景城市生產。

二、傾斜攝影技術介紹

1.國內外傾斜攝影技術簡介

傾斜攝影技術顛覆了以往正攝影像只能從垂直角度拍攝的局限，通過在同一飛行平臺上搭載多臺傳感器，同時從多個不同的角度采集影像。由此獲得的傾斜影像不僅能夠真實地反映地物情況，而且還能利用先進的定位技術，嵌入精確的地理信息［2］。

國外傾斜攝影系統主要分3種類型：扇形布局、塊狀布局和馬耳他十字形布局。扇形布局主要用于勘察;塊狀布局主要用于測圖和監察;馬耳他十字形布局的系統是Pictometry公司的5鏡頭系統，用于可視化、測圖和解譯。這些類型的傾斜攝影系統鏡頭數有2～6個［3］。目前，Trimble公司推出了一款由3個相機組成(一個垂直和兩個傾斜相機)的航空傾斜攝影系統，設備由相機、IMU、POS、機箱等組成。其拍攝原理是要保證能夠獲取地物的4個側面信息，每次拍照結束后，連成一體的3個相機都會旋轉90°，待下次拍照后再次旋轉回來。

國內方面，劉先林院士研制的SWDC-5傾斜攝影系統成功地完成了平頂山試驗，是國內的傾斜相機的一大突破。SWDC-5通過同一飛行平臺分別用5個視角對地進行拍攝，并集成POS系統，以獲取每張影像的位置及姿態信息。

2.Pictometry傾斜攝影系統

(1)Pictometry傾斜攝影系統組成

Pictometry傾斜攝影系統包括硬件設備和軟件系統［4］。硬件設備包括飛行平臺、傾斜相機、POS AV;軟件系統包括航線設計軟件CountyPlanner、數據預處理軟件 Developer、POS解算軟件 POSPac 5.3。

(2)硬件設備簡介

1)飛行平臺。飛機巡航速度要求不超過222 km/h，目前國內僅有運五飛機滿足要求。

2)傾斜相機。傾斜攝影相機由5個相機組成。其中，camera 0鏡頭垂直向下(正攝鏡頭)，其他4個傾斜相機鏡頭如圖1所示分別固定在camera 0的前后左右，分別用于獲取地物東南西北四個側面的影像，傾斜角均為40°［3］。相機固定位置及技術參數見表1。

圖1 傾斜相機示意圖

表1 相機固定位置及技術參數

3)POS AV。Pictometry傾斜攝影系統中POS型號為POSAV510。

(3)傾斜攝影成像機理

傾斜攝影相機工作時，5個鏡頭并非同時曝光，而是不同的相片重疊度采用不同的曝光順序。一般旁向取30%重疊度，航向取66%重疊度，其曝光順序為CRF、C、L、C、B。其中，C 代表中心正攝鏡頭;R代表右側鏡頭;F代表前側鏡頭;L代表左側鏡頭;B代表后側鏡頭。曝光間隔一般小于1 s，但一組曝光要持續幾秒。圖2為一組曝光所采集影像示意圖，圖3為采集到的相鄰位置正攝與傾斜影像示意圖［5］。

圖2 一組曝光采集影像示意圖

圖3 相鄰位置正攝與傾斜影像示意圖

三、全自動快速三維實景城市生產技術路線

圖4為全自動快速三維實景城市生產技術路線圖。在數據獲取階段，本文采用Pictometry傾斜攝影系統進行數據獲取;在數據處理階段，采用Street Factory三維建模技術進行空中三角測量、全自動匹配三維模型、構建TIN模型和貼紋理。

圖4 全自動快速三維實景城市生產技術路線

四、基于傾斜攝影技術的常州市三維城市生產實例

1.測區概況

江蘇省常州市地處長江三角洲西部，太湖平原西北，北緯31°09'～ 32°04'，東經119°08'～ 120°12'之間。地貌類型屬沖積平原，境內地形復雜，山區平圩兼有，境內地勢西北略高，東南略低。常州地處中緯度，離海較近，屬北亞熱帶季風性濕潤氣候區。本項目測區地勢相對平坦，數據涵蓋鐘樓、新北開發區，主要集中在鐘樓商業區，共42 km2。

2.航線設計

航線設計采用CountyPlanner航線設計軟件進行設計。常州項目測區面積為42 km2，飛機飛行相對航高為860 m，飛行時間計劃為3 h，測區航線條數為30條，影像地面分辨率為10 cm，正射影像航向重疊度為66%，旁向重疊度為30%。控制場面積為6 km2(2 km×3 km)，航線條數為2條。航線設計分布如圖5所示，圖5中左側為控制場航線設計圖，右側為測區航線設計圖。

圖5 控制場和測區航線設計

3.全自動快速三維模型生產

(1)技術特點和成果特點

1)技術特點。利用StreetFactory進行三維場景自動生成，其自動程度高，可全自動進行正攝影像與傾斜影像的聯合空中三角測量，全自動化構建三維模型，全自動化貼紋理形成最終三維真實場景;其建模效率高，建模效率高達4 h/km2。

2)成果特點。紋理真實、建筑物模型真實、能表現細部特征、精度高。

(2)空中三角測量

空中三角測量是對正攝影像與傾斜影像進行聯合空中三角測量。首先將數據導入到系統中，共導入了4800張影像，并將全部影像作空三和糾正處理，圖6為正攝影像的分布情況;然后自動匹配同名點，共匹配出同名點數量4萬個，圖7為同名點分布情況，圖8為匹配出的同名點結果。其精度在0.3～0.4個像素，這一精度結果將決定下一步三維建模的精度，利用空三的結果和影像分辨率估算模型精度在25 cm左右。

圖6 正攝影像分布情況

圖7 自動匹配同名點圖

圖8 匹配的同名點結果精度

(3)構建三維模型(TIN)

由于任何一個物體都可以用多個三角網來構建，所以本文中三維模型的構建是通過匹配模型對來構建不規則三角網(TIN)，以進行三維建模。TIN的大小取決于地物的復雜程度、相片的重疊度。如果影像的重疊度高，有足夠的模型對，并且建筑物比較復雜，則構建的TIN密度會很高，格網尺寸會較小;反之，格網尺寸則會較大，TIN密度較低。圖9為樓體的三維模型構建圖，從側面來看，陽臺(突出的部分)也能夠很好地構建出來，其中在陽臺的部分TIN的密度較高，在墻體的部分TIN的密度較低。圖10為拱橋三維模型的構件圖。

圖9 樓體三維模型構建圖

圖10 拱橋三維模型構建圖

(4)貼紋理

三維實景城市生產的絕大部分工作量集中在為三維模型貼紋理。三維模型貼紋理是三維建模關鍵的一步，而紋理的選取是體現實景的關鍵所在。本項目是從完成空三的傾斜影像上全自動提取位置相對應的紋理信息，并將其貼到對應的模型面上，從而完成三維實景城市的生產。由于傾斜影像上的紋理記錄的是真實地物紋理信息，因此三維模型的顯示與真實物體保持一致。圖11(a)為建筑物三維模型白膜，圖11(b)為貼紋理的三維模型，從圖11(b)中可以很清楚地看到建筑物頂部鏤空部位也被很好地構建并真實地顯示出來。

圖11 建筑物白膜及建筑物貼紋理后

(5)常州市三維實景城市結果瀏覽

圖12為常州市三維真實場景，圖13為三維模型單體建筑物展示。

圖12 常州三維真實場景

圖13 三維模型單體建筑物展示

五 、結論和展望

本文利用傾斜攝影技術和Street Factory三維建模技術完成了江蘇省常州市全自動三維實景城市生產。其建模效率在4 h/km2，是傳統建模方法的數倍;同時，此方法在模型細節上體現很好，可以將建筑物鏤空部分、小突出部分等構建出來;并且，解決了采集真實紋理困難、效率低下的難題，真正實現了全自動快速三維實景城市的生產。但其也仍然存在一些問題，現將這些問題及今后的工作方向總結如下：

1)此方法構建的三維模型是全自動構建，并自動貼紋理，有時會出現建筑物不完整及紋理變形等問題，需要后期手動修正，如何修正以達到所需效果是下一步工作方向。

2)此方法構建的三維模型是基于不規則三角網的模型，道路、樹木等都是這樣構建的，整個成果是一個大場景，如何對數據分層也將是下一步研究作的重點。

［1］胡志超，張鴻儒.基于數字攝影測量技術的城市三維仿真系統的建設與應用——以長沙大河西先導區三維規劃審批系統為例［J］.城市勘測，2011，8(4)：35-39.

［2］HOHLE J.Photogrammetric Measurements in Oblique Aerial Images［J］.Photogrammetrie Fernerkundung Geoinformation，2008(1)：7-14.

［3］PETRIE G.Systematic Oblique Aerial Photography Using Multiple Digital Frame Cameras［J］.Photogrammetric Engineering ＆ Remote Sensing，2009(2)：102-107.

［4］王偉，黃雯雯.Pictometry傾斜攝影技術及其在3維城市建模中的應用［J］.測繪與空間地理信息，2011，34(3)：181-183.