葉燕萍，詹 瑩

（1.浙江華東測(cè)繪地理信息有限公司，浙江杭州，310014；2.浙江華東建設(shè)工程有限公司，浙江杭州，310014）

1 概述

傾斜攝影技術(shù)是國(guó)際測(cè)繪遙感領(lǐng)域近些年發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)高新技術(shù)，顛覆了以往正射影像只能從垂直角度拍攝的局限，通過(guò)在同一飛行平臺(tái)上搭載多臺(tái)傳感器，同時(shí)從垂直、4個(gè)傾斜等5個(gè)不同的角度采集影像[1]，利用實(shí)景三維建模及修飾軟件，通過(guò)區(qū)域整體平差、多視角影像密集匹配、三維TIN格網(wǎng)構(gòu)建、白體三維模型創(chuàng)建、自動(dòng)紋理映射、幾何及紋理模型局部修飾等工序，快速建立高精度三維場(chǎng)景。

相對(duì)于傳統(tǒng)的正射影像及人工建模，傾斜攝影技術(shù)使用戶可以從多個(gè)角度觀察地物，三維場(chǎng)景更加真實(shí)地反映地物的實(shí)際情況[2]，且具有可量測(cè)性、真實(shí)性、高精度等一系列優(yōu)勢(shì)，將用戶引入符合人眼視覺(jué)的真實(shí)直觀世界。由于傾斜攝影實(shí)景三維場(chǎng)景為用戶提供了更豐富真實(shí)的地理信息，具有更加友好的用戶體驗(yàn)，可廣泛應(yīng)用于應(yīng)急指揮、城市管理、房地產(chǎn)、國(guó)土資源管理、人口統(tǒng)計(jì)、災(zāi)害評(píng)估、環(huán)保監(jiān)測(cè)、實(shí)景導(dǎo)航、旅游規(guī)劃等領(lǐng)域。

筆者利用Bentley ContextCapture軟件進(jìn)行傾斜數(shù)據(jù)三維建模，利用Dp-Modeler模型修飾軟件對(duì)模型進(jìn)行后處理，并在某水電站壩肩危巖體地質(zhì)條件評(píng)估、移民拆遷安置規(guī)劃等方面進(jìn)行了應(yīng)用。

2 傾斜數(shù)據(jù)三維建模

傾斜攝影數(shù)據(jù)三維建模軟件眾多，如Bentley公司的ContextCapture、Skyline公司的PhotoMesh、Astrium公司的街景工廠等。目前，市面上應(yīng)用最廣的是ContextCapture軟件，是一款品質(zhì)穩(wěn)健、高性能、可擴(kuò)展、兼容性、可移植性強(qiáng)的全自動(dòng)建模軟件。ContextCapture軟件支持多種數(shù)據(jù)源，兼容各種航攝相機(jī)系統(tǒng)（Pictometry、Midas、AMC、A3等），同時(shí)能夠輸出OBJ、OSGB、DAE、XML等通用兼容格式，且能方便自由地導(dǎo)入各種主流GIS平臺(tái)及三維編輯軟件[3]。ContextCapture軟件的技術(shù)流程如下所述。

2.1 數(shù)據(jù)加載

需要將數(shù)據(jù)放置在非中文路徑文件夾下，整理好POS文件并創(chuàng)建工程，目前有兩種方式來(lái)加載影像數(shù)據(jù)。

（1）手動(dòng)加載。創(chuàng)建新的Block，選擇照片數(shù)據(jù)所在的路徑并錄入相機(jī)參數(shù)（相機(jī)類型、傳感器大小、焦距等）。

（2）通過(guò)EXCEL文件加載。EXCEL表模板可參考安裝目錄下BlockImportSample文件，根據(jù)具體的內(nèi)容進(jìn)行填寫(xiě)，并將該文件導(dǎo)入到工程中。

2.2 空三加密

空三加密會(huì)對(duì)5個(gè)視角的影像進(jìn)行大量特征點(diǎn)計(jì)算提取，并將獲取的特征點(diǎn)采用多視角匹配同名點(diǎn)，反向解算出每張影像的空間位置及姿態(tài)角度，從而確定影像之間的關(guān)系[4]。空三加密完成后，可通過(guò)三維瀏覽器查看航帶的飛行情況、空三點(diǎn)的位置密度、每張影像的相對(duì)位置及影像覆蓋范圍方位角等相關(guān)信息，從而判斷空三加密點(diǎn)相對(duì)位置是否有漂移或者不正確?？杖c(diǎn)密度如圖1所示。

圖1 空三點(diǎn)密度圖Fig.1 Density of aerial triangulation

空三加密的質(zhì)量也可通過(guò)查看空三報(bào)告來(lái)判斷，各影像空三加密后的中誤差值需小于1個(gè)像素。若空三加密質(zhì)量差，必須重新進(jìn)行空三加密，多次空三加密未成功可刪除一些質(zhì)量較差、姿態(tài)較差的影像后再次嘗試。

2.3 加入控制點(diǎn)

空三加密后加入控制點(diǎn)，再次進(jìn)行空三加密?？刂泣c(diǎn)也可以在空三加密前加入Block，這樣就無(wú)需再次空三加密。選擇空三加密后加入控制點(diǎn)，是因?yàn)檫@種方式可以節(jié)省處理時(shí)間，并且通過(guò)空三加密得到的航帶信息可以更快地找到控制點(diǎn)在哪些影像上，從而減少了刺控制點(diǎn)的時(shí)間。

2.4 模型重建

利用空三加密點(diǎn)計(jì)算出不規(guī)則三角網(wǎng)TIN，生成三維模型的白模，再通過(guò)三維模型形狀位置從影像里面選擇最合適紋理進(jìn)行貼合，從而得到實(shí)景三維模型。為減少模型中的碎片，可將z值設(shè)置為貼近模型的最佳高程值。采用集群的方式可大幅度提高效率，為保證集群計(jì)算機(jī)都能利用起來(lái)，須對(duì)模型進(jìn)行分塊處理，分塊的大小以不超過(guò)每臺(tái)電腦內(nèi)存為限。模型輸出成果類型包括三維模型、點(diǎn)云、正射影像等，且其輸出格式豐富，包括通用的OSGB、OBJ、DAE、XML等，圖2為一傾斜三維模型。

圖2 某傾斜三維模型Fig.2 An oblique 3D model

3 三維模型修飾

傾斜攝影過(guò)程中可能存在遮擋、反光、運(yùn)動(dòng)物體等，造成在三角網(wǎng)構(gòu)建過(guò)程中存在模型上的空洞、扭曲、碎片等情況，影響模型的可視化效果，如水面空洞或變形、路面不平整、存在碎片等，因而需要對(duì)存在缺陷的模型塊借助修飾軟件進(jìn)行修飾。三維模型修飾主要包括幾何修飾跟紋理修飾，目前市面上傾斜模型修飾軟件很多，有Bentley公司的Descartes、天際航的Dp-Modeler、Geomatic、3DMAX等軟件，文章以Dp-Modeler軟件為例。

3.1 水面修飾

在對(duì)河流、湖泊等水面區(qū)域進(jìn)行影像匹配時(shí)，受倒影、反射等情況的干擾，導(dǎo)致生成的模型出現(xiàn)高程異常，造成水面空洞、凹陷等情況。水面修飾前需要對(duì)異常水面圈定并刪除，通過(guò)判斷Tile輪廓的完整性來(lái)確定是否需要繪制面來(lái)將Tile輪廓補(bǔ)充完整，隨后進(jìn)行橋接、補(bǔ)洞、紋理映射的一系列操作。不同的Tile之間，需要將水面擬合到同一平面。若存在紋理不符合的情況，可將當(dāng)前視角的紋理外接PhotoShop軟件進(jìn)行修飾。水面修飾的流程如圖3所示。

圖3 水面修飾流程Fig.3 Modification process for water surface

通過(guò)水面修飾的步驟，將水面破洞、凹陷、凸起的地方進(jìn)行修飾，還原真實(shí)的水面情況，修飾前后的對(duì)比如圖4所示。

圖4 水面修飾前后對(duì)比Fig.4 Contrast before and after water surface modification

3.2 路面修飾

由于路面車輛、行人較多，而且都是運(yùn)動(dòng)著的狀態(tài)，導(dǎo)致影像匹配時(shí)出現(xiàn)異常，造成車輛變形、路面凹凸不平，路面修飾通過(guò)選中異常范圍并擬合到同一平面，再將不符合的紋理部分外接PhotoShop軟件進(jìn)行修飾。路面修飾的流程如圖5所示。

圖5 路面修飾流程Fig.5 Modification process for road surface

通過(guò)路面修飾的步驟，將路面凹凸不平的地方進(jìn)行修飾，還原真實(shí)的路面情況，前后對(duì)比如圖6所示。

圖6 路面修飾前后對(duì)比Fig.6 Contrast before and after road surface modification

3.3 碎片刪除

由于影像質(zhì)量及各種原因會(huì)導(dǎo)致生成的模型在空中及地下存在碎片的情況，一般需要將這些多余的碎片進(jìn)行刪除。在保證GPU足夠大的情況下，最多可以加載99個(gè)Tile，通過(guò)前視圖的方式查看碎片，批量選中并刪除。對(duì)于一些細(xì)小的碎片，通過(guò)各視角觀察、選中并對(duì)其刪除。

4 三維模型應(yīng)用

實(shí)景三維產(chǎn)品以其三維模型還原度高、作業(yè)方式效率高而應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。目前，已將傾斜攝影測(cè)量技術(shù)應(yīng)用于多個(gè)項(xiàng)目，并且取得了良好的效果，文章以某水電站壩肩危巖體地質(zhì)條件評(píng)估及移民拆遷安置規(guī)劃兩個(gè)項(xiàng)目為例。

4.1 某水電站壩肩危巖體地質(zhì)條件評(píng)估

某水電站壩區(qū)兩岸地質(zhì)條件復(fù)雜，基巖裸露，邊坡高陡，危巖體分布量多面廣、穩(wěn)定性差，若地質(zhì)人員貿(mào)然進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)危巖體的勘探，容易發(fā)生危險(xiǎn)。為精確獲取危巖體所在的范圍和體積，引入傾斜攝影測(cè)量技術(shù)，建立危巖體的精確三維模型，幫助地質(zhì)人員更好地進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害評(píng)估，圖7為危巖體范圍及體積的獲取。

圖7 危巖體范圍及體積的獲取Fig.7 Acquisition of area and volume of dangerous rock mass

4.2 某水電站移民拆遷安置規(guī)劃

水庫(kù)移民工作是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及大范圍的人口搬遷，實(shí)現(xiàn)各種資源在特定的地理空間上的重新配置[5]。目前，移民拆遷安置規(guī)劃工作中，主要還是以文字、圖片、表格及二維圖的形式對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄。在某水電站移民拆遷安置規(guī)劃中，引入傾斜攝影測(cè)量技術(shù)，工作人員可通過(guò)實(shí)景三維的方式更加生動(dòng)直觀地了解現(xiàn)場(chǎng)情況，如拆遷房屋的信息查詢、拆遷安置狀態(tài)查看、拆遷效果模擬、拆遷安置數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)匯總等，圖8為拆遷效果模擬及房屋屬性信息查看，圖9為拆遷安置數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)匯總。

圖8 拆遷效果模擬及房屋屬性信息查看Fig.8 Remova effect simulation and house information viewing

圖9 拆遷安置數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)匯總Fig.9 Summary of removal and resettlement data

（1）拆遷房屋的信息查詢。在三維模型上通過(guò)拆遷房屋的信息查詢，工作人員可詳細(xì)了解該房屋的戶主、結(jié)構(gòu)、面積、地域位置、建造年限等詳細(xì)情況。

（2）拆遷安置狀態(tài)專題。采用專題圖的形式來(lái)表示目前已拆遷房屋、未拆遷房屋、已移民安置、未移民安置的具體情況，可更加生動(dòng)地展示拆遷安置狀態(tài)，工作人員無(wú)需面對(duì)枯燥的數(shù)據(jù)或文檔就能了解實(shí)際情況。

（3）拆遷效果模擬。在三維模型上繪制特定區(qū)域，將該區(qū)域內(nèi)的傾斜模型壓平，以模擬拆遷后的狀況，可提供多套方案的瀏覽、對(duì)比，輔助了解不同建設(shè)方案與當(dāng)前實(shí)景的匹配度。

（4）數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)匯總。通過(guò)柱狀圖來(lái)表示已拆遷房屋數(shù)目及拆遷房屋總數(shù)、已安置數(shù)目及安置總數(shù)，可更加直觀地了解拆遷安置的進(jìn)度。

5 結(jié)語(yǔ)

近年來(lái)，傾斜攝影測(cè)量技術(shù)因其具有高效性、高真實(shí)性以及快速獲得海量空間數(shù)據(jù)的特點(diǎn)而得到了飛速發(fā)展。但是傾斜需要高重疊的影像才能進(jìn)行數(shù)據(jù)匹配，海量數(shù)據(jù)的處理對(duì)硬件條件提出了很高的要求，高精度的影像數(shù)據(jù)匹配方法以及去除冗余信息提高運(yùn)行效率又不影響模型的效果等方面的研究，是一個(gè)很好的方向。目前，雖然傾斜攝影測(cè)量成果已應(yīng)用于很多領(lǐng)域，但是應(yīng)用的深度和廣度還有待進(jìn)一步拓展。