倾斜摄影测量技术在数字城市三维重建中的应用研究

倾斜摄影测量技术在数字城市三维重建中的应用研究

王梅艳  ,张蕾

山东济南市 山东东方道迩数字数据技术有限公司250101

摘要：当前，数字城市对三维实景模型的需求越来越迫切，建设城市大规模三维模型数据库对于实景三维中国的推进具有重要意义。国内外诸多学者对城市实景三维重建进行了研究，王双美、何原荣等基于点云数据对大型或复杂建筑体进行三维重建研究，提出基于深度神经网络的SAR建筑目标三维重建方法，并取得较好效果。当前大规模城市建筑物三维重建的主要数据源来自倾斜摄影，原因在于倾斜摄影技术相较于传统人工方式更高效、经济。基于此，对倾斜摄影测量技术在数字城市三维重建中的应用进行研究，以供参考。

关键词：三维重建；三维建模；倾斜摄影；数字城市；应用

引言

数字城市,即以计算机、多媒体及大规模存储等技术为基础,以互联网为纽带,综合运用3S技术、仿真模拟技术等对城市进行时间、空间领域的三维描述。城市三维模型作为数字城市的核心基础信息,如何快速、高效、高质量地获取城市三维模型成为国内外研究的重点。

1数字城市建模的要求及特征

三维建模技术提高了三维建模质量，支持了三维数字城市的建设。通过使用三维建模技术分析数字建模数据，可以更有效地将数据集成到三维模型中，改进数字建模，并使模型更好地适应用户的需求。这项技术在城市创新发展中最有价值。有关单位应不断完善三维数字城市建模管理，通过航空摄影、三维激光扫描等提高三维建模质量。三维建模方法与相机相机技术的有效结合可实现良好的模型管理，降低建模成本，并提供良好的开发和应用要求。这两种技术的有效结合非常广泛，为提高测量项目的质量提供了很大的价值。有关单位应提高模型生产，降低模型生产成本，确保数字城市建模。

2倾斜摄影测量技术概述

倾斜摄影测量技术是国际测绘遥感行业发展起来的一项高新技术，通过放置在飞行平台上的多个传感器从下视和4个倾斜方向捕获图像。该技术具有全面、客观、真实、成本低、效率高等特点。长期以来，基于倾斜摄影测量技术获取的倾斜图像通常用于军事侦察、可视化和解译。因此，倾斜图像通常远离研究人员和公众的关注视野，导致数字城市项目建设者普遍采用标准垂直正射影像作为数字底图，政府、企业和公众也习惯使用Google地球或其他类似服务中的正射影像数据进行选定地物的定向和目视检查。然而，垂直正射影像是从单一方向进行目标观测，为充分利用多个视角的信息，必须从不同方向获取和管理多张图像。这些倾斜图像可让人全方位观测地物，其对政府和公众越来越有吸引力。主流的倾斜摄影测量平台包括海克斯康集团的CityMapper-2和LeicaRCD30Oblique航摄仪、瑞典Pictometry公司的Pictometry、美国微软的UltraCamOsprey4.1航摄仪、北京四维远见信息技术有限公司的SWDC-5、大疆经纬M300RTK等。主流的三维重建软件包括美国Bentley旗下的ContextCapture、俄罗斯AgisoftMetashape、SkylinePhotoMesh、我国的大疆智图、大势智慧等。倾斜摄影测量技术主要应用在以下方面：（1）城市和基础设施测量、规划、分析，包括地籍采集和管理、建筑物和结构的对比测量、景观建筑和城市规划、三维视线计算、不动产的面积、立面和结构测量；（2）管理军事和安全行动，包括关键位置的信息的快速获取、关键位置的准确可视化、周边地区和基础设施识别、军事路线规划；（3）关键基础设施保护，包括政府大楼、医院、监狱、机场、港口、火车站、商场、电力、军事和警察设施。

3倾斜摄影测量技术在数字城市三维重建中的应用

3.1三维数字模型的持续更新研究

在当今数字化的、本土的城市形态中，通常成本很高，生命周期较长。因此，与测量和摄影相关的工程师必须确保有重要数据，这是利用高技术测量倾斜、人性化摄影所面临的第一个挑战。本研究利用TD-530软件对电子系统三维自动建模的相关数据进行细化，以解决大型建筑结构中导致扭曲、建筑物表面损坏、空气中零部件删除和实时零部件丢失等问题。以获得测量和摄影技术人员的深入研究成果。

3.2多视影像联合平差

调整技术主要用于校正图像之间的几何扭曲和阻挡问题，并且在转换POS数据格式时，图像的外部方向元素将倾斜，并对每个图像应用相同的点(从粗糙到精细)。然后，整个局部网格使用光线跟踪进行调整。影像中用作拟合单位的射线，使用投影在中心的共线方程式做为拟合单位的起点，以最佳化模型之间共用光源的旋转和位移，将整个区域最佳化地嵌入至控制点座标系统，从而还原图形的空间位置关系。这将为相同的点匹配提供更好的结果。将连接点和连接线、位置数据以及GPS/IMU数据的倾斜图像与通用匹配计算相连接，以确保匹配结果满足测量要求。

3.3数据处理

(1)数据预处理。相关人士需要进行航空照片数据检查、色彩均匀的图像处理等数据预处理工作。①检查坡率数据。检查过程中，相关人员应确保航空照片镜头的亮度和图像颜色基本一致，如果数据相同，可以直接进行航空三角测量加密。如果数据不同，则必须合理排列图像处理。②等轴测图像处理。航空拍摄过程中，由于大气的影响，光源发生折射，所以拍摄的图像经常出现位移、变形、色差等问题。特别大的问题需要:(2)空中三角测量加密处理，以确保从多个角度拍摄的图像的空中三角测量的准确性。倾斜摄影信息数据的空中三角测量需要多视图联合调整，调整过程中需要综合考虑多视图图像的遮挡和几何变形，需要联合调整多视图图像和垂直视图图像。该工程人员利用Photo Mesh软件重点模拟多视图图像表面投影范围，采用精度低的金字塔匹配方法，在拍摄图像的各个层次实现同名的自动匹配和光束方法调整，可以有效地获得同名的匹配结果。相关人员建立连接点和基点坐标文件，根据每秒样本或惯性测量单位数据信息进行局部网络平差迭代计算，重复联合平差计算，结果平面误差和高程更符合精度标准。

3.4空中三角测量

数据处理的一个重要步骤是消除外定向中的任何系统误差和随机误差，即空中三角测量。该过程高度自动化，唯一需要人工交互的步骤是手动量测地面控制点以计算基准转换。自动点匹配(APM)技术极大加快了空三处理速度，为大型数字摄影测量项目的倾斜摄影提供严密的空中三角测量解决方案。光束法空中三角测量系统具有成熟、可靠、严密的平差数学模型等先进技术，为带有GNSS/Inertial Measurement Unit（IMU）惯导定位定向数据的摄影测量项目提供完善的工作流，在保证精度的前提下，大大减少对外业地面控制点的需求数量，具有高效高质的优势。

3.5倾斜影像获取

针对大范围、大规模、高精度的实景三维模型生产区域,可将高空倾斜航摄系统与无人机倾斜摄影系统结合使用,获取高分辨率的影像数据,建立位置准确、细节丰富、生动真实的实景三维模型。倾斜影像数据的获取是实景三维模型构建的基础,其数据质量将直接影响三维模型的效果。因此,多视影像获取及预处理时,需重点注意以下问题:（1）航摄范围覆盖必须保证测区边缘区域倾斜视角影像的覆盖率及充足的安全因子。（2）航线设计时需充分考虑区域内最低点及最高点高程,将摄区平均高程视为航摄基准面,最大限度地保证城市建筑物密集区域分辨率;严格控制每条航线内的基线长度,确保飞机速度能够满足相机曝光间隔要求;严格控制影像航向及旁向重叠度。（3）在规定的航摄期限内,应选择云雾少、无扬尘(沙)、无雾霾、大气透明度好的季节,摄影时间应严格按规范规定的太阳高度角进行。（4）因多视影像拍摄角度不一致,同一地物不同视角影像存在色彩、明暗程度差异,在实景三维模型构建前需对原始影像数据进行匀光匀色处理。（5）采用非量测型数码相机进行倾斜摄影时,需对原始影像数据进行畸变校正。

结束语

无人机倾斜摄影测量方法在三维数字城市仿真中取得了良好的效果，提高了城市规划建设的质量效果。在对无人机倾斜摄影测量收集的数据进行合理处理后，可以构建模拟城市不同区域实际情况的三维数字城市模型，因此该技术和三维数字城市模型具有较大的参考价值和较高的价值。

参考文献

[1]倪炜.无人机倾斜摄影测量技术在城市三维建模中的应用探讨[J].中国地名,2019(10):68.

[2]李芳,刘洋洋,李孙桂.倾斜摄影测量技术在城市三维建模及三维数据更新中的应用探讨[J].中国标准化,2019(20):49-50.

[3]严孝云.基于倾斜摄影测量技术的实景三维建模技术研究[D].山东科技大学,2019.

[4]马国宙.倾斜摄影测量技术在数字城市三维建模中的应用[J].智能城市,2019,5(14):83-84.

[5]刘一军.倾斜摄影测量技术在数字城市三维建模中的应用与展望[J].测绘与空间地理信息,2018,41(05):96-98+101.