傾斜攝影與近景攝影相結合的山地城市實景三維精細化重建與單體化研究

連 蓉，丁 憶，羅 鼎，魏文杰，李朋龍，林 熙

(重慶市地理信息中心，重慶 401121)

傾斜攝影與近景攝影相結合的山地城市實景三維精細化重建與單體化研究

連 蓉，丁 憶，羅 鼎，魏文杰，李朋龍，林 熙

(重慶市地理信息中心，重慶 401121)

無人機傾斜攝影實景三維模型是一種能夠對復雜山地環境較好感知和表達的有效手段之一。本文針對復雜山地城市開展傾斜攝影實景三維存在的問題，提出了適應于山地區域的多尺度的影像獲取策略，并通過與近景攝影測量融合建模的方法，實現了對山地城市傾斜攝影實景三維模型精細化建模的目的；同時，對實景三維模型的單體化方法進行了介紹及對比分析，對后期山地城市開展傾斜攝影提供了一定的技術參考。

山地城市；垂直起降無人機；實景三維模型

近年來，隨著無人機技術和傾斜攝影技術的快速發展，利用無人機搭載多鏡頭傳感器進行傾斜攝影，快速生成城市的實景三維模型，已成為獲取三維地理信息數據的重要手段[1]，其真實、高效地對地面人工建筑和自然地表同時獲取與表達的特點，更能準確直觀地表達出復雜山地環境下的立體地表空間。但是，在實景三維模型的應用過程中發現，其存在“可遠觀不可近看，可瀏覽不可查詢”的問題，這些問題直接制約著傾斜實景三維模型更為廣泛的應用，解決該問題是其深入到行業應用的關鍵，因此本文從實景三維模型的精細化及單體化兩方面進行探討研究，對進一步提高山地環境下實景三維模型精細化程度和實景三維模型單體化應用提出建議和參考。

1 研究思路與技術路線

無人機傾斜攝影實景三維建模具有數據獲取效率高、模型效果更真實、細節更豐富、建模成本更低等諸多優勢[2]，但因重慶復雜的山地情況及空中攝影采集角度的局限，對建筑貼近地面區域及被屋檐遮擋區域會造成地物的細節紋理信息不足或丟失，導致實景三維模型放大后會存在局部拉花及漏洞等問題，為了解決該問題，本文嘗試從前端優化數據采集和后端傾斜與近景融合建模的方式進行實景三維模型精細化重建的方法研究。單體化方面，對現階段行業中各類單體化方法進行試驗及對比分析，具體技術路線如圖1所示。

圖1 技術路線

2 無人機傾斜攝影系統

2.1 垂直起降無人機飛行系統

用于影像獲取的無人機飛行器主要有旋翼無人機和固定翼無人機兩類[3]，其中旋翼無人機系統對起飛著陸地點要求較低，能夠垂直起降，但其載荷較小，續航能力較短，一般為15～30 min[4]，如圖2(a)所示。固定翼無人機一般采用彈射或手拋式起飛，然后受螺旋槳或渦輪發動機產生的推力向前飛行，具有飛行速度快，運載能力大的特點[3]，如圖2(b)所示，但因其需要采用傘降或直接著陸等方式進行降落，因此對起降場地要求較高。為了更好地發揮兩類無人機的優勢，很多無人機生產廠家將旋翼無人機和固定翼兩種無人機進行了結合，研發了垂直起降式無人機，其具備固定翼無人機的長航時、大載荷，同時具有旋翼無人機的垂直起降能力[5]，如圖2(c)所示，特別適用于復雜山地城市環境下無人機起降及多鏡頭相機系統搭載，能夠執行大面積的遙感數據資源獲取任務。

圖2 無人機飛行器

垂直起降固定翼傾斜攝影采集系統主要包括飛行器系統、傾斜相機系統、飛行控制系統、地面控制系統以及差分GPS系統[5]。作業過程中，首先在地面控制系統中按照作業規范及要求進行任務區航線規劃，然后與飛行控制系統進行數據傳輸，輸出航線規劃數據，飛行器搭載傾斜相機系統按照航線規劃進行飛行作業，地面控制系統同時接收飛機飛行軌跡和狀態信息對作業過程進行時時監控。在實施飛行作業前，地面差分GPS系統開啟，開始接收衛星信號，飛機實施作業后與地面差分GPS系統同時接收衛星信號，實現后差分衛星定位解算，以提高GPS定位精度，在飛行過程中，如遇緊急狀況時,可切換成手控操作飛行進行輔助降落。

2.2 傾斜攝影系統

為了獲取更多的地物紋理信息，往往需要在飛行平臺搭載多個相機，受飛行器的載荷所限，相機系統組合主要有兩鏡頭、五鏡頭以及單鏡頭，在飛行過程中，多個相機系統采用同步曝光方式采集地面不同角度的影像信息，同時通過POS系統獲取與每組曝光影像相對應位置及姿態信息，從而得到用于實景建模的影像及位置姿態文件[6、2]。

2.2.1 五鏡頭傾斜相機

五頭傾斜相機是由5個相機進行拼接組合，如圖3(a)所示，通過一次飛行，分別從前、后、左、右、垂直5個方向對地物進行拍攝[2]。優點是采集效率高、地物成像重疊度大；缺點是設備較重，需配合載荷較大、續航能力較長的無人飛行器進行搭載。

2.2.2 兩鏡頭傾斜相機

兩鏡頭傾斜相機是由2個相機按照一定角度進行拼接集成，如圖3(b)所示。采用2鏡頭傾斜相機通過一次飛行只可獲取2個角度的影像，因此需要進行航線交叉飛行，最后補飛正下視影像。兩鏡頭相機優點是設備輕，較為靈活，可利用旋翼無人機進行搭載；缺點是，同一區域需要飛行兩次，還需補拍正下視，影像采集周期長。

2.2.3 單鏡頭相機[7]

單鏡頭傾斜采集是用可實時調整云臺的旋翼無人機，如圖3(c)所示，鏡頭朝向目標建筑，進行單鏡頭連續拍攝或環繞飛行。

圖3 無人機傾斜相機

3 山地城市實景三維精細化建模研究

3.1 影像獲取

3.1.1 多尺度的傾斜攝影數據獲取

實景三維建模對原始影像分辨率要求較高，而受相機焦距所限，飛行的相對高差一般在100～300 m之間，而山城重慶，城市依山而建，形成了城在山上、山在城中的城市格局[8]，通過一次飛行獲取的影像地面分辨率相差較大，影響最終模型效果的統一性，且很難按照傳統方式進行分區航攝，因此在復雜的山地城市環境下進行傾斜攝影，需要多種作業模式結合，針對不同重建目標，形成不同的影像獲取方案。通過研究測試，建議在城市級的大場景傾斜影像數據獲取過程中，首先可采用垂直起降長航時固定翼無人機搭載五鏡頭傾斜相機系統，相對航高500 m左右進行數據獲取，在此基礎上，對區域內高程較低的建筑區采用輕型電動固定翼或旋翼無人機搭載兩鏡頭傾斜相機，相對行高300 m左右進行加密飛行；然后對古建筑、地標性建筑可采用旋翼單鏡頭無人機，貼近建筑或環繞建筑飛行，獲取更多側面紋理，通過多尺度的影像獲取策略，保證實景模型建模效果。

3.1.2 地面近景拍攝

地面近景拍攝可采用單反相機、手機、手持云臺等各種方式，首先需要確定地面與空中采集影像具有一定的重疊范圍，然后按照建模分辨率的要求及所采用設備的焦距計算合適的拍攝距離。

近景拍攝實施過程中，最好選擇定焦鏡頭，不建議使用閃光燈、光學防抖、數碼變焦等功能。拍攝航向重疊度約70%-80%，旁向重疊度約為60%-70%，兩張連續照片之間的拍攝夾角小于15°。本次試驗采用GigapanEPIC Pro智能云臺輔助全畫幅單反相機，按照拍攝目標制定航線及重疊度，可以進行自動化的近景拍攝，能夠盡量避免影像采集不規范而給后期數據處理帶來難度。地面近景拍攝如圖4所示。

圖4 地面近景拍攝設備

3.2 融合建模

ConTextCapurecent實景建模系統支持多種數據源融合建模[9]，采集端獲取的多尺度影像，如果都帶有地理坐標，可將所有影像一起進行聯合建模，如果獲取地面近景影像無對應的地理坐標，則需要分別處理。利用ConTextCapurecent進行多源數據融合建模，首先對空中傾斜攝影數據和地面近景拍攝數據分別進行空中三角測量，獲取每一張影像的外方位元素同時生成三維尺度的、高密度的點云，并將二者融合，然后基于融合后的空三成果和點云數據提取深度圖并構建三維TIN，同時對三維TIN進行平滑和簡化，最后根據三維TIN的空間位置信息，獲取最佳視角的原始影像，自動映射紋理，即可形成高精度的實景三維模型。

對重慶市某區域采用本文所提出的多尺度的影像獲取和與近景攝影測量融合建模兩種方式進行了試驗研究，通過獲取的多尺度的影像聯合建模，模型效果有明顯提升。圖5(a)、圖5(d)為五鏡頭傾斜數據直接建模效果；圖5(b)為在五鏡頭的基礎上采用兩鏡頭加密后的建模效果；對于屋檐遮擋區域采用與近景融合的方式進行實景建模其側面紋理效果有很大提升，如圖5(c)所示；對于高層獨立建筑、如塔等，采用旋翼無人機環繞飛行對其實景模型效果改善顯著，如圖5(e)所示。

圖5 精細化建模效果

4 實景三維模型單體化

4.1 物理單體化

物理單體化是通過人工重建的方式將地面、建筑、道路及城市部件形成一個可被選中分離的實體，可以附加屬性，可以實現查詢統計、分析等功能[10]。目前可以實現物理單體化的軟件主要有DPModeler、SVSModeler及Oblique Sketch等，這三款單體化軟件都是以傾斜影像的空三加密成果為基礎，然后進行建筑邊界提取、自動紋理映射及三維場景重構等過程，其中DPModeler是國內較早的一款實景三維重建軟件，應用較廣；SVSModeler是將立體測圖系統及3ds Max進行了功能集成，工作人員需帶立體眼鏡在立體環境下進行數據采集，然后根據采集的建筑邊界自動生成三維模型；Oblique Sketch是基于Sketchup進行的開發和集成，充分發揮了Sketchup高效、簡單易用的優勢，上手較為容易，對作業人員要求較低。本文以DPModeler為例，詳細介紹物理單體化的實現過程。

4.1.1 DPModeler物理單體化技術路線

DPModeler是一款可對三維模型進行精細化修飾的單體化軟件[11]，其可針對第三方建模軟件(ContextCapture、街景工廠、Photo Mesh)自動建模的成果進行單體化精修、懸浮物刪除等工作，可得到精細化模型，達到后期應用要求，其單體化精修流程如圖6所示。

圖6 DPModeler軟件單體化流程

4.1.2 DPModeler物理單體化過程

利用傾斜攝影可實現單張影像測量原理，在垂直影像上獲取頂部結構，四周傾斜影像上獲取房屋立面結構信息，對其進行推拉、編輯、調整得到最終模型。利用傾斜攝影建筑物側面紋理可采集的特點，實現模型貼圖自動從影像中采集，一鍵完成模型貼圖，從而實現單體化模型精修效果，如圖7所示。

4.2 邏輯單體化

邏輯單體化是指利用已有的房屋面、道路面等二維矢量數據，通過與三維模型進行疊加、高亮顯示，并通過矢量面進行屬性信息掛接，從而實現可被單獨選中、查詢并賦予屬性的效果。本研究結合Skyline、SuperMap兩款軟件進行了單體化測試。如圖8所示。

圖7 DPModeler單體化過程

圖8 邏輯單體化效果

4.3 單體化對比分析

本文對物理單體化和邏輯單體化兩種單體化方式的優缺點進行了對比分析，其中物理單體化軟件都可對模型進行精細化及單體化處理，但其需要逐個地物進行人工勾繪，工作量較大，效率較低；二維矢量與三維模型相結合的邏輯單體化方法使用較為靈活，工作量相對較小，但現有平臺所實現的效果和兼容性有待提升，對比總結見表1。

表1 單體化系統對比

5 結 語

在復雜山地城市實施傾斜攝影可通過對飛行方案的優化，針對不同的建模目標采用與之相適應的相機系統及飛行策略進行數據采集，可大幅提升實景三維模型效果；采用傾斜與近景攝影測量聯合建模的方式，對模型側面紋理效果有很大提升，但地面采集工作量大，適用于小區域、古建筑或地標性建筑；實景三維模型單體化方面，對現有單體化方法和平臺進行了介紹及對比分析，為后期山地城市開展傾斜攝影提供了一定的技術參考。

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[4] 楊建華，于小寧，湯鵬.四旋翼飛行器控制系統硬件電路設計[J].電子產品世界，2015,22(12)：41-43.

[5] 段洪偉，趙長輝，王琦. 新型垂直起降無人機的發展[C]∥2014(第五屆)中國無人機大會論文集.北京：中國航空學會，2014.

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Researchon3DFineReconstructionandModelSinglingofMountainousCityCombinedwithObliquePhotographyandCloseRangePhotography

LIAN Rong,DING Yi,LUO Ding,WEI Wenjie,LI Penglong，LIN Xi

(Chongqing Geomatics Centre, Chongqing 401121, China)

The actual 3D model based on the UAV oblique photography is an effective way to perceive and express the complex mountain environment. To solve the problems in the generation of actual 3D model based on oblique photography for mountainous cities, a multi-scale image acquisition strategy suitable for mountainous region and a method of fusion modeling with close range photogrammetry is proposed in this paper. Experiments show that this method realizes the goal of precise modeling of the actual 3D model of oblique photography in mountainous cities. And then, the methods of actual 3D model’s singling are introduced and compared. This paper provides some technical references for developing oblique photography in mountainous cities in the future.

mountainous cities; vertical take-off and landing UAV; oblique photography

連蓉，丁憶，羅鼎,等.傾斜攝影與近景攝影相結合的山地城市實景三維精細化重建與單體化研究[J].測繪通報，2017(11)：128-132.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0362.

P23

A

0494-0911(2017)11-0128-05

2017-08-07

社會事業與民生保障科技創新專項(cstc2017shmsA1380)

連 蓉(1988—)，女，助理工程師，從事無人機低空遙感及實景三維等相關研究工作。E-mail: Lianrong@dl023.net