基于傾斜航空攝影測量的大黑山三維建模技術研究

(遼寧師范大學城市與環境學院 遼寧 大連 116029)

引言

近年來隨著城市化的快速推進，城市建筑的外形越來越復雜，建立精準三維模型也越來越困難，因此能夠高精度地、真實地獲取和反映地物、地貌的紋理信息以及實際情況是建立完美三維模型的重要前提。王丙濤等基于傾斜攝影測量的三維建模技術對丹陽市建成區約120km2的范圍進行了三維數字城市模型的生產及檢測評定[1]。牛鵬濤利用傾斜攝影技術獲取建模區域的傾斜影像,經過數據預處理和已有建筑的幾何模型,最終建立了以建筑物紋理與幾何模型相結合的三維模型[2]。本文首次將傾斜航空攝影測量的三維建模技術應用于大連市大黑山地區進行三維景觀建模。

一、研究區概況

大黑山位于東經121°44’～121°49’,北緯39°01’～39°04’，北鄰長白山、千山，南接黃海、渤海，占地面積約為 23.79 km2，是大連古文化的發祥地，遼東地區著名的宗教圣地，遼寧省文物保護單位，于2007年被批準為國家 AAA 級景區。

二、研究技術與方法

傾斜航空攝影測量技術是近年來發展起來的一項基于多角度觀測的攝影測量技術[3]。該技術所得影像數據的地貌紋理及地物信息精度更高且更為真實，還可以通過先進的定位、融合和建模等技術，生成直觀形象的三維模型。本研究的建模過程主要包括傾斜航空攝影測量、空中三角測量以及三維建模等步驟。

在傾斜航空攝影測量過程中本研究航攝區域設計方面滿足如下要求：1、攝區接邊：在項目范圍過大時，將整個區域分成若干個較小的分區，兩個分區的接邊處應保證有 100-200 米的重疊度，以保證后期數據處理時的邊緣的精度。2、航線方向：盡量保證攝區所生產的航線為正南北向或正東西向。3、邊界外擴：攝區邊界根據對應的地形、地貌，進行適當外擴。在拍攝邊界有高層、超高層建筑或陡崖等近豎直地形時，邊界需外擴一個相對航高的距離。在拍攝邊界為山地等相似地形時，邊界需外擴約 1/2相對航高的距離。在拍攝邊界地勢較平坦且沒有較高建筑物時，邊界外擴 1/3 相對航高即可。這樣可以確保所拍攝像片可以包含攝區邊界的所有地貌元素。4、攝區及航向大小：分區面積不要過小，以保證航線長度適當，減少航線轉彎時間，提高效率，但區域同時不能過大，根據具體航飛速度計算，設計攝區所生成的航線，單條拍攝時間正常不超過 20 分鐘。這樣可以便于航線的補拍，并保證后期內業數據處理的效率。

本研究通過直升機搭載AMC5100傾斜數碼航空照相機系統進行多視角傾斜航拍影像。其中，AMC5100 傾斜數碼航空照相機系統由五臺大幅面 PHASE ONE IXU 1000 航空照相機組成，集成了 Applanix POS AP20(DGPS/IMU 慣性導航系統)并使用FANS(Flexible Airborne Navigation System)作為飛行管理系統。該系統采用模塊化設計，結構簡單，使用方便，可根據需求采集不同分辨率的傾斜航空影像。

在航拍過程中，往往會經歷多種不可抗的因素，例如，陽光強度過盛，云朵遮擋，航拍區域霧霾嚴重，等等。這些都會導致獲取的影像精度受到一定影響。本文影像處理采用 Capture one 9 軟件，進行勻光、勻色處理，從而修正相片過曝或者亮度不夠等問題，使影像的色彩保持真實、統一。

空中三角測量亦稱作空三加密，是傾斜航空攝影測量技術三維建模最為關鍵的環節。匹配影像數據的加密點和匹配影像關聯的控制點，是空三加密前進行最重要的兩項工作。空三加密即通過GPS 載波相位差分定位和 POS 系統相結合，獲取相應位置的姿態參數以及各像片的相關方位元素，對多視角影像自檢區域網平差迭代進行運算，在反復進行解算后求出精度要求范圍內的結果。本研究在Smart 3D Capture Master軟件中進行空三加密以及三維建模，最終得到大連大黑山地區三維景觀模型。

三、總結

相比較傳統的三維建模技術，基于傾斜航空攝影測量的三維建模技術具有三個明顯的優勢：第一、可以直觀真實反映地面情況并且能對模型中的地物進行量測。所獲的模型囊括了地物的外觀、位置、高度等屬性，增強了三維數據給人們所帶來的真實感，彌補了傳統人工模型仿真度低缺點的同時,擴大了傾斜攝影測量的應用范圍。第二、高性價比。傾斜航空攝影測量所獲得的影像數據可量測空間位置信息，可輸出格式也較為多樣，包括DSM、DOM、DLG 等多種格式。在滿足傳統航空攝影測量的同時可獲得更多的數據。同時使用傾斜影像批量提取及貼紋理的方式，能夠有效地降低城市三維建模成本。第三、高效率。借助旋翼無人機、固定翼無人機、動力三角翼、直升機、運 5、運 12 等多種飛行載體，傾斜航空攝影測量技術可以快速采集影像數據，以實現全自動化的三維建模。本研究證明:人工建立大黑山三維建模需要1～2 年的時間，而借助傾斜航空攝影測量技術在2～4個月內可完成，大大提高了工作效率。