傾斜攝影測量技術在三維城市建模中的運用探討

趙 飛 安徽省煤田地質局第三勘探隊

1 傾斜攝影測量技術

傾斜航空攝影技術作為當前比較先進的測繪技術，相比于傳統技術通常對物體、地形的拍攝只能按照垂直角度進行，而該技術能夠彌補傳統技術的不足。該技術將多臺傳感器設置在同一個飛行器中，并且各個傳感器的設置都是以不同角度完成，這樣能夠更好地保證測繪作業能夠以多角度、多層次進行。該技術擁有的特點與優勢具體如下：首先，能夠精準地反映出被測對象的真實情況；其次，能夠實現有效測量單張影像，使其在整個行業中的應用得到了有效拓寬；再次，能夠全面采集整個建筑物的側面紋理；最后，利用該技術所獲取的數據量有限，適用于在網絡上進行發布。

2 城市三維建模

2.1 數據的獲取與處理

首先與實際需求進行結合，合理的設計測區航線，完成設計后將該技術應用在飛行器上進行航拍，拍攝時間與獲取的影像信息要視實際情況而定。完成外業飛行后，利用軟件將數據格式進行相應的轉化，完成數據轉化后，主要包含曝光點、影像號等相關數據。然后以此為基礎科學的融合解算POS數據，進而將高精度的sol文件獲得，最后將該文件、Event數據進行充分的綜合分析，并對這些分析后的數據進行相關檢校，將相應的外方位元素進行有效輸出，為后來建立三維模型提供強有力的數據依據。

2.2 構建三維模型

（1）對同名點進行自動匹配：當相關數據準備好以后，相關人員會通過使用項目管理模塊提取出有用的數據，并系統的檢查整個影像的質量，以此為基礎進行平衡光，調勻顏色，然后對同名點進行自動匹配處理，進而將該區域網當中存在的各個鏡頭所收集到的影像加密點進行提取APM文件。這樣就能夠更好地提高初始定向精度，從而獲取精確的立體圖形。（2）空三處理：科學設置相機的參數與影像，并在相關的軟件中將自動匹配點相關的APM文件進行輸入，通過使用慣導與模塊更好地實現解算與分析空三，計算完成后所得出的結果能夠全面掌握每張航片所具備的外方位元素文件。（3）對建筑物進行三維建模：首先，要進行有效提取房屋屋頂線，對3DEidter模塊進行科學的利用，從而實現了屋頂的矢量化處理目的。在進行使用建模軟件的過程中，要利用軟件自帶功能自定義選擇屋頂的類型，在進行繪制不同類型的屋頂時，房屋線的選擇可以采取不同種類的形式，而且要根據實際情況對其進行科學的調整與優化；其次，要將DEM模型進行精確的加載，然后對實體建模進行相應的處理，充分使用CityModeller模塊，發揮出其應有的功能，這樣能夠有機的與房屋屋頂、DEM模型數據進行結合，便于更準確地計算出實體高度后進行相應的拉伸。最后，利用TextureMapper模塊生成紋理信息，該軟件會將其中紋理信息精度較高的從中優選出來，然后在白模上實現自動紋理貼。在此過程中，在建筑物中可能存在一部分地面與樹木紋理貼，需要依據實際情況，對其進行相應的調整，最終能夠得到整個攝影區最真實的三維模型，并且生成的該三維模型精度已經達到較高的標準。

3 傾斜攝影立體量測功能實現

3.1 多片立體量測建模

為了能夠得到建筑物實體結構的外方位元素可以采用空中測量的方式，同時還可以與相機檢校進行充分結合，利用共線方程將相關的影像和地面建筑之間的幾何關系進行確定，將地面建筑多片立體結構的測量工作完成。在3dsMax中完整的保存所得到的三維坐標數據，利用該軟件自身具有的擠出功能將其轉換成為MESH對象，從而實現幾何體重構的目標。在實際運行過程中，可按照建筑的實際類型情況，綜合分析所得到的三維點信息，這樣能夠有效地防止出現過多的交互操作，同時將建模效率和準確率有效提高。如當建筑模型為平頂型建立時，將建筑屋頂輪廓角點坐標進行相應的選出，在3dsMax中將建筑樣條線輪廓構建的過程中，按照澆筑的高度擠出樣條線相應的高度，如果設計了女兒墻，其默認的高度就需要達到0.1m，利用具有插入功能的函數進行間距操作，將內輪廓生成。

3.2 紋理的提取

3.2.1 紋理最優路徑選擇

建立的三維模型必須要能夠將建筑的實際情況展現出來，這需要從影像中將建筑的相關紋理獲取到，并在三維幾何體表面映射出來才能夠實現。在對紋理進行優選時，同一墻體紋理能夠同時出現在多幅影像上，首先需要將墻面法線進行準確的判定，找出中心到攝影中線之間所形成的夾角，當角度小于90°，就能夠看見該墻面影像。按照選優的原則：①相同的墻體紋理能夠在超過兩幅的影像出現，則需要優先選擇最大面積的紋理；②當其出現在一幅影像中，采集對象就可以作為該影像；③如果其存在一定的遮擋情況，需要選擇最小遮擋物影像作為最終采集的對象。

3.2.2 紋理裁切和映射

按照選擇最優紋理原則將最佳紋理信息、點坐標情況進行確定，從而將最小裁切矩形得出，為了便于后期對其進行歸一化處理，通常情況下會將裁剪區長和寬進行科學的設置，然后按照設置的數值范圍展開相應的裁切。在軟件中采用的是數組形式將紋理信息在MESHMaP類對象中進行相應的保存，在TVFace類對象中保存了各個以數組形式所表示的索引坐標，當紋理與面頂點的數值相等時，這就說明坐標定點達到了對應關系。假設紋理坐標用u、v進行表示，矩形左上角點坐標用x0、y0進行表示，對應像點坐標用xi、yi進行表示，由此建立起相應的坐標關系式為：

式中，width、height為裁切矩形像素高度。

由于紋理映射過程中存在一定的映射偏差，需要通過人工干預的方式來進一步調整紋理信息。根據所建立坐標和影像，通過人工進行紋理信息判讀，從而確定最優影像，由人工擠出建模輪廓，進而使紋理實現相應的提取和映射。

3.3 實驗與分析

為了對該技術的應用效果進行驗證，本文選取了比較有代表性的城市街區展開相應的建模實驗。該實驗以SWDC5相機作為基礎獲得數據，該相機分別由1個下視和4個斜視相機構成，共對5條航帶進行了測量。由于實驗地區擁有較多的中層建筑，并且建筑結構主要以簡單為主，因此選定了一塊街區作為實驗量測建模。由此可以看出，該建模能夠有效展示出建筑頂部細節，通過組合相機數據形成較為完整的三維模型。如圖1所示，該圖為街區整體所達到的效果，建筑在該區域能夠達到均勻分布，一共耗時4 h完成該建模，相比于傳統方式來說極大地提升了拍攝效率。

圖1 街區整體效果圖

4 結束語

綜上所述，該項技術在城市建模領域的應用將關乎整體建筑施工質量及應用的功能使用。本文利用了傾斜設計技術將建筑的三維模型建立起來，并引入插件實現相應的渲染功能，從而更好地實現了快速構建城市的三維場景。通過研究得到了以下幾個結論：①利用共線方程能夠準確地確定影像和建筑之間存在的幾何關系，通過3dsMax軟件自身的擠出功能，能夠將數據轉換為MESH對象，從而將幾何體實現重構，完成測量多片立體任務。②按照優選紋理的法則，從影像中得到所需要的備選影像，根據映射和分配原理將坐標映射建立起來，并通過人工進行相應的調整。