利用航空攝影數(shù)據(jù)進(jìn)行城市三維模型制作

程 壘

(中科遙感科技集團有限公司，北京100080)

一、引 言

三維城市模型的構(gòu)建，一直是測繪領(lǐng)域的主要發(fā)展趨勢和熱門研究課題，在城市規(guī)劃、國土管理、通信、房地產(chǎn)、城市應(yīng)急減災(zāi)、虛擬現(xiàn)實等行業(yè)領(lǐng)域具有極為重要的應(yīng)用價值［1］。

目前業(yè)內(nèi)針對城市三維建筑模型還沒有一個建模標(biāo)準(zhǔn)，筆者基于近兩年的項目與技術(shù)實踐，認(rèn)為構(gòu)筑數(shù)字城市中的模型數(shù)據(jù)應(yīng)該至少包含以下要素:高精度的地形數(shù)據(jù)、準(zhǔn)確的建筑模型以及真實的城市紋理和真實的要素模型等，這是城市最真實化的展示。

基于最真實的城市模型數(shù)據(jù)，才可以實現(xiàn)三維視角下的城市空間信息管理、查詢和分析，使普通用戶不僅能有接近現(xiàn)實世界真實的感受，也為專業(yè)用戶提供城市空間現(xiàn)狀更為真實、客觀和準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)分析。

二、A3航空攝影技術(shù)介紹

1．硬件簡介

2011年以色列VisionMap公司推出了大幅面A3數(shù)字航攝儀，將傳統(tǒng)框幅式與推掃式優(yōu)點結(jié)合起來，并且配備300 mm超長焦距，可以高效率同步獲取正射和傾斜高分辨率影像。

A3數(shù)字航攝儀由存儲器、小型計算機、GPS、電源、控制終端接口及旋轉(zhuǎn)雙鏡頭組成，如圖1所示。

圖1 A3數(shù)字航攝儀硬件

主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 A3數(shù)字航攝儀主要技術(shù)參數(shù)表

2．主要技術(shù)特點

1)300 mm 超長焦距在相同航高下可以獲取超高分辨率影像數(shù)據(jù)，保證城市影像分辨率質(zhì)量和效果。

2)109°超大視場角可以獲取超大幅面影像數(shù)據(jù)，不但采集效率高，還可以同步采集不同角度的影像。

3)70%以上超高重疊度可獲取同一地物的多角度觀測影像，保證航帶間影像加密點數(shù)量，提高空三精度。

4)LightSpeed全自動數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，可以保證數(shù)據(jù)的生產(chǎn)效率。

三、三維模型制作方法

1．技術(shù)路線

基于A3航空攝影數(shù)據(jù)特點，同時吸收了傳統(tǒng)建模方法中手工制作的優(yōu)點，形成了一套較完整的解決方案，可以有效解決傳統(tǒng)城市三維建模的不足。

該方案利用A3數(shù)字航攝儀提供的超大幅面立體像對(supor large format，SLF)同步采集建筑物矢量模型、地形，并利用大角度傾斜影像映射建筑模型側(cè)面紋理。另外，為了彌補航空采集不足，地面底商、樓宇遮擋以及小品等區(qū)域，通過地面拍照方式進(jìn)行采集制作，如圖2所示。

圖2 三維場景制作路線圖

該技術(shù)路線具有如下特點:

1)利用A3高空航空攝影的作業(yè)方式，可以進(jìn)行大面積、高效率的采集，特別適合大范圍、快速的城市建模需求。

2)超大幅面立體像對(SLF)可以用于采集準(zhǔn)確的建筑物輪廓幾何信息，并同步提取高分辨率的紋理，節(jié)省紋理單獨制作環(huán)節(jié)。

3)A3長焦距影像可以制作城市準(zhǔn)真正射影像，保證城市密集區(qū)的視覺效果，與三維模型整合的三維場景更真實。

4)此種方式建立的建筑物模型為單體的、對象化的模型，可以對各個模型進(jìn)行單獨的加工、修改、編輯，甚至添加各種屬性信息。

5)實景模型數(shù)據(jù)精確，三維GIS分析結(jié)果準(zhǔn)確度更高，可以滿足規(guī)劃、國土、城市管理等領(lǐng)域的應(yīng)用需求。

2．三維模型制作

利用超大幅面立體像對(SLF)進(jìn)行三維模型的制作。在立體采集環(huán)境的支持下，類似傳統(tǒng)DLG采集模式，采集建筑物幾何信息。較傳統(tǒng)航攝相機，SLF立體像對由于視場角度大，可以最大可能采集到建筑物側(cè)面幾何信息，如圖3所示。

圖3 建筑矢量白模

3．實景紋理制作

(1)傾斜影像空間定位

經(jīng)過空三加密輸出的SLF立體像對具有精確的影像外方位元素，可以準(zhǔn)確恢復(fù)每張影像的空間位置，具有精確的三維坐標(biāo)信息，如圖4所示。

圖4 SLF傾斜影像

(2)紋理制作

在制作出高精度的體框模型后，基于定位后傾斜影像本身的特點，結(jié)合數(shù)字三維及空間幾何投影技術(shù)選取每個模型面，獲得其角點的物方坐標(biāo)(X，Y，Z)，已知傾斜影像的外方位元素及傾斜影像本身的投影框物方坐標(biāo)(X，Y，Z)，通過判斷每張傾斜影像與該模型面是否相交篩選出與之模型面對應(yīng)的所有影像集，然后利用共線方程，計算出所選模型面在每張像片上的投影像點坐標(biāo)(x，y)，通過篩選算法按照影像質(zhì)量及影像投影面最優(yōu)原則將相應(yīng)影像集排序，挑選最優(yōu)影像稍作編輯，最后將所選像片紋理部分截取并計算出紋理坐標(biāo)自動映射到模型面上，從而實現(xiàn)實景三維模型的自動化紋理提取映射功能［2］，如圖5所示。

圖5 模型紋理映射

四、應(yīng)用案例

2014年4月，在北京市選取了約50 km2建成區(qū)進(jìn)行A3影像數(shù)據(jù)采集，為了更好采集側(cè)面紋理，測區(qū)采用雙向交叉飛行方式，如圖6所示，測區(qū)技術(shù)參數(shù)見表2。

圖6 試驗區(qū)域航線設(shè)計

該項目制作完成1∶1000數(shù)字高程模型(DEM)、數(shù)字正射影像(DOM)，并針對核心區(qū)進(jìn)行了實景城市模型制作，如圖7所示。

表2 測區(qū)技術(shù)參數(shù)表

圖7 三維模型效果

五、三維建模技術(shù)探討

1．精細(xì)的模型不一定真實

在傳統(tǒng)三維模型制作中，為了三維可視化效果的需要，模型數(shù)據(jù)在制作與認(rèn)識上偏離了三維應(yīng)用的根本需求。模型制作的精細(xì)、精美并不等于數(shù)據(jù)的真實、可靠。

傳統(tǒng)精細(xì)模型的制作多數(shù)依靠人工拍照方式進(jìn)行結(jié)構(gòu)細(xì)化，受制于地面拍照范圍限制，多數(shù)模型結(jié)構(gòu)只能靠經(jīng)驗估算。在缺少準(zhǔn)確數(shù)據(jù)的支撐前提下，一味地追求模型精細(xì)度，最終導(dǎo)致的是人為制造的精細(xì)，增加了大量冗余數(shù)據(jù)，降低了數(shù)據(jù)使用效率。同時因為真實度不高，在實際數(shù)據(jù)應(yīng)用中無法體現(xiàn)三維的價值。

以數(shù)碼航攝、激光雷達(dá)等為代表的新技術(shù)中，可以保證建筑模型的相對與絕對精度，另外利用傾斜影像作為紋理源，保證了每個模型面都具備唯一的真實紋理，杜絕虛假紋理，增加了模型的真實度。

2．模型可對象化操作

隨著傾斜攝影技術(shù)快速發(fā)展，基于大重疊度傾斜影像可以快速重建城市三維，提高了用戶瀏覽地圖時的城市三維體驗。但是，在近距離瀏覽該數(shù)據(jù)時，可以發(fā)現(xiàn)在建筑細(xì)節(jié)方面還有較大缺陷，不能進(jìn)行精細(xì)化三維應(yīng)用。另外，該數(shù)據(jù)不同于傳統(tǒng)的三維數(shù)據(jù)，在成果格式和應(yīng)用平臺均有特殊要求，只能以特定的格式和平臺進(jìn)行瀏覽展示。

模型的可對象化操作與目前地理信息平臺數(shù)據(jù)三維分析需求相對應(yīng)。只有可對象化操作的模型才方便進(jìn)行編輯、更新和關(guān)聯(lián)相關(guān)屬性信息，進(jìn)行城市精細(xì)化管理應(yīng)用。如在建筑方案規(guī)劃對比中，可以進(jìn)行單體模型替換，多方案綜合對比。在城市拆遷分析中，關(guān)聯(lián)建筑年代、住戶人口等相關(guān)信息，準(zhǔn)確分析拆遷成本等重要數(shù)據(jù)。

3．城市級三維數(shù)據(jù)的考驗

傳統(tǒng)三維建模受作業(yè)效率限制，基本以小場景景觀建模為主，數(shù)據(jù)量對三維平臺考驗不大。在傾斜攝影技術(shù)出現(xiàn)后，城市量級的快速建模需求得以解決。隨之而來是城市三維整體數(shù)據(jù)量的激增，對三維應(yīng)用平臺帶來了巨大的考驗。因此，一方面在分析應(yīng)用需求的同時，制定適宜的模型制作標(biāo)準(zhǔn)，控制模型數(shù)據(jù)量;另一方面三維應(yīng)用平臺還需要不斷完善承載能力，提高大數(shù)據(jù)的加載流暢度和紋理顯示效果。只有在三維數(shù)據(jù)和平臺相互促進(jìn)不斷提高時，才能真正展現(xiàn)出城市真實的三維場景，將三維數(shù)據(jù)服務(wù)于城市管理和決策。

六、總 結(jié)

A3作為一種新型航空攝影系統(tǒng)，在數(shù)據(jù)采集中具備高效率、高分辨率、高精度的特點，同時還能采集真正射和傾斜影像數(shù)據(jù)，在城市三維建模中具有獨特的技術(shù)優(yōu)勢。

基于A3航攝數(shù)據(jù)制作三維模型，在傳統(tǒng)建模路線上進(jìn)行了局部創(chuàng)新，新建了一套新的建模方法和技術(shù)流程，充分利用A3數(shù)據(jù)優(yōu)勢，提高模型質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

城市三維模型只有在滿足現(xiàn)勢性、真實性和準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)上，且能結(jié)合現(xiàn)有三維GIS平臺進(jìn)行單體化操作、城市級大數(shù)據(jù)分析，才能發(fā)揮三維數(shù)據(jù)價值，為城市智慧決策提供分析依據(jù)。

［1］ 陳倬，王丹，李成名，等．?dāng)?shù)字城市與城市信息化建設(shè)［J］．地理信息世界，2004(5):23-27．

［2］ 程向斌，闞曉云，王博，等．基于傾斜影像技術(shù)的自動紋理映射［J］．測繪與空間地理信息，2013(S1):56-58．