傾斜攝影及實(shí)景建模技術(shù)在城鎮(zhèn)改造中的應(yīng)用

林呀 洪乾坤 沈興調(diào)

摘? 要：傾斜攝影測(cè)量作為一種能夠觀測(cè)多方位的攝影測(cè)量技術(shù)，目前被廣泛用于國(guó)土安全、城市管理等行業(yè)。本文主要闡述了傾斜攝影技術(shù)的數(shù)據(jù)采集和處理、實(shí)景模型還原及單體化處理過程中的技巧和方法，分析實(shí)景建模步驟，并將該技術(shù)成功應(yīng)用到小城鎮(zhèn)改造項(xiàng)目中，對(duì)于促進(jìn)該技術(shù)在城鎮(zhèn)改造項(xiàng)目中的應(yīng)用具有一定的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：傾斜攝影技術(shù);實(shí)景建模;GIS;虛擬仿真

中圖分類號(hào)：P231? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? 文章編號(hào)：2096-6903（2019）05-0000-00

0 引言

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，國(guó)內(nèi)各城鎮(zhèn)有機(jī)提升、美麗鄉(xiāng)村等改造建設(shè)項(xiàng)目在加速推進(jìn)[1]。然而，基于傳統(tǒng)的人工建模、現(xiàn)場(chǎng)攝像以及電子地形等基礎(chǔ)資料的城鎮(zhèn)改造設(shè)計(jì)手段，存在效率低、人力物力浪費(fèi)嚴(yán)重、溝通困難、設(shè)計(jì)無端反復(fù)等問題。而且，城鎮(zhèn)改造包括道路提升改造類型項(xiàng)目，其存在目標(biāo)體量大、原始數(shù)據(jù)缺失、勘查困難等特點(diǎn)，因此無法滿足大范圍城鎮(zhèn)改造項(xiàng)目的快速建設(shè)要求[2]。傾斜攝影測(cè)量作為一種新型的智能數(shù)字化勘查手段，能夠從多方位獲得地物不同角度的影像，為構(gòu)建城鎮(zhèn)三維模型提供豐富的紋理信息[3-4]，很好地解決了上述各種問題。

1 傾斜攝影技術(shù)

1.1傾斜航測(cè)基本原理

傾斜攝影作為新近發(fā)展的航測(cè)新技術(shù)，通過多鏡頭獲取目標(biāo)相同位置不同角度高分辨率影像，收集地物各方位表面紋理以及地理位置信息[5]。在詳細(xì)的航測(cè)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，進(jìn)行采集圖像的處理、數(shù)據(jù)計(jì)算等操作，建立可視化、可量測(cè)三維實(shí)景模型。

1.2航測(cè)數(shù)據(jù)采集及處理

1.2.1航測(cè)范圍確定

了解航測(cè)地貌，規(guī)劃航測(cè)路線，需先在Google Earth中確定該項(xiàng)目的航測(cè)范圍（如圖1），以便在劃分飛行架次、確定航拍方案、提高作業(yè)效率等方面進(jìn)行合理優(yōu)化。

圖1 航測(cè)范圍

1.2.2航線規(guī)劃及參數(shù)設(shè)定

飛行參數(shù)值（拍攝間隔、旁向間距、高度、航向間距、速度等）的設(shè)定是傾斜攝影的主要組成，直接關(guān)系到航測(cè)的精度和效率。作業(yè)開始前，需綜合考慮測(cè)量精度、建筑物分布、飛控距離、電池消耗、地形地貌等因素，并在設(shè)定航線和參數(shù)值后，須使飛行高度、地面分辨率及物理像元尺寸滿足三角比例關(guān)系。

1.2.3無人機(jī)航測(cè)作業(yè)

航測(cè)作業(yè)前的準(zhǔn)備工作主要是完成地面站的設(shè)置和無人機(jī)的組裝工作。然后無人機(jī)在設(shè)定的路線及參數(shù)下進(jìn)行攝影，操作人員的主要任務(wù)為觀察無人機(jī)位置以及飛行的實(shí)時(shí)參數(shù)，平均每天可以完成3平方公里左右的航測(cè)任務(wù)。

1.2.4航測(cè)作業(yè)

傾斜攝影主要將各拍攝點(diǎn)的不同方位影像信息和相應(yīng)的pos數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。影像信息由置于無人機(jī)上的多鏡頭相機(jī)完成，在勻速狀態(tài)下對(duì)地面進(jìn)行等距離拍攝，獲取具有70%重疊率的照片;與相片對(duì)應(yīng)的pos數(shù)據(jù)則由飛控系統(tǒng)在拍照時(shí)同步生成，此時(shí)相片具有經(jīng)緯度、海拔、高度、飛行姿態(tài)、飛行方向等大量的信息。

1.3數(shù)據(jù)處理

傾斜攝影后期GIS的數(shù)據(jù)主要是通過使用實(shí)景建模軟件ContextCapture進(jìn)行處理。ContextCapture作為一種高效的構(gòu)建三維模型的軟件系統(tǒng)，通過影像自動(dòng)化技術(shù)對(duì)靜態(tài)物體進(jìn)行建模，并疊加相機(jī)傳感器屬性、照片位置姿態(tài)參數(shù)、控制點(diǎn)等信息進(jìn)行空中三角測(cè)量計(jì)算、模型重建計(jì)算，最后將輸出對(duì)應(yīng)的GIS成果用以瀏覽或后期加工。常見的輸出格式包括OSGB、OBJ、S3C、3MX等。

1.3.1 pos數(shù)據(jù)整合

飛控系統(tǒng)生成的pos數(shù)據(jù)包格式與后期處理軟件不符，而且包含了很多后處理不需要的信息，影響后處理工作。需要對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選后分類處理，再用于相應(yīng)數(shù)據(jù)處理軟件（如圖2）。

（a）原始數(shù)據(jù)? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（b）整理后的數(shù)據(jù)

1.3.2空間三角測(cè)量計(jì)算

空間三角測(cè)量缺失的照片數(shù)量會(huì)同步在運(yùn)算過程的信息面板上。若缺失太多，則應(yīng)取消此區(qū)塊的計(jì)算，重新選擇不同設(shè)置進(jìn)行空三測(cè)量（如圖3）。

若某些參數(shù)設(shè)置不正確或者照片的重疊率不足，都會(huì)影響空三測(cè)量操作的結(jié)果。

（a）空中三角計(jì)算? ? ? ? ? ? ? ? ?（b）空三計(jì)算過程的三維視圖

1.3.3三維重建計(jì)算

由于拍攝量大，獲取數(shù)據(jù)多，對(duì)完成重建工作的計(jì)算機(jī)內(nèi)存要求非常高，可能達(dá)上百G，普通計(jì)算機(jī)無法滿足要求，故需根據(jù)計(jì)算機(jī)實(shí)際情況重新建立框架，將原來的框架拆為若干個(gè)大小相同的分塊，分別進(jìn)行計(jì)算。

1.3.4數(shù)據(jù)集群處理

集群處理可搭建一個(gè)局域網(wǎng)，網(wǎng)內(nèi)除一臺(tái)作為服務(wù)器的計(jì)算機(jī)外，其他計(jì)算機(jī)均作為節(jié)點(diǎn)連接到服務(wù)器而組建成群組，提交任務(wù)后，服務(wù)器將子任務(wù)分配到各節(jié)點(diǎn)。子任務(wù)完成后，由各節(jié)點(diǎn)將結(jié)果反饋到服務(wù)器，并接受新一輪的任務(wù)直到完成所有任務(wù)。

集群處理數(shù)據(jù)比單機(jī)處理，可靠性與容錯(cuò)率均有提升，若群組中一個(gè)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障，其所負(fù)責(zé)的子任務(wù)就自動(dòng)分配到其他節(jié)點(diǎn);而且集群處理成本較低，對(duì)于龐大數(shù)據(jù)量的處理，單機(jī)無法滿足儲(chǔ)存空間和處理速度的要求，集群之后，就能發(fā)揮高性能處理器的運(yùn)算能力，大大降低了硬件成本。

1.3.5模型精修及單體化處理

采用ContextCapture軟件生成的三維模型，由于存在影像采集時(shí)不理想的地物姿態(tài)或者影像匹配錯(cuò)誤從而造成地物變形、部件缺失、懸空物體等情況。運(yùn)用單體化軟件對(duì)三維模型進(jìn)行精修并重建，使實(shí)景模型更準(zhǔn)確、完整，達(dá)到后期三維GIS應(yīng)用。智慧城市等互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)有對(duì)區(qū)域內(nèi)部分建筑個(gè)體進(jìn)行單獨(dú)賦予特性、單獨(dú)編輯、查詢以及數(shù)據(jù)查詢等需求，故需對(duì)模型進(jìn)行單體化處理。

2 工程項(xiàng)目應(yīng)用

2.1工程概況

項(xiàng)目位于柳州城中區(qū)環(huán)江村區(qū)，由山地、農(nóng)田、林地、農(nóng)村建筑等構(gòu)建而成，根據(jù)衛(wèi)星地圖和圖紙判斷，該項(xiàng)目區(qū)域，總面積為15平方公里左右，從衛(wèi)星底圖和照片狀況分析，建筑大部分為低層建筑;且以農(nóng)田、山體、林地為主較多。

主要采用無人機(jī)航空攝影的技術(shù)方式對(duì)柳州城中區(qū)環(huán)江村區(qū)面積約15平方公里進(jìn)行影像調(diào)繪、三維重建1：1000矢量出圖。以完成整個(gè)區(qū)域的正射攝影像圖、數(shù)字線劃圖、高精度DEM的生產(chǎn)，完善整個(gè)區(qū)域的基礎(chǔ)測(cè)繪資料與成果，并結(jié)合智慧城市建設(shè)的背景，完成柳州市地理信息測(cè)繪行業(yè)的發(fā)展。

2.2數(shù)據(jù)采集

采用DJI GS Pro對(duì)飛行路線做了詳細(xì)規(guī)劃，主要滿足以下幾點(diǎn)：照片的重合率不小于70%;飛行高度高于建筑物高度;采集的影像均包含目標(biāo)位置的高度、經(jīng)緯度信息。

采集包括高重疊度的多視角數(shù)據(jù)、像控測(cè)量成果和POS數(shù)據(jù)等原始資料。

航測(cè)結(jié)束后，連接相機(jī)，獲取飛行數(shù)據(jù)，用于數(shù)據(jù)后處理。

2.3數(shù)據(jù)修復(fù)

2.3.1操作平臺(tái)及流程

篩選符合要求的照片并導(dǎo)入建模軟件ContextCapture。

數(shù)據(jù)后處理流程如圖4所示：

2.3.2修復(fù)軟件

模型修復(fù)軟件的功能直接影響模型最后呈現(xiàn)的效果。目前類似軟件有： 3DMax、DPModeler、Geomagic、Meshmixer、PhotoMesh和RealityPaint等。此類軟件可以對(duì)模型進(jìn)行精細(xì)的修整。

2.3.3修復(fù)數(shù)據(jù)

俯視角度一般可以很好地呈現(xiàn)實(shí)景還原的視覺效果，但實(shí)際操作中可能會(huì)受其他因素的影響，比如拍攝盲區(qū)或目標(biāo)物特征點(diǎn)匹配的誤差等，數(shù)據(jù)后處理生成的模型會(huì)產(chǎn)生空洞的現(xiàn)象。如果項(xiàng)目的模型質(zhì)量要求高，則需要對(duì)這些空洞進(jìn)行修復(fù)。

圖5a即為本案例中某區(qū)域的原始軟件生成模型圖，圖5b則為使用DP-modeler對(duì)空洞或殘缺部分重新構(gòu)面后，再進(jìn)行貼圖得到的效果。

在DP-modeler中，繪制基底面，再根據(jù)建筑物高度拉伸基底面，就可以得到效果較好的模型紋理，對(duì)于還存在缺點(diǎn)的部位，再進(jìn)行人工重新構(gòu)面貼圖進(jìn)行修整。如圖6（a）即為案例中的建筑物原始模型，圖6（b）則為修整后的模型圖。

2.4數(shù)據(jù)展示及更新

2.4.1數(shù)據(jù)分析展示

2.4.2數(shù)據(jù)更新

（1）二次采集。根據(jù)已有的實(shí)景模型，對(duì)其進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)，然后進(jìn)行二次采集，重新生成實(shí)景模型。

（2）數(shù)據(jù)比對(duì)。模型改造前后對(duì)比展示（如圖8）。

3 結(jié)語

本文采用的傾斜攝影的影像采集分析方法，具有低成本、高靈活性等特點(diǎn)，通過與三維實(shí)景建模、虛擬現(xiàn)實(shí)仿真和其他輔助技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)相結(jié)合，進(jìn)一步在工程設(shè)計(jì)、方案比選和綜合評(píng)價(jià)中提高效率、準(zhǔn)確度，進(jìn)而降低設(shè)計(jì)成本，以期用于市政設(shè)計(jì)院、建筑設(shè)計(jì)院等單位的實(shí)際工作中。

參考文獻(xiàn)

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收稿日期：2019-08-10

基金項(xiàng)目：2018年浙江省教育廳一般科研項(xiàng)目（Y201840619）

作者簡(jiǎn)介：林呀（1982—），女，浙江杭州人，工學(xué)碩士，講師，研究方向：市政工程。

The Application of Tilt Photography and Real Scene Modeling in the Reconstruction of Towns

LIN Ya，HONG Qiankun，SHEN Xingtiao

（Zhejiang Tongji Vocational College of Science and Technology，Hangzhou? Zhejiang? 311231）

Abstract：Tilt photogrammetry is a kind of photogrammetry technology which can observe multi-direction. It is widely used in the fields of homeland security and urban management. This article mainly expounds the photography of the tilt data acquisition and processing， real model restoration and monomer in the process of processing techniques and methods， analyzes the steps of the modeling of real， and this technology has been successfully applied to the small towns in the renovation project， to promote the technology application in urban renovation project has a certain reference significance.

Key words：Tilt photography technology;Real scene modeling;GIS;Virtual simulation