基于多角度影像的大比例尺3D產品一體化生產研究＊

聞彩煥 王文棟

（1.河北省地質測繪院，河北 廊坊 065000）

0 引言

隨著經濟社會的迅猛發展，規劃、建設、交通、環境、公眾服務等各部門對基礎地理信息數據的時效性和準確性需求越來越高。傳統的基礎地理信息數據生產中，大比例尺DLG 一般采用全站儀、GPSRTK 技術進行全野外測繪采集的方法。大比例尺DEM，DOM 采用傳統航空攝影測量方式基于全數字攝影測量系統生成[1]。同時，隨著衛星傳感器的不斷發展，多角度觀測衛星提供多角度觀測數據，為DEM、DOM的生產提供了更多選擇[2-3]。

傾斜攝影測量技術是近年發展起來的一項航空攝影測量新技術，隨著各種傾斜攝影系統的涌現，使得傾斜影像數據獲取變得非常快捷，計算機集群、GPU、三維建模的自動化[4]-[7]使得傾斜影像三維建模效率大幅度提升，并得到了廣泛的應用。

目前，基于傾斜影像建立的三維模型數據成果已在各行各業中有了廣泛的應用，如數字城市、規劃設計、電力選線、景區展示[8]-[12]。基于三維模型進行空間信息采集也有單位進行了深入的探索[13]-[14]。

本文利用無人機傾斜攝影技術獲取多角度影像，利用集群技術自動化建立高精度實景三維建模，在此基礎上進行3D 產品一體化生成。經過質量檢查，3D 產品均滿足規范要求，為基礎地理信息數據快速更新提供了保證。

1 關鍵技術

1.1 技術流程

通過無人機傾斜攝影、像控點測量獲取多角度影像信息，通過空中三角測量、三維模型建設形成實景三維模型，利用三維模型進行輸出編輯、要素采集、特征點線采集等，形成測繪3D 數字產品。具體技術流程如圖所示：

圖1 技術流程圖

1.2 多角度影像獲取

傾斜攝影測量技術,通過在飛行平臺上搭載多臺傳感器，同時從前、后、左、右、垂直多個角度拍攝地面影像，克服了垂直攝影測量的局限性。能夠獲取更豐富的地物紋理影像信息，真實地反映地物的實際情況，而且可通過先進的定位技術嵌入精確的地理信息。

利用傾斜攝影測量技術進行海量多角度傾斜影像獲取。在傾斜攝影開展前，做好以下工作：航攝分區、航線設計、敷設航線、設計航高、確定航攝重疊度，同時，進行像控點布設與測量工作為多角度影像提供精確的空間定位信息,從而實現利用多角度影像建立可量測的三維模型。

影像分辨率的大小對于三維模型的精度影響至關重要，進而影響3D 產品精度。根據幾何關系，地面分辨率和飛行高度關系如下：

其中，f為焦距，H為飛行高度，μ為像元尺寸，GSD為地面分辨率。

因此，在一定的相機條件下，考慮實際地形情況，設計合理的飛行高度從而獲得高分辨率影像。

像控點的精度對三維模型的精度影響至為關鍵，進而影響3D 產品精度。利用GNSSRTK 技術開展像控點測量，觀測兩測回，測回間時間間隔超過60s，每測回觀測值在得到RTK 固定解且收斂穩定后開始記錄，測回間的平面坐標分量較差不大于2cm，垂直坐標分量較差不大于3cm。兩測回結果取平均值作為像控點測量最終成果。

1.3 實景三維模型建設

空中三角測量利用航攝像片和目標之間的空間幾何關系，根據少量像片控制點進行像點加密，求得所有加密點的地面坐標和像片外方位元素。利用ContextCapture[15-16]軟件光束法區域網整體平差方法，通過相對定向，像控點量測，絕對定向完成空中三角測量工作。

首先計算出小區域內每個相機的內方位元素，然后導入到工程中進行相對定向，能達到提高相對定向精度的作用。然后在此基礎上進行像控點量測。每個像控點分布在不同視角，每個視角至少3 個以上像片，像控點所在像片清晰，像控點位置接近于像片中心。像控點量測后，進行平差計算，從而完成絕對定向。解算出每幅影像的精確的外方位元素，確定各個影像間的關系。需要注意的是，空中三角測量過程中，通過控制點的量測環節的優化、調整，控制點中誤差控制在1 個像元以內，從而提高空中三角測量精度。

在空中三角測量的基礎上，利用ContextCapture軟件，通過傾斜影像的密集匹配,獲取大量高密度的點云數據，構建不規則三維網格模型，優化、簡化網格模型進行，自動紋理映射，最后生成紋理清晰逼真的三維模型。為提高建模效率，利用多臺服務器進行集群處理，分瓦片進行三維建模。

1.4 3D產品生成

1.4.1 DOM生成

基于實景三維模型，自動化分塊輸出高精度的正射影像，為最大程度保存影像信息，設置分辨率為最高分辨率。在此基礎上，利用遙感圖像處理軟件對分塊影像進行鑲嵌，再按照生產要求的網格尺寸進行重采樣，對于個別遮擋區域、漏洞區域進行人工修補,最終生成大比例尺DOM，。

1.4.2 DLG生成

在EPS 平臺調用三維模型OSGB 瓦片數據，利用實景三維模型和DOM 進行數字化測圖，采集房屋、道路、河流、地貌等地物要素信息采集，同時賦予要素屬性，完成DLG 制作。對于模型中遮擋區域，進行野外補測。對DLG 主要地物要素，采用如下方法進行采集：4

（1）井蓋、篦子等點狀地物，如井蓋，篦子，按照中心定位法在中心位置進行采集。

（2）道路、河流等線狀地物，通過傾斜攝影三維模型結合紋理信息，采用直接法直接識別線性地物的類型及其走向，從而快速拾取道路、斜坡、陡坎等線性地物的平面位置、高程等信息。

（3）植被等面狀地物，通過識別傾斜攝影三維模型結合紋理信息，采用直接法判斷植被范圍面，通過采集范圍線完成植被的采集工作。

（4）居民地，針對實景三維模型的居民地建筑物具體情況進行采集，對獨立建筑物利用自動搜索建筑物邊緣進行識別，對密集建筑物，利用相交法、距離延長法進行采集，對于模型頂部清晰、邊緣界限不清情況，利用模型疊加DSM 進行采集。內業識別樓層層數及建筑結構信息。

1.4.3 DEM生成

傳統的航空攝影方式生成DEM，通過恢復立體像對，采用立體眼鏡、手輪腳盤等設備進行特征點、線采集，費時費力。無需佩戴立體眼鏡，采用清華山維科技公司的EPS 3DSurvey 三維測圖系統根據實景三維模型數據進行特征點、線采集。利用所有的特征點和特征線構建三角網，完成DEM生產工作。

（1）根據DEM 產品尺寸確定格網間距，基于模型自動提取高程點和等高線。

（2）在模型中對提取的高程點和等高線進行檢查。同時，對遺漏的反映地貌特征的點進行特征點采集。

（3）采集時，注意貼合地面進行采集，以免造成誤差過大。

（4）遇地形變化大情況，高程點不能表達的，進行特征線采集。

2 研究實例

2.1 研究區域概況

本區域為廊坊某個縣級城市,面積為31.88km2。區域內高速公路、國、省、縣、鄉級公路縱橫交錯，交通十分發達，給測繪工作帶來一定困難。

2.2 多角度影像情況

采用搭載五臺4240 萬像素傳感器傾斜相機的多旋翼無人機進行傾斜攝影，根據區域的形狀和范圍，分為9 個分區，航線按南北方向敷設。航向重疊80%，旁向重疊70%。根據測區范圍最高建筑物情況，飛行高度200米。

進行像控點提前布設，利用GNSS-RTK 技術進行像控點測量。共計完成像控點264 個，坐標系為CGCS2000，中央經線為117 度。獲取多角度影像數量65195張。分辨率為3.9cm,最高可達2.4cm。

2.3 實景三維模型情況

對海量多角度影像根據分布情況和集群計算能力進行分區處理。本次分為6 個分區。每個分區大概片數在一萬張左右。

對6 個分區分別進行空三加密。利用Context-Capture

軟件進行原始影像、相機參數、pos 文件導入。軟件自動進行關鍵點提取、像對選擇、初始化外方位元素、連接點匹配、控制點參與光束法平差、色彩均衡等步驟來完成空中三角測量。6個分區，像控點的最大重投影差為0.76個像素，控制點的最大平面位置中誤差為0.012m，最大高程中誤差為0.018m。

空三加密后，利用ContextCapture 軟件自動紋理映射進行三維模型生產，輸出模型紋理清晰的三維瓦片。利用多節點集群計算，瓦片大小為200m，共計1570個瓦片，用時15天。

2.4 3D產品及質量情況

基于實景三維模型，進行3D 產品的生產。共計生成1:2000 地形圖20 平方公里，折合標準圖幅20幅。1:500 地形圖4 平方公里，折合標準圖幅66 幅。共完成1:2000 DEM，45 平方公里，折合標準圖幅45幅。共完成1:1000 DOM，45 平方公里，折合標準圖幅156幅。投入人員9人，用時折合150人天。

隨機抽查30%左右的DLG產品，采用外業散點方式檢查精度。共檢查平面位置點294 個、高程點208個。經計算，點位中誤差為13.9cm。高程中誤差為11.7cm。隨機抽查30%左右的DEM，12 個圖幅。對DEM 進行散點檢查，共檢查高程點653 個，高程中誤差為14.4cm。隨機抽查30%左右的DOM，40 個圖幅。與DLG 做套合的方式檢查幾何精度，套合精度高于2個像元，均未發現較大的變形和偏移。

經質量檢查，3D產品均滿足規范要求。

3 結束語

本文利用無人機傾斜攝影技術獲取海量多角度影像，利用集群技術自動化建立高精度實景三維建模，在此基礎上進行3D 產品的制作。經過質量檢查結果統計，3D產品均滿足規范要求。結論如下：

（1）通過傾斜攝影拍攝的多角度影像，在獲取實景三維模型的同時，能夠實現3D 產品一體化制作，同時滿足產品精度要求，實現了一次航飛，產品完整，真正實現了效益最大化。

（2）和大比例尺DEM、DOM 傳統攝影測量生產方式相比，該方式脫離了立體眼鏡、手輪腳盤等采集設備，客服了成本高、入門困難等各種弊端；同時，DEM 的生產采用自動提取和人工核對相結合的方式，DOM 的生產采取自動輸出和人工修補相結合的方式，大大提高了生產效率。

（3）和大比例尺DLG 傳統野外采集生產方式相比，該方式大大減少了外業的工作時間，具有自動化水平高、測量范圍廣、效率更高、速度快的優點。

（4）尤其對征地拆遷地區，居民敏感度過高情況，受人為因素干擾小,為高效率、高精度3D 產品生產提供有力的技術保證。