徠卡RCD30傾斜相機(jī)在城市實(shí)景三維模型制作中的方法研究及其應(yīng)用

張 峰，桑奪坤

(1. 遼寧省基礎(chǔ)測繪院，遼寧 錦州 121003； 2. 海克斯康測繪與地理信息系統(tǒng)(青島)有限公司，湖北 武漢 430072)

徠卡RCD30傾斜相機(jī)在城市實(shí)景三維模型制作中的方法研究及其應(yīng)用

張 峰1，桑奪坤2

(1. 遼寧省基礎(chǔ)測繪院，遼寧 錦州 121003； 2. 海克斯康測繪與地理信息系統(tǒng)(青島)有限公司，湖北 武漢 430072)

傾斜攝影測量是近年來國內(nèi)外測繪領(lǐng)域發(fā)展起來的高新技術(shù)。傾斜航攝儀結(jié)合高精度的GNSS IMU獲取傾斜影像及定位定向數(shù)據(jù)，經(jīng)過相關(guān)的軟件處理，最終可建立地物的三維模型。目前，國內(nèi)外已經(jīng)陸續(xù)推出了一系列傾斜相機(jī)，如RCD30 Oblique、AOS、SWDC5等。另外，相關(guān)三維建模軟件也逐漸推出，如Street Factory、Smart 3D、HxMap RealCity等。

本文結(jié)合項(xiàng)目數(shù)據(jù)，闡述了使用徠卡RCD30傾斜相機(jī)獲取數(shù)據(jù)，并利用Street Factory軟件進(jìn)行實(shí)景三維模型構(gòu)建的方法，以為此類項(xiàng)目提供參考。

1 技術(shù)方案

技術(shù)流程主要包括2部分：一是傾斜影像的獲取和像控點(diǎn)布設(shè)；二是實(shí)景三維模型生產(chǎn)。其中，傾斜影像獲取主要包括：航攝方案設(shè)計(jì)、檢校場選取、航攝儀安裝測試、地面基站布設(shè)、項(xiàng)目區(qū)及檢校場傾斜影像獲取、數(shù)據(jù)處理及像控點(diǎn)布設(shè)；實(shí)景三維模型生產(chǎn)包括數(shù)據(jù)整理、影像勻光、自動(dòng)點(diǎn)匹配、空中三角測量及三維建模。

1.1 傾斜影像獲取和像控點(diǎn)布設(shè)

1.1.1 測區(qū)航攝方案設(shè)計(jì)

航線一般按平行于測區(qū)輪廓長邊的方向而定，航線間距使用DTM輔助，計(jì)算重疊度并依此確定航線間距，完成航線的敷設(shè)工作。航向重疊度、旁向重疊度≥70%。

根據(jù)航攝儀的技術(shù)規(guī)定，基站位置在測區(qū)最遠(yuǎn)點(diǎn)50 km以內(nèi)，可選用測區(qū)附近的國家GPS B、C級(jí)點(diǎn)或同等級(jí)國家控制點(diǎn)，用于解算GNSS IMU數(shù)據(jù)。

1.1.2 檢校場設(shè)計(jì)

航攝儀在每次重新安裝時(shí)都需要檢校，重新解算視準(zhǔn)軸誤差。檢校場質(zhì)量好壞直接影響視準(zhǔn)軸誤差值的精度，進(jìn)而影響后期數(shù)據(jù)處理的質(zhì)量。

1.1.3 航攝數(shù)據(jù)內(nèi)業(yè)處理

內(nèi)業(yè)流程主要包括：①數(shù)據(jù)下載和數(shù)據(jù)檢查；②GNSS IMU數(shù)據(jù)解算；③檢校場數(shù)據(jù)解算；④輸出影像的外方位元素。

1.1.4 像控點(diǎn)測量

像片控制點(diǎn)按每平方千米1個(gè)點(diǎn)均勻布設(shè)，外圍的像控點(diǎn)盡量布設(shè)在測區(qū)邊緣。不同分區(qū)的像控點(diǎn)盡量共用。當(dāng)測區(qū)范圍內(nèi)有不規(guī)則的凹凸區(qū)域時(shí)，應(yīng)在凸角處增補(bǔ)控制點(diǎn)。

1.2 實(shí)景三維模型構(gòu)建

1.2.1 資料整理

分析測區(qū)建筑物高程、地形、河流等信息，根據(jù)航攝信息擬定建模參數(shù)和相機(jī)參數(shù)；根據(jù)航片數(shù)據(jù)量和可用磁盤空間對(duì)建模區(qū)域進(jìn)行分區(qū)，每個(gè)分區(qū)航片數(shù)控制在10 000張左右；根據(jù)分區(qū)準(zhǔn)備控制點(diǎn)、檢查點(diǎn)，保證接邊區(qū)域有足夠的控制點(diǎn)。

1.2.2 影像勻色勻光處理

影像在大范圍內(nèi)，顏色和色調(diào)基本保持一致。直方圖大致成正態(tài)分布，紅、綠、藍(lán)三通道信息分布均勻。影像紋理清晰，色差適中，無影像信息損失，特征地物點(diǎn)能夠準(zhǔn)確識(shí)別。

1.2.3 三維模型建模范圍框定和數(shù)據(jù)導(dǎo)入

根據(jù)測區(qū)情況，在要求成圖范圍的基礎(chǔ)上，外擴(kuò)30 m作為生成模型的實(shí)際范圍，并導(dǎo)入系統(tǒng)。根據(jù)影像POS信息建立工程，將影像數(shù)據(jù)導(dǎo)入軟件。

1.2.4 提取同名點(diǎn)

根據(jù)影像數(shù)量進(jìn)行分區(qū)，分區(qū)之間的重疊區(qū)域默認(rèn)為100 m，對(duì)每個(gè)分區(qū)進(jìn)行同名點(diǎn)匹配，并驗(yàn)證同名點(diǎn)提取密度，如有不足，手動(dòng)進(jìn)行添加。

1.2.5 空中三角測量

(1) 子區(qū)域網(wǎng)空中三角測量。提高空中三角測量的效率，通過區(qū)域網(wǎng)的大小及像控點(diǎn)布設(shè)情況，劃分子區(qū)域進(jìn)行子區(qū)域網(wǎng)空中三角測量。子區(qū)域網(wǎng)的所有視角影像之和一般不超過10 000張，并且對(duì)于垂直航線方向重疊的區(qū)域網(wǎng)，需要至少重疊一條航線；對(duì)子網(wǎng)進(jìn)行連接點(diǎn)匹配、平差計(jì)算、粗差點(diǎn)剔除等操作，直至連接點(diǎn)的像方誤差、數(shù)量、分布、重疊度等達(dá)到要求。

(2) 測區(qū)整體空中三角測量。所有子區(qū)域網(wǎng)完成平差計(jì)算之后，將所有子網(wǎng)進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)合并，并將所有連接點(diǎn)進(jìn)行合并。然后，轉(zhuǎn)刺像控點(diǎn)與檢查點(diǎn)，進(jìn)行測區(qū)的整體區(qū)域網(wǎng)平差計(jì)算。通過平差計(jì)算、點(diǎn)位調(diào)整等操作，直至結(jié)果滿足要求，提交空中三角測量成果并輸出。輸出成果包括調(diào)整后的外方位元素與影像，以供后續(xù)創(chuàng)建三維模型使用。

1.2.6 建立三維模型

使用調(diào)整后的空中三角測量成果與影像，根據(jù)工程指定的范圍與預(yù)設(shè)的tile大小，設(shè)置合適的參數(shù)，利用街景工廠進(jìn)行影像金字塔構(gòu)建、立體像對(duì)創(chuàng)建、點(diǎn)云匹配、不規(guī)則三角網(wǎng)構(gòu)建、三角網(wǎng)優(yōu)化簡化，完成三維模型的自動(dòng)創(chuàng)建與紋理的自動(dòng)關(guān)聯(lián)。

1.2.7 模型打包輸出

設(shè)定輸出坐標(biāo)系，高斯投影為3°分帶，將生成的模型輸出成通用的OSGB格式。

1.2.8 模型修補(bǔ)

自動(dòng)化大批量三維建模的成果在局部會(huì)出現(xiàn)一些問題，需要對(duì)模型成果進(jìn)行檢查，并對(duì)成果中產(chǎn)生的空洞、缺失或變形的I級(jí)建筑物和水面等進(jìn)行修補(bǔ)，以保證模型的美觀和完整。

1.2.9 模型投影高程轉(zhuǎn)換

將大地高成果的模型利用自帶高程轉(zhuǎn)換程序，將高程轉(zhuǎn)換為水準(zhǔn)高。

1.2.10 模型的精度分析

為分析模型的三維精度，使用GPS RTK采集了大量的檢測點(diǎn)，采集地物點(diǎn)的點(diǎn)位坐標(biāo)分析模型平面精度，采集地貌高程點(diǎn)和建筑物高度點(diǎn)分析模型高度精度。

2 試驗(yàn)區(qū)精度分析

2.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于遼寧省營口市，測區(qū)內(nèi)主要地形為平地，最高建筑約160 m。試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用徠卡RCD30傾斜相機(jī)獲取傾斜影像，傾斜攝影參數(shù)見表1。

表1 航攝基本情況

2.2 傾斜影像數(shù)據(jù)獲取和像控點(diǎn)測量

測區(qū)架設(shè)的地面基站選用全省B、C級(jí)網(wǎng)中C級(jí)LC309號(hào)點(diǎn)，該點(diǎn)位滿足技術(shù)規(guī)范要求。航攝完成后，使用徠卡Inertial Explorer軟件，采用DGPS差分技術(shù)，解算完成后對(duì)數(shù)據(jù)精度進(jìn)行評(píng)估。像控點(diǎn)按每平方千米1個(gè)的密度均勻布設(shè)，共測量像控點(diǎn)202個(gè)。

2.3 實(shí)景三維模型制作

測區(qū)面積150 km2，共45 345張航片，超出軟件推薦的單一分區(qū)范圍。考慮到建模效率、Street Factory硬件存儲(chǔ)限制及測區(qū)的實(shí)際情況，將整個(gè)測區(qū)劃分為12個(gè)子分區(qū)，每個(gè)子分區(qū)5000張航片左右，各子分區(qū)的重疊度為100 m；然后將子分區(qū)分別合并，形成3個(gè)分區(qū)，分別對(duì)大分區(qū)進(jìn)行自由網(wǎng)和控制網(wǎng)平差及后續(xù)的模型制作，每個(gè)分區(qū)的航片控制在18 000張以內(nèi)。

在控制網(wǎng)平差時(shí)，選取了像控點(diǎn)中的1/3，共68個(gè)點(diǎn)作為檢查點(diǎn)。經(jīng)檢驗(yàn)，3個(gè)區(qū)域中控制點(diǎn)殘差最大值X為0.028 6 m、Y為0.024 m、Z為0.29 m；檢查點(diǎn)殘差最大值X為0.095 3 m、Y為0.094 7 m、Z為0.238 m，空中三角測量精度滿足規(guī)范要求。

2.4 實(shí)景三維模型成果及精度分析

試驗(yàn)區(qū)布設(shè)像控點(diǎn)202個(gè)，精度滿足技術(shù)設(shè)計(jì)要求，使用Street Factory軟件通過自動(dòng)化生產(chǎn)的方式，完成了試驗(yàn)區(qū)內(nèi)實(shí)景三維模型的制作(如圖1所示)。

圖1 三維模型

精度驗(yàn)證：分3類要素對(duì)模型進(jìn)行了實(shí)地檢測，采集了大量的數(shù)據(jù)信息，檢測地物點(diǎn)平面坐標(biāo)7797個(gè)、地貌高程點(diǎn)5711個(gè)、建筑物高度點(diǎn)1211個(gè)。統(tǒng)計(jì)真值與計(jì)算值之間的誤差，得到了實(shí)景三維模型的精度，見表2。

表2 模型精度統(tǒng)計(jì) m

3 結(jié)束語

本文基于徠卡RCD30傾斜相機(jī)進(jìn)行了傾斜影像數(shù)據(jù)獲取并使用Street Factory軟件進(jìn)行了數(shù)據(jù)處理和實(shí)景三維模型的構(gòu)建，總結(jié)出了完整的技術(shù)流程和作業(yè)方法。應(yīng)用此方法在試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行生產(chǎn)，成果經(jīng)各級(jí)質(zhì)量檢查滿足精度要求。本文總結(jié)的技術(shù)方法科學(xué)規(guī)范，能夠?qū)︻愃祈?xiàng)目的實(shí)施提供參考。

(本專欄由徠卡測量系統(tǒng)和本刊編輯部共同主辦)