倾斜摄影测量技术构建城市实景三维建模方法研究

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倾斜摄影测量技术构建城市实景三维建模方法研究

文述生

（广州南方测绘科技股份有限公司，广东 广州 510000）

摘要：如何快速构建真实而准确的城市实景三维模型是测绘领域研究热点之一，倾斜摄影测量技术的出现给城市三维模型的建设带来了新的契机。对此，文章围绕倾斜摄影实景三维建模关键技术进行研究，对实景三维建模生产效率、三维模型成果精度进行了分析和总结。关键词：倾斜摄影测量；三维建模；关键技术中图分类号：P231 文 献标识码：A文章编号：1672-7487（2019）04-73-3相对于传统三维建模效率低、工作量大、费用高、不能很好地反映真实地物地貌等问题而言，采用倾斜摄影测量技术可以更加全面地感知复杂场景，具有范围广、清晰度高、精准度高、角度多等优点，能够提升物体正射影像拍摄工作效率，同时可得到物体的立面纹理信息，再利用高性能协同数据处理系统，便能够以较快效率构建城市实景三维模型。

1 倾斜摄影实景模型构建技术

倾斜摄影技术是一项新兴技术，在测绘地理信息领域有着良好的应用效果。在运用该技术时，需将多台传感器装设在同一飞行平台上，从多个视角完成影像信息的采集，包括垂直视角、倾斜视角等，可以得到较为全面的地物影像信息，包括侧脸信息以及顶部信息等。再借助电脑软件，可在尽量减少人员参与的前提下，完成模型的自动化构建，并生成城市实景三维数据。

采用倾斜摄影实景模型构建技术时，主要有倾斜航空摄影、控制测量、空中三角测量、三维建模等作业环节。其具体技术路线如图1所示。先完成飞行平台构建、相机选型以及航线设计，在此基础上进行倾斜航空航摄，结合CORS数据进行与处理和POS解算，然后通过空中三角测量完成控制点测量，再进行实景三维模型构建和修饰修补，最后开展质量检查，并提交最终作业成果。 1.1 航摄平台选型与航线设计

航摄飞行平台类型多种多样，当前较为常用的主要有直升机、动力三角翼、运5、运12、固定翼无人机、旋翼无人机等，可根据空域高度的不同进行选择。对于倾斜摄影实景模型的构建来讲，作业规模较大，对飞行器的工作效率

要求较高，选择航摄平台时，应满足高空作业需求，建议从直升机、运5及运12中做出最佳选择[1]。

当倾斜相机不变时，影像分辨率会随着飞行高度的升高而降低，要想提高模型数据的精准度，就需要选择最佳的倾斜相机。现阶段我国精准度较高的倾斜航摄仪系统主要有徕卡ＲCD30Oblique、SWDC－5AP100、AMC5100等几种，后两者单镜头像素可达到1亿，在国内多视角航空照相机系统中有着最高像幅。

对于实景三维模型来讲，其精度和建模效果与影像重叠度及影像分辨率有着直接关系。在作业过程中进行航线敷设时，要求航向影像与旁向影像重叠度最小均为70%。如果将建筑物遮挡考虑在内，其航向影像及旁向影像重叠度的

图1 倾斜摄影实景模型构建技术路线

作者简介：文述生（1970—），男，重庆长寿人，测绘工程师，本科，毕业于武汉大学，主要从事卫星导航研究等工作。（邮箱）jhfgx378@163.com测绘测量

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最小值分别要求为80%和70%。当建筑物数量较多、密度较大时，还需结合对其顶层实际重叠度进行分析，以便在航线敷设时做出调整。1.2 像控点布设

在构建三维模型时，做好像控点布设工作，提高其分布密度，能够使模型数据精准度得到显著提升。同时，应对时间周期、经济因素、成果质量展开分析，以确保模型精度为前提，确定最佳方案，完成像控点的布设。如果城市规模较大，在进行倾斜摄影测量时，需根据区域面积布设像控点，保证其分布的均匀性，通常情况下，地势较为平坦的区域，每平方公里所布设的像控点数量不得少于1个，各个区域边缘的连接处，可增加像控点布设数量。1.3 倾斜空三测量

在倾斜摄影测量作业中，一般会通过POS辅助空三解算实现空中三角测量。空三计算分为2个环节。

1）提取连接点。

2）对光束法区域网进行平差操作，目前较为常见的连接点自动量测算法倾斜影像处理中存在一定的局限性，需作出改进和优化，具体来讲，可通过POS系统获取初始值，即多视影像外方位元素，再利用SIFT算法和ASIFT算法，匹配多视影像特征，实现倾斜影像连接点的提取[2]

。

在空三测量计算中，光束法区域网平差方法尤为重要，具有精度高、严密性强的优点，在多视影像空三测量中也有着良好的应用效果。根据影像连接点坐标值，与地面控制点相结合，采用平差方法进行运算，可确定连接点地面坐标位置，并得到测区影像的外方位元素。一般来讲，进行空三计算时，可借助倾斜建模软件完成，只需运算一次便可获取相应的结果。但是也存在数据与实际要求不相符的问题，影响空三计算结果，针对这种现象，为提高数据精度，可将不符合要求的数据从中剔除，再次进行计算或者多次计算。1.4 三维建模

完成倾斜空三测量后，便需要构建实景三维模型。倾斜三维建模系统会按照影像数据，对最佳算法进行匹配，一一对应同名点。然后通过特征点的抽取，形成密集点云，再结合空三测量运算结果，确定影像关系，完成三角TIN的建立。再根据三角TIN形成白模，计算影像纹理，通过映射与白模相对应，实现三维建模操作。

目前，在倾斜三维建模领域中，主要系统软件主要有Altizure软件、Context Capture Center软件、街景工厂

Street Factory、瑞士Pix4d系统、PhotoScan、Photo Mesh等。这些软件均可针对整个区域构建三维模型，作业自动化及效率较高。1.5 模型优化

在空三阶段，受多种因素的影响，如航摄盲区、影像重叠度、地物反光、影像分辨率、航摄时间不同等，容易发生匹配错误现象，或者出现点位不足的情况，对三维建模效果造成影响，造成纹理变形、模型悬浮、纹理阴影、无三角网的空洞区域等问题，此时需要进行修饰修补。如果出现建筑物玻璃幕墙漏洞、水面空洞等问题时，可通过人工方式在软件中导入需优化处理的模型数据，利用软件系统对其进行编辑，构建全新的模型，进而实现较为理想的建模效果。

2 实景三维模型构建实践

此次研究测量区总面积约3600km2，影像分辨率要求为5cm，属于大规模实景三维建模项目。在实际作业过程中，所用航摄飞行平台包括直升机和运12两种，倾斜航摄相机为SWDC－5AP100和AMC5100，可提高作业效率。另外，在航空摄影过程中还用到了IMU/DGPS，所用位置姿态定位系统为POSAP20(50)，具有较高的精准度高，在进行后处理运算时。所用软件为POSPacMMS8.0。

航线敷设时，航向影像重叠度与旁向影像重叠度分别控制为80%和70%。因为测量区建筑物较多，所以在进行航线敷设时，将航向影像重叠度及旁向影像重叠度控制均控制为80%[3]。

在布设像控点时，根据区域的不同进行，保证其分布的均匀性。建筑物数量较多、密度较大的区域，每0.5-1km2范围内所布设的像控点布设数量不得少于1个。地势较为平坦的区域，每平方公里所布设的像控点数量不得少于1个，各个区域边缘的连接处可多布设几个像控点。此次研究在构建三维模型时，所用软件为Context Capture Center4.4.5，按照图2所示技术流程完成操作。

采用上述软件进行三维建模时，所用模式为主模块——工作线程模块，可进行网格并行计算。通常情况下，一组节点由8台工作站构成，并装设有Engine与Master，数量分别为8个和1个。采用分块分区方式提交建模区域，可增强一组节点的处理能力，并尽可能地提升处理效率。在此过程中，需严格控制好分区范围，分区过小会加重区域接边工作任务，分区过小会降低空三运算效率，具体可根据所提取的影像数量确定分区范围，通常情况下单个分区

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控制点数据准备影像预处理数据导入pos解算成果空三分块分区倾斜数据空三处理坐标系定义重建框架设置切片大小定义统一坐标系和格式三维建模模型更新模型是否是三维模型修补存在问题（结构）否创建索引文件 (Composer)场景整合模型成果图2 三维模型构建技术流程

数量最佳约为1万张，并控制在1.2万张以内，分区边界相连接时，如果出现重叠现象，则覆盖范围以2个瓦片较为合适。

依托软件系统空三模块进行倾斜空三处理时，对于像控点的量测刺点，要求有人工参与其中，对于区域网平差连接点来讲，需严格控制好重投影误差，最大值不得超出0.5个像素，通过检验确定空三成果符合标准后，才能重新构建三维模型。该环节对于实景三维建模尤为重要，具体涉及到密集匹配、点云优化、模型创建和纹理映射等流程。

测量作业成果输出时，按照OpenSceneGraph二进制格式进行，2000国家大地坐标系为参照构建坐标系统，遵循1985国家高程基准，借助BingMaps17级框架对数据组织进行切片处理，最终三维模型构建效果如图3所示。

通过多组节点同时作业，实现三维建模生产。此次研究中，对于一般城区和中心城区来讲，各组节点的作业效率为每月分别为20-25km2、10-15km2。在评价三维模型空间精度时，需结合整个测量区进行考虑，检测模型的精度。该

华北自然资源论文

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图3 三维模型构建效果图

项目中所设置的检查点包括建筑物点与地面店，总数量超过了1220个，其三维坐标视作真实值，根据模型成果，获取检查点对应位置的三维坐标，视作实际值，然后与实际值进行比较，获取中误差大小，对三维模型成果精度做出判断。结合实际检查数据可以发现[4]，平面位置中误差及高程中误差分别为0.136m和0.108m，与《三维地理信息模型数据产品规范》中的相关规定进行比较，发现模型精度满足要求，达到了1∶500比例尺地形图的标准。

3 结束语

传统的三维建模技术存在低效率、高成本、纹理数据不足、数据处理复杂等问题，倾斜摄影测绘技术从不同视角获取地物的影像信息能够弥补传统三维建模技术的缺陷，具有高效率、低成本等优点，为城市大规模实景三维模型数据生产提供可行的技术解决方案。

参考文献：

[1] 陈永健,陈曦.基于倾斜摄影测量技术的城市实景三维建 模方法研究[J].资源信息与工程,2018,33(04):131-132.[2] 谭金石,黄正忠.基于倾斜摄影测量技术的实景三维建 模及精度评估[J].现代测绘,2015(5):21-24.[3] 包丹丹.倾斜摄影测量的空三精度和三维模型精度的评 估方法研究[D].天津:天津师范大学,2017.[4] 毕波,喜文飞.倾斜摄影测量中像控点数量对模型精度的 影响研究[J].甘肃科学学报,2018,3 0(06):27-31.