張春敏，丁亞杰，徐 慶

(常州市測繪院，江蘇 常州 213003)

0 引 言

傾斜攝影技術于2010年首次引入國內，它的出現給城市三維模型建設帶來了新的契機。傾斜攝影技術通過多臺傳感器從多個角度采集地面影像，突破了傳統(tǒng)航空影像從垂直角度拍攝的局限，快速、高效獲取豐富的數據信息，真實地反映地面的客觀情況，滿足人們對三維信息的需求[3]。所獲得的三維數據可真實反映地物的外觀、位置、高度等屬性，彌補了傳統(tǒng)人工模型仿真度低的缺點。借助無人機等飛行載體可以快速采集影像數據，同時使用傾斜影像批量提取及自動映射紋理方式，實現自動化的三維建模，大幅度降低城市三維建模成本。與其他傳統(tǒng)4D產品相比，由于其可實現側面拍攝方式，相對于傳統(tǒng)正射投影方式，能獲得更立體的地理和環(huán)境信息，因此在地物解譯、環(huán)境監(jiān)測和應急響應等方面具有不可替代的價值[5]。運用傾斜攝影技術構建實景三維模型也成為智慧城市的技術亮點[4]。

本文以傾斜影像為數據源，將傾斜影像空三加密技術、多視影像密集匹配技術和紋理映射技術有機結合，在少量人工干預的情況下快速、自動實現城市三維模型的構建[7]。

1 基本思路

首先，將獲取的影像進行空中三角量測并獲得高精度的外方位元素；其次，應用經過畸變校正后的多視影像和高精度的內外方位元素，創(chuàng)建立體像對，采用多基元、多視影像密集匹配技術，構建不規(guī)則三角網，經過三角網的優(yōu)化和簡化，生成三維模型[10]；然后，為建筑物幾何模型中的每個墻面從傾斜影像中選擇質量最好、受遮擋影響最小的影像作為紋理圖像源，確定最小裁切矩形，利用物方房角點與相應像方房角點之間的透視變換關系確定每個房角點所對應的紋理坐標，借助反解法，實現自動紋理糾正；接著，基于多邊形三角剖分思想，實現其他景觀的構建以及地塊模型與建筑模型的匹配；最后，將城市三維模型輸出進行驗證。擬采取的技術路線如圖1所示。

圖1 技術路線圖

2 研究內容

傾斜攝影建模的具體內容包括：傾斜影像的空中三角量測；根據獲得的內外方位元素，構建三角網，得到白模的城市三維模型；從傾斜影像中篩選出符合要求的影像，提取每個面的最佳紋理信息，實現紋理的自動映射；最后基于多邊形三角剖分思想進行城市景觀的三維建模和匹配。

2.1 傾斜影像的空中三角測量

空三處理使用的是SVS近景/低空攝影測量軟件，可以在有地面控制點或無地面控制點的情況下實現全自動快速空中三角測量[6]?？杖^程中加入自檢校光束法平差，相當于在平差過程中使用攝影測量的方法再次進行標定，提高了匹配點的質量和精度[8]。

2.2 建筑物幾何模型建立

要建立建筑物三維模型，需要獲取建筑物幾何信息和提取建筑物表面的真實紋理并貼圖。建筑物幾何模型包括建筑物的空間位置及建筑物各部分三維信息[3]。主要獲取方法是基于傾斜影像和空三優(yōu)化后的高精度外方位元素獲取的。

應用經過畸變校正后的多視影像，給出三維空間復雜物體的全方位信息，避免雙目視覺存在的攝影遮擋、攝影死角問題?？杖馑愫蟮玫酵夥轿辉兀瑒?chuàng)建立體像對，采用多基元、多視影像密集匹配技術，構建不規(guī)則三角網(TIN)。通過對三角網的整飾，將內部三角的尺寸調整至與原始影像分辨相匹配的比例，分析連續(xù)變化曲面，對相對平坦地區(qū)的三角網進行簡化，降低數據冗余，生成白膜的城市三維模型[7]。

2.3 建筑物紋理的自動獲取與映射

真實的紋理是重建建筑物精細三維模型所必備的。傾斜攝影所獲取的高分辨率影像，除含有建筑物的幾何信息外，還有大量的建筑物屋頂和側面紋理信息[2]。本文基于傾斜影像和3ds max的優(yōu)點進行建筑物紋理的自動提取。

該方法主要包括以下幾個方面：① 紋理最優(yōu)選擇，選擇質量最好、受遮擋影響最小的影像作為紋理圖像源；② 紋理自動裁切，找到最佳紋理信息，確定該面各點反投到影像上的影像坐標，確定最小裁切矩形；③ 紋理自動糾正，利用物方房角點與相應像方房角點之間的透視變換關系確定每個房角點所對應的紋理坐標，借助反解法，實現自動紋理糾正[1]。但在紋理自動映射中，難免有可能會存在個別模型的立面紋理映射出現偏差的情況，這時就需要借助適當的人工干預，對紋理信息進行糾正。

2.4 城市其他三維模型構建

城市三維模型包括的對象十分廣泛和多樣化，除了建筑物以外，還包括道路、水系、樹木等。在實際三維場景的構建中，由于種種原因可能出現地物沒有與地形相匹配，造成諸如地物飄在空中或陷入地下的情景。通常地物、地形模型的數據結構和組織方式有很大差別(如通過不同的建模軟件生成的)，另外地形是起伏的，而地物的基準面是水平的，很可能出現地物所覆蓋的區(qū)域橫跨在2個或多個高度不同的地形三角形面片上等[9]。本課題基于多邊形三角剖分思想，實現其他景觀的構建以及地塊模型與建筑模型的匹配。

3 研究成果

利用傾斜航攝系統(tǒng)，搭載在大鵬CW-30垂直起降固定翼無人機上，對溧陽城南約16 km2范圍進行了傾斜攝影(GSD=0.05 m)，共計獲取影像數量5546 張x5 鏡頭=27 730張，完成了三維實景模型制作，并在三維實景模型基礎上進行模型單體化，從而達到后期三維gis應用。空三解算與建模采用的是Smart3D軟件，分為3個測區(qū)進行數據處理，生成實景三維模型效果(圖2)。

圖2 溧陽城南測區(qū)三維實景模型圖

基于3ds Max平臺開發(fā)半自動單體建模軟件，通過航測立體模型和三維實景模型進行建筑模型的單體化幾何量測，紋理在模型量測完成后自動映射。引入所有攝影測量空三軟件的空三成果，在立體環(huán)境下以航測法“3D測圖”的方式進行建筑物的半自動快速單體建模(圖3)；也可同時引入osgb格式的三維實景模型，直接在實景模型上進行單體化量測，最終可以快速、半自動地實現城市三維模型的構建(圖4)。

圖3 航測法半自動快速單體建模

圖4 城市三維模型構建

4 結 語

本文構建了利用傾斜影像進行建筑物快速三維建模平臺——3ds Max插件。該平臺能夠生成實時核線影像，并在此基礎上進行建筑物的建模和紋理自動映射。以常州市地區(qū)的傾斜影像為實驗數據進行建筑的幾何建模，實驗通過本文的建模新方法，構建了一個街區(qū)，其效率與傳統(tǒng)建模流程相比，有明顯提升，在真實感上也有顯著的提高。同時采用 3ds Max的插件開發(fā)技術，方便了傳統(tǒng)作業(yè)人員的使用，易于在實踐生產中推廣，具有較好的應用前景。

基于傾斜攝影技術的城市三維快速建模方法，實現了一個集三維建模、紋理自動獲取、紋理映射等功能于一身的高效率數字城市建模平臺，該方法在效率上大大優(yōu)于傳統(tǒng)的手工“貼”紋理方式，具有較好的實用價值，為城市的三維模型快速構建奠定了技術基礎，對測繪生產單位規(guī)?；a具有一定的參考價值，同時也為輔助規(guī)劃編制、管理、決策等提供了科學、高效的手段。