倾斜摄影实景三维建模技术及其应用现状分析

　　摘要:倾斜摄影实景三维建模技术将传统测量从二维平面提升至三维立体层次，同时也将部分外业测绘工作转化到内业数据处理，极大程度地提高了生产效率。作为一种新兴测绘技术，倾斜摄影实景三维建模技术具有其自身的两面性，本文从倾斜摄影实景三维建模技术原理出发，结合其优点及不足之处，详细阐述分析了该技术在各个领域的应用现状及优化措施。

　　关键词:倾斜摄影;三维建模;无人机;摄影测量

　　0引言

　　倾斜摄影实景三维建模技术首先兴起于国外，从2014年以来，相关的数据处理软件被逐步引入测绘地理信息行业，近几年倾斜摄影测量技术在国内受到强烈关注，其数据成果广泛地应用于应急测绘、国土资源调查、城市规划、智慧城市建设及模拟仿真等各个行业。倾斜摄影技术利用飞行器(有人/无人)平台搭载倾斜摄影航摄仪，从多个视角实施对地观测，并获取多视数码航摄影像，结合多视影像密集匹配算法，构建实景三维模型准确真实地还原表现状信息[1-2]。

　　该技术以大范围、高精度、高真实感的作业方式全面感知复杂场景，通过高效的数据采集设备及专业的数据处理软件生成的数据成果可以直观地反映地物的外观、位置、高度等属性信息。硬件方面，国外有美国徕卡公司RCD30系统、德国IGI公司的Penta-DigiCam系统、以色列VisionMap公司的A3系统及国内有SWDC-5、AMC580及TOPDC-5倾斜相机;软件方面，主要有法国ASTRIUM公司的街景工厂、Acute3D公司的Smart3DCapture、美国Pictometry公司的Pictometry系统、Trimble公司的AOS系统、微软Vexcel公司的Ultramap软件、以色列的VisionMap软件等。

　　上述软硬件系统是目前国际倾斜摄影技术发展的最高水平。倾斜摄影实景三维建模技术虽然在测绘地理信息行业得到了广泛的应用，与此同时，由于其技术本身的局限性也带来了不少问题。因此，本文首先阐述倾斜摄影测量相关技术流程，其次分析其在各领域应用情况及存在的问题，并提出相关的应用改进及推广措施。

　　1倾斜摄影实景三维建模

　　倾斜摄影实景三维建模技术主要包括倾斜摄影及三维建模两个阶段:倾斜摄影阶段分为多视影像获取与像控布设与测量两部分;三维建模阶段根据处理过程分为预处理、倾斜空三加密、多视影像密集匹配、集群纹理映射及实景三维输出等步骤。

　　1.1倾斜摄影

　　倾斜摄影是指通过同一飞行器平台搭载倾斜航摄仪，同时从垂直、倾斜等多个不同角度采集场景多视影像。根据摄区范围大小、地形情况，飞行器平台可以分别选择直升机、无人机及动力伞等，目前实施倾斜摄影使用频率最高的飞行器为旋翼无人机[3-4]。任务荷载方面，搭载的倾斜航摄仪有五镜头、三镜头等相机，针对单体实施倾斜摄影时，也可以使用单镜头进行倾斜拍摄。为保证实景三维数据质量及精度，目前倾斜摄影多视影像地面分辨率以5cm内为主，影像航向重叠度控制在70%—80%之间，旁向重叠度控制在60%—70%之间[5-6]。

　　1.2多视影像联合平差

　　多视影像包括垂直摄影影像和倾斜摄影影像，其影像多样性比传统航摄更多，传统空中三角测量方法无法解算，因此需要多个角度的影像进行联合平差处理倾斜影像。平差解算过程中，首先，需要分析多视影像之间的几何形变及遮挡关系;其次，根据影像POS数据中的外方位元素，结合金字塔影像匹配策略，在每一层级金字塔进行同名点匹配和联合平差，得到相对精度较好的匹配结果;最后将像控点、连接点及其他辅助数据导入多视影像自检校区域网误差方程，通过联合解算获取最终的高精度结果。

　　1.3多视影像密集匹配

　　多视影像密集匹配是倾斜摄影数据解算的关键技术之一，多视影像匹配与单一立体像对相比具有如下特点:1)由于影像拍摄角度及数量较多，因此可利用影像信息十分丰富，将误匹配概率降至最低;2)充分利用冗余纹理特征信息，有助提升航摄盲区匹配精度。

　　1.4生成数字表面模型

　　利用多视影像密集匹配空三成果，生成高精细数字表面模型(DSM)，该模型数据可以准确反映地形起伏变化情况。由于倾斜多视影像之间存在角度、色差、高度等方面的差异，且影像中存在阴影和地物遮挡的情况，因此使得DSM局部出现不规则拉伸及扭曲的情况。

　　1.5实景三维模型输出

　　多视影像经绝对定向及匀光匀色后，将其转换成高密度真彩色点云数据，利用点云数据生成TIN模型，通过纹理映射，生成给予多视影像纹理的高分辨率实景三维模型，该模型数据具有高精度、高真实感、全方位感知的特点。为满足多行业应用，目前通用的实景三维数据成果格式有*.osgb、*.obj两种格式。

　　2应用分析

　　2.1大比例尺测图

　　基于倾斜摄影实景三维模型生产大比例尺(1∶500/1∶1000)地形图基本满足《城市测量规范》[7]1∶500数字线划图的精度要求，相比于数字化测图作业方式，生产效率得到了明显提升。但模型中部分尺寸较细的地物(如路灯、电杆等)建模效果不佳，扭曲变形较为严重，采集误差较大，需要用其他作业方式进行补充测量。另外，针对部分地物要素特点，可研究开发一些智能自动化线划图提取功能软件，从而进一步提升线划图生产效率。

　　2.2土方测量

　　利用倾斜摄影空三成果，可以输出真彩点云数据，该点云数据具高密度及高精度特点，可用于无植被遮挡大范围裸露土石方测量项目，通过与传统土方测量比较，量测方量较差百分比小于3%，满足《城市测量规范》要求。需要注意，为满足土方测量高程精度要求，像控测设高程控制需采用水准测量与周边高等级水准点进行联测。

　　2.3竣工测量

　　倾斜摄影实景三维模型具有高精度、高真实感、全方位感知的特点，其在规划竣工测量项目中用途包括竣工地形测绘、绿化测量、楼高测量及建筑物退距核实等[8]。实际应用过程，一类建筑物角点要求平面中误差在±5cm以内，部分扭曲变形较大的建筑角点采集时，需调用绝对定向后的多角度原始航片辅助进行采集才能确保精度要求。

　　2.4地籍测量

　　倾斜摄影实景三维建模技术在地籍测量项目中的应用主要体现在地籍调查底图生产，传统作业方式为全野外数字化测量，需要投入大量人力物力，且生产周期长，投入成本大，将倾斜摄影应用于地籍测量项目有效提升工作底图生产效率。经精度验证发现，60%—70%房屋角点平面误差在±5cm以内，符合地籍界址点精度要求;剩余精度超限部分为隐蔽或不规则房屋角点，多为房屋周边存在植被树木遮挡或为老旧木土材质房屋，对于此类房屋角点需采用其他方式(如数字化测量)进行补充测量。

　　2.5立面测量

　　当前，全国范围内各个省市都在推行美丽乡村建设，针对已有建筑景观风貌提升改造项目也随之增多，而建筑立面图是开展景观提升设计的基础资料。利用倾斜摄影实景三维模型数据生产建筑立面图，更加准确直观高效，进一步丰富了项目成果;也可以基于建筑实景三维进行景观设计，提升设计方案的可行性与真实度。

　　2.6城市三维建模

　　随着智慧城市、数字孪生城市建设的不断推进，城市三维建模需求与日俱增[9]。目前城市三维模型大部分为三维仿真模型，主要利用三维激光点数据结合已有矢量数据全人工方式进行生产，具有生产成本非常高、模型真实感不高、精度有限等不足。倾斜摄影实景三维建模其高真实感、高效率及高精度的特点，为城市三维建模提供了技术补充，有效地解决了项目生产周期、成本控制等方面的问题，但实景三维模型数据类型为Mesh模型数据，不具备矢量数据的点、线、面特征，为满足更多元化的GIS应用需求，需利用其他软件进行建筑单体化。

　　3结束语

　　本文通过详细的分析，阐述了倾斜摄影实景三维建模技术原理及其当前的应用现状，该技术可以有效地提升测绘生产效率，丰富测绘成果，为大数据测绘提供新的技术支持。与此同时，该技术依然存在不足之处，主要表现在以下几方面:

　　1)飞行器平台续航时间短。倾斜多视影像具有高分辨率、大重叠度的特点，因此航摄实施需要长航时飞行器平台的硬件支持。目前倾斜摄影飞行器平台以旋翼无人机为主，该种类型飞行器续航时间有限，作业工期相应延长，航拍风险增高，另外，影像光照及色彩信息差异性增强，加大了后期数据处理难度。2)局部建模效果有待提升。倾斜摄影实景三维模型中，部分区域建模容易出现扭曲拉花等现象，如建筑檐下结构、树下遮挡部分、玻璃纹理及水域等，影响模型数学精度，需进行贴近补拍或约束建模，提升模型输出质量;3)行业规范有待补充。目前倾斜摄影实景三维建模外业航摄实施规范和内业数据处理规范待有关部门编制发行，全面制定行业技术标准，从而进一步推进倾斜实景三维建模技术的深化应用。

　　参考文献:

　　[1]张祖勋.数字摄影测量原理[M].武汉:武汉大学出版社，1997.

　　[2]张健清，潘励，王树根.摄影测量学[M].武汉:武汉大学出版社，2009.

　　[3]王竞雪，朱庆，王伟玺.多匹配基元集成的多视影像密集匹配方法[J].测绘学报，2013，42(5):691-697.

　　[4]王建强，钟春惺，江丽钧，等.基于多视航空影像的城市三维建模方法[J].测绘科学，2014，39(3):70-74.

　　[5]杨国东，王民水.倾斜摄影测量技术应用及展望[J].测绘与空间地理信息，2016，39(1):13-18.

　　[6]王丙涛，王继.基于倾斜摄影技术的三维建模生产与质量分析[J].城市勘测，2015(5):80-85.

　　[7]北京市测绘设计研究院.城市测量规范:CJJ/T8-2011[S].北京:中国建筑工业出版社，2012.

　　[8]吴国荣，李甫群，彭军文，等.无人机倾斜摄影测量在城市建筑物竣工测量中的应用[J].城市勘测，2019(4):112-116.

　　[9]王星，朱云，张旭，等.倾斜摄影技术在大面积城市三维建模中的应用[J].城市勘测，2018(6):59-62.

　　作者：林万荣