傾斜攝影實景三維建模技術探討與實踐

李想，張春奎，汪彬，韓冰

(1.中國人民解放軍61363部隊，陜西 西安 710054； 2.西安市勘察測繪院，陜西 西安 710054)

傾斜攝影實景三維建模技術探討與實踐

李想1*，張春奎2，汪彬2，韓冰2

(1.中國人民解放軍61363部隊，陜西 西安 710054； 2.西安市勘察測繪院，陜西 西安 710054)

傾斜攝影技術是近幾年興起的一項新的測繪技術。簡要介紹了該項技術原理，總結了利用傾斜攝影技術生產實景三維數據的技術路線，通過實踐驗證了該項技術在城市大比例尺實景三維建模產方面的可行性，為城市快速開展大面積三維建模探索了新的途徑。

傾斜攝影；實景三維建模；大比例尺

1 前 言

傾斜攝影技術是國際測繪領域近些年發展起來的一項高新技術。相比基于DLG或高分辨率DOM數據、外業紋理照片，采用3ds Max、AutoCAD、Photoshop等建模軟件的傳統人工三維建模方式，具有效率高、周期短、數據真實以及測繪精度高等優點，在測繪、規劃、國土、交通、應急指揮、公共安全、地質災害評估、城市精細化管理等方面逐步得到廣泛應用，受到越來越多行業管理者的認可與青睞。

就目前技術發展而言，傾斜實景三維建模技術可分為兩種：①機載激光雷達和機載傾斜攝影相結合技術；②完全傾斜航空攝影實景三維建模技術。本文就機載激光雷達和機載傾斜攝影相結合技術做一探討，并利用該技術在西安市長安區進行了 1∶1 000比例尺精度的實景三維模型數據生產實踐。

2 技術原理

機載激光雷達系統(LiDAR系統)是一種利用飛行器作為載體，對地球表面進行掃描來獲取地球表面高精度、高密度激光點云數據的一種新型的對地觀測技術。機載LiDAR施測后得到的數據為GPS數據、激光測距數據、姿態數據，這幾種數據聯合解算得到點云數據。利用點云濾波處理軟件，將點云數據按照地面點和非地面點進行分類，分別構建高精度數字高程模型(DEM)和地上各類要素三維模型骨架。傾斜攝影測量技術是一種從多角度觀測的攝影測量技術，通過統一飛行平臺上搭載的多臺傳感器，同時從多個角度(五鏡頭和三鏡頭傾斜相機)獲取高分辨率影像數據，采用傳統攝影測量技術解算處每張影像的空間地理位置信息。在統一的空間參考坐標系下，基于分類的點云數據，采用影像融合和自動匹配技術，將傾斜影像自動匹配到相應空間的三維模型骨架上，從而快速構建成實景三維模型數據。

3 航攝儀介紹

3.1 機載激光掃描系統(ALS70-HP)

ALS70是可搭載在多種航空飛行平臺上獲取地表激光反射數據的機載激光掃描集成系統，可全天候進行航空遙感作業。最大脈沖頻率 500 kHz，航攝高度 200 m～3 500 m，最大掃描角度75°最大存儲容量 500 G。它采用了新的控制系統和測量系統的模塊化處理，同一系統在相同高度上可運行雙倍的脈沖頻率，結合Leica MPiA(空中內插多脈沖發射技術)技術能大大提高點云密度和工作效率，快速獲取高精度DTM、DEM和DSM。與光學或數字影像結合使用，加上少量控制點可獲得正射影像產品。

3.2 多角度傾斜攝影測量系統(Leica RCD30 Oblique)

Leica RCD30 Oblique是一款專為高精度三維城市模型制作和帶狀地形圖測繪應用而設計的世界上第一臺六千萬要素多光譜中幅面相機。它擁有獨特的攝影測量設計特點，不僅能夠提供優質的圖像質量和極高的精度，也具有極高的靈活性。它由一個配備 50 mm鏡頭的垂直相機和四個配備 80 mm鏡頭的傾斜相機(4個傾斜相機位于前后左右，呈35°)組成，一次飛行可同時獲取地物的垂直影像和側面紋理信息。同時，系統集成了高精度的POS系統，通過高精度GPS-INS數據可快速獲取每張像片精確的外方位元素。此外，該系統還集成了從飛行設計、航攝執行到影像預處理的完整軟件解決方案，方便用戶快速投入作業。該系統由相機鏡頭、相機控制、相機操作、相機導航和相機存儲五大部件組成。

4 技術路線

4.1 航飛設計

航飛設計主要包括激光雷達點云數據航飛設計和傾斜攝影航飛設計兩部分。

(1)激光雷達點云數據航飛設計。根據ALS70的系統技術性能和三維數據制作對激光點云數據要求，對航飛區域按照航高 1 500 m、航速 240 km/h、旁向30%重疊、平均點密度在 0.65 m左右進行航飛設計。

(2)傾斜攝影航飛設計。包括航攝基準面和航攝飛行相對高度的確定、航線的敷設等。

航攝基準面依據公式：H基=(H高+H低)/2，公式中，H基代表航攝基準面，H高代表航攝區域高點平均高程，H低代表航攝區域低點平均高程。

航攝飛行相對高度依據公式：h=f*GSD/a，公式中，h航攝飛行相對航高，f代表航攝儀焦距，GSD代表地面分辨率，a代表像元尺寸。

在本次航攝中，取垂直鏡頭焦距f為 50 mm，像元尺寸a為 6 um，地面分辨率GSD為 7 cm，由公式得到航攝飛行的相對高度h=583 m。

測區航線按東西方向布設，航向重疊度設計為70%，旁向重疊度設計為50%。

4.2 航攝數據預處理

包括POS數據預處理和影像數據轉換與檢查。POS數據可以通過IPAS TC進行基站差分處理或精密單點定位(PPP)處理，檢查POS數據的完整性及飛行姿態，對于姿態變化劇烈的航線要注意標注，并要在影像檢查時重點檢查這些航線的重疊度。同時快速檢查云、煙、遮擋等情況。

4.3 像片控制點布設及測量

由于采用的ALS70激光掃描系統和Leica RCD30傾斜攝影測量系統都集成了高精度的POS系統，在航攝過程中，自動獲取了高精度的POS數據，降低了對地面控制點的依賴程度。因此，像控點布設采取4角加中心1點共5點雙點布設為基礎，按照1點/像控點密度展開控制點布設，采用基于城市連續運行衛星定位綜合服務系統(CORS)的網絡RTK進行觀測，其像控點測量精度應滿足平面點位精度Mo=50 mm；高程點位精度Mo=50 mm的精度指標。

4.4 傾斜攝影測量系統數據預處理

生產預處理是攝影測量中至關重要的一步，對生產成果的好壞起到決定性的作用。在傾斜攝影測量系統中包括傾斜相機POS數據解算、多角度影像空三加密工作。

POS數據解算：RCD30 Oblique記錄的POS數據通過IPAS TC進行基站差分處理或精密單點定位(PPP)處理，同時結合相機精確的內方位元素、偏心角和線元素分量偏移值及每個相機的Event和PhotoID文件，計算輸出工程區相片的外方位元素。

數字空中三角測量：利用IPAS TC進行基站差分處理或精密單點定位(PPP)處理，同時結合相機精確的內方位元素、偏心角和線元素分量偏移值及每個相機的Event和PhotoID文件，通過IPAS CO軟件計算輸出工程區相片的初始外方位元素，利用多角度空三加密系統自動進行空三區域內的點匹配；利用點匹配結果和初始外方位元素進行區域網平差，結合外業控制資料計算出每一張影像精確的外方位元素。

4.5 實景三維數據生產

在以上工作的基礎上，首先利用傾斜影像數據獲取建筑物邊線、特征線，用于建筑物特征處理。同時，對點云數據進行分類，排除飛點和柱狀地物點、提取地面點數據。將建筑物特征線和LiDAR點云數據進行疊加，用建筑物特征線代替激光點云構成的不規則建筑物特征線，使建筑物特征整齊一致(如圖1所示)。利用相關軟件將測區LiDAR點云數據和多角度影像數據自動批量生成實景三維數據(如圖2所示)。

圖1 建筑物邊線與點云數據融合

圖2 實景三維模型數據

4.6 建筑物模型的單體化處理

為了滿足城市精細管理的需要，需要對生產的實景三維模型數據進行單體化處理。其方法是將實景三維數據轉換為3ds Max支持的3ds或obj格式，在3ds Max下對每個建筑或其他要素從大場景中進行拆分提取，根據命名規則進行命名并輸出成MAX格式的單個要素對象，如圖3所示。

圖3 單體化后的3ds Max模型

4.7 總體技術路線

實景三維數據生產總的技術路線如圖4所示。

圖4 總體技術路線

5 質量評定

為了評價實景三維數據產品質量，在測區共選擇了146檢測點。基于城市CORS系統，利用GPS-RTK進行測量，其檢測結果如表1所示：

精度檢測結果表 表1

經過檢測，采用本項目技術路線所生產的城市實景三維產品精度滿足 1∶1 000比例尺精度要求。

6 結 語

利用傾斜攝影技術生產城市三維數據測繪產品，解決了傳統三維建模技術效率低、周期長、真實性較差的不足，為城市三維地理信息產品的快速生產提供了更加高效的途徑。當然，由于該技術采用航空攝影自動化建模方式，也存在著一些天然缺陷，如：在樹木稠密區，因樹木遮擋，建筑底部的外立面紋理無法獲取，需要采用人工方式加以補充；紋理的清晰度無法達到傳統三維模型紋理效果。

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TheDiscussionandPracticeofReal3DModelingTechnologyBasedonObliquePhotography

Li Xiang1，Zhang Chunkui2，Wang Bin2，Han Bing2
(1.61363 troops of the Chinese People's Liberation Army，Xian 710054，China；2.Xian Institute of Prospecting and Mapping，Xian 710054，China)

Oblique photography is a new surveying and mapping technique in recent years. The paper briefly introduces the principle of the technology，summarizes the technical route of real 3D modeling technology Based on Oblique photography，verifies the feasibility of this technology in large scale city real 3D modeling，explores a new approach for the rapid development of large area city 3D modeling.

oblique photography；real 3D modeling；large scale

1672-8262(2017)06-95-03

P231

B

2017—03—19

李想(1980—)，女，工程師，主要從事地圖制圖工作。