淺談利用傾斜影像進行三維數字城市重建的關鍵技術

張志高

摘要：傾斜航空攝影具備有效地獲取地物側面紋理、可對同一地區進行多視角重復觀測，能獲得更符合人眼視覺的直觀世界的影像等優勢，因而被廣泛應用于數字三維城市建模等領域。本人日常工作包含了航空測量相關方面的內容，本文就是基于多年的測量經驗，對利用傾斜影像進行三維數字城市重建中的特點、同名點匹配以及獲取建筑物模型等內容進行分析，以供參考。

關鍵字：傾斜影像；三角測量；原理；模型

中圖分類號：P23 文獻標識碼A

引言

由于傾斜攝影技術在獲取紋理的同時，其搭載的傾斜相機能夠同時獲得地物的側面紋理，使得航空傾斜攝影技術逐漸成為研究熱點。但是由于傾斜視角的問題，導致獲得的相片遮擋嚴重，相片內部的尺度不一，造成了數據處理上的困難。因此，正確認識并運用傾斜影像技術，對解決傾斜影像用于城市三維建模的難題具有重要作用。

1傾斜影像的特點

傾斜影像相對于垂直影像有三大特點：相片傾斜角大、相片尺度不均一、遮擋問題嚴重。第一，傾斜角：傾斜角的大小是判斷是否為傾斜影像的根本依據，按照傾斜角度的不同將影像分成三類，垂直影像、低傾斜角影像和高傾斜角影像；第二，變化的尺度：由于傾斜角的存在，影像的尺度是變化的，影像在地面上的投影形狀為梯形，前景的分辨率比后景的要高；第三，遮擋：由于常規攝影儀焦距不可變，遮擋問題會隨著飛行高度的降低和傾斜角度的加大變的更嚴重，實際作業過程中常使用增加航向和旁向重疊度來減少遮擋造成的影響。

2航空傾斜影像的處理研究

航空攝影測量的主要任務是將地面的中心投影變換為正射投影。隨著科技的進步，人們對航拍及測繪技術的應用逐漸廣泛，通過該方法，可以對得到的照片進行處理，得到三維數據進而繪制輸出圖紙，同時對建筑物等形狀復雜的目標可進行近距離、多角度三維測繪。下面針對傾斜影像處理中的幾項關鍵問題展開分析。第一，幾何問題：幾何問題實際上指的是如何獲得每張傾斜影像攝影時刻的姿態和位置的問題，其中主要有兩個難點，分別是傾斜影像間同名點的匹配問題、多相機的聯合平差問題；第二，點云的生成：通過傾斜影像的密集匹配得到表達地表的密集點云是傾斜影像處理的關鍵步驟，傾斜影像進行密集匹配生成稠密點云有三個難點：巨大的影像間的透視差異、傾斜影像內部的地面采樣元不一致、高度的冗余性造成大量噪聲；第三，表面重建：在獲得密集的三維點云的基礎上重建出物體的表面是傾斜影像建模的另一重要問題，基于泊松方程的表面構建算法、基于水平集的算法等都可以較有效地解決三維點云構建地物表面的問題；第四，紋理映射：在構建完成三維表面后，需要為三維表面賦著紋理，并且通過相應的計算公式，將其紋理相片得分計算出來，并把得分最高的相片作為紋理候選片，該方法能夠改善紋理映射問題。

3航空三角測量傾斜影像的同名點匹配

3.1確定影像連接關系

數字城市重建是一個巨大的工程，需要一個全自動化的處理流程，因而不能依賴人工處理。在進行同名點匹配的時候，可以采取以下方式進行：利用數據及其飛行高度計算每張影像在地面上的投影四邊形；對任意兩個具有重疊的四邊行，計算重疊面積與原始多邊形的面積的比值，取兩比值之間的最小值，并設此比值為重疊度值；給定閾值，設定重疊度小于閾值的像為不存在連接關系，反之則認為可能存在連接。如圖1所示，就是根據重疊度判讀連接性原理。

3.2利用虛擬水平相片進行特征點提取與描述

由于同名點的確定需要通過匹配特征點之間的描述完成，因此需要保證特征點的描述具備適應這種尺度不均一的影像的特性，或者尋求解決視點變化帶來的尺度不一致的問題的方法。計算虛擬水平相片的過程如下：首先給定一個虛擬的平面，利用影像的方位元素計算相片在該平面上的投影多邊形；其次，計算相片中心在該平面上的大小，并以此為釆樣間隔將投影多邊形中的每個釆樣反算至原始影像中獲取灰度信息。

3.3特征點匹配

特征點的匹配只在具有連接關系的影像間進行，由于任何匹配算法都避免不了誤匹配的存在，因而必須采取一定的措施減少誤匹配。在實際工作中，可以采用雙向匹配策略，計算出基本矩陣進行核線約束，并設定上下視差的距離閾值，以剔除部分不滿足核線約束條件的誤匹配點。

4利用影像高程同步模型獲取建筑物模型

4.1影像高程同步模型概述

影像高程同步模型存儲了每一單元的真實高程信息，從而形成建筑物等地物目標的真實三維表達模型，其中，地形表面的高程信息來自于數字高程模型。建筑物墻體在影像高程同步模型中看起來仍是傾斜的，這是因為其保留了原始的幾何投影關系。影像高程同步模型的產生是一個幾何投影關系重建的過程，其流程主要分為數據獲取、影像高程同步模型構建、多余點去除和柵格化處理四大部分。

4.2影像高程同步模型用于大比例尺城市測圖

在三維數字城市建設、城區規劃中，城市建筑物是人們關注的重點。在傳統的攝影測量處理中，一般采用立體像來提取建筑物的三維信息，但需要投入大量的人力、物力，速度慢、效率低，不能反映城市發展的現狀。在文檔對象模型上，一旦獲得了一個建筑物的屋頂的平面和高程信息，利用數字高程模型即可方便快速地建立起一個簡單的建筑物三維模型，這是一個半自動的過程，使用矢量化制圖工具在文檔對象模型上勾繪建筑物屋頂的輪廓線，得到一個帶高程值的平面矢量圖形文件，再利用數字高程模型的地形高程信息，自動計算出建筑物的高，從而自動完成該棟建筑物三維模型的構建。

4.3傾斜影像在影像高程同步模型測圖上的應用

傾斜影像的加入能夠為獲得的三維模型提供高質量的側面紋理，將獲得的白模賦上紋理，具有可視化的效果。城市建筑物的結構復雜，不可避免的會出現攝影死角，因而，對于這些死角的紋理的修補依然是個問題.可選擇的方案有兩種：一是利用周邊的紋理進行修補；二是通過地面影像補拍進行貼圖。圖2展示了傾斜影像攝影死角的示例

結語

當前，傾斜視角的存在導致了影像內容發生了巨大變化，使得影像內部的尺度不一致，且大傾角使得遮擋嚴重。數字城市三維重建需要矢量數據和獨立的建筑物模型數據，利用傾斜影像可以將測圖獲得的建筑物模型賦上紋理，獲得更具可視化效果的地物模型。在今后的工作中，加強對該技術的應用和完善，對促進城市更好的發展具有重要意義。

參考文獻：

[1]朱俊鋒.利用傾斜影像進行三維數字城市重建的關鍵技術研究[D].武漢大學，2014.

[2]胡文慶.傾斜攝影測量三維重建在城市規劃管理中的應用研究[D].昆明理工大學，2016.

[3]楊存英.基于傾斜影像的建筑物提取與參數化三維重建[D].西安科技大學，2016.endprint