王娟娟

摘 ? 要：本文以北京某開發(fā)區(qū)三維建模為工程背景，探討了基于航空攝影技術(shù)的數(shù)字城市快速三維建模方法，本文首先分析了三維建模技術(shù)的原理和特點，進而分析了三維建模技術(shù)的生產(chǎn)流程，在此基礎(chǔ)上，本文結(jié)合具體工程實例，探討了DEM、DOM、TDOM制作方法和三維建模方法，結(jié)果證明本項目獲取成果完全滿足城市三維建模精度的要求，制作的城市實景三維模型紋理清晰自然、精確度高，符合人眼視覺感受，能客觀反映現(xiàn)實世界。

關(guān)鍵詞：航空攝影測量 ?數(shù)字城市 ?三維建模 ?DEM ?DOM ?TDOM

中圖分類號：P231 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2019）08（a）-0001-02

當(dāng)前，三維數(shù)字城市的研究與實踐已經(jīng)十分廣泛，國內(nèi)各大中小城市都基于自身應(yīng)用需求開展了城市級三維模型建設(shè)，并在相關(guān)領(lǐng)域開展了應(yīng)用，這些成果不同程度地促進了城市規(guī)劃、建設(shè)和管理水平的提高，并推動了國內(nèi)三維數(shù)字城市建設(shè)的熱潮。

在三維數(shù)字城市制作中，建模的主體包括三大部分：地面模型、建筑物模型、地物要素模型，其中三維重建建筑物模型是最主要的工作。根據(jù)建模采用的技術(shù)手段和表現(xiàn)方式的不同，建模方法又分為三大類：模擬建模、半模擬建模和測量建模。目前，大區(qū)域三維數(shù)字城市模型生產(chǎn)一般采用測量建模的方法，而航空影像是建筑物三維重建的主要數(shù)據(jù)源，它是三維城市數(shù)據(jù)獲取最經(jīng)濟快捷的方法之一，其生產(chǎn)技術(shù)方案主要是通過航空攝影測量來實現(xiàn)。

1 ?航空攝影測量三維建模技術(shù)簡述

1.1 航空攝影測量三維建模技術(shù)原理和特點

航空攝影測量是通過飛行器攜帶航攝相機對地面連續(xù)攝取具有一定重疊度的像片，結(jié)合像控測量、調(diào)繪以及立體測圖等步驟，為三維建模工作提供以下重要數(shù)據(jù)：建筑物三維重建模型（DLG）、數(shù)字高程模型（DEM）、數(shù)字正射影像（DOM）、數(shù)字真正射影像圖（TDOM）。這些數(shù)據(jù)經(jīng)過專業(yè)軟件處理加工，就能得到建筑物三維模型的位置、形狀和高度信息，并能快速重建三維場景中的地形數(shù)據(jù)，再加以正射影像屋頂信息提取和外業(yè)建筑物紋理采集即可構(gòu)建三維建筑模型。其相比其他的建模方法具有以下優(yōu)勢：

（1）航空攝影測量已有100多年的發(fā)展歷史，在三維建模方面的應(yīng)用也有10多年的時間，技術(shù)思路成熟，可使用的軟件和工具較多，可完全自動化操作。

（2）航空影像的數(shù)據(jù)源種類比較多，能快速獲取地形和建筑物的空間幾何和高程數(shù)據(jù)，精度可以達到厘米級別，能同時解決三維模型的紋理問題，且三維場景真實，工作人員容易轉(zhuǎn)變角色，從攝影測量過渡為三維建模。

（3）可以購買現(xiàn)成的航測資料，實現(xiàn)較為容易，成本相對較低，可應(yīng)用于大區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)采集，且影像數(shù)據(jù)較容易更新，可為數(shù)字城市甚至數(shù)字地球提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)框架。

1.2 航空攝影測量三維建模技術(shù)生產(chǎn)流程

航空攝影測量三維建模技術(shù)生產(chǎn)流程如圖1所示。

2 ?項目實例

2.1 項目簡介

北京某精細(xì)三維數(shù)字城市模型建設(shè)項目主要采用航空攝影測量得到航空影像，在適普VirtuoZo全數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)下生產(chǎn)數(shù)字高程模型DEM、數(shù)字正射影像圖DOM、真正射影像圖TDOM，采集城市建筑物的幾何高程矢量數(shù)據(jù)，利用計算機圖像自動識別技術(shù)創(chuàng)建三維基礎(chǔ)模型，結(jié)合外業(yè)采集照片進行人工貼圖的仿真建模方法制作建筑物三維數(shù)據(jù)產(chǎn)品，再疊加DEM、TDOM、建筑物三維模型創(chuàng)建數(shù)字城市三維場景。

2.2 航空攝影測量

本次航空攝影測量采用北京四維遠(yuǎn)見信息技術(shù)有限公司生產(chǎn)的SWDC全數(shù)字航攝儀，航攝得到地面分辨率為0.06m、航攝比例尺為1：5000的影像資料，在適普VirtuoZo全數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)下進行空三計算，求得加密控制點的坐標(biāo)，同時得到外方位元素，為制作數(shù)字線劃圖產(chǎn)品和正射影像產(chǎn)品提供所需的立體模型定向參數(shù)。

2.2.1 數(shù)字高程模型DEM制作

根據(jù)空三加密后的數(shù)據(jù)，在適普VirtuoZo全數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)下定向創(chuàng)建立體模型，制作時，使用VirtuoZo的IGS（Interactive Graphics System 交互式數(shù)字影像測圖系統(tǒng)） 測圖模塊采集特征線，檢查相對定向、絕對定向精度，自動生成5m格網(wǎng)的DEM文件。編輯DEM矩形格網(wǎng)點的要求所有的點必須嚴(yán)格按照精度要求進行，每一個點都要嚴(yán)格落到地面上，DEM接邊檢查與處理通過直接查看DEM立體格網(wǎng)點是否緊帖在影像立體模型上，再針對單個格網(wǎng)點高程進行精確調(diào)整，最后導(dǎo)出DEM文件并進行格式轉(zhuǎn)換。

2.2.2 數(shù)字正射影像圖DOM 制作

根據(jù)空中三角測量結(jié)果和接邊處理后的DEM，采用適普VirtuoZo全數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)，逐像元進行投影差改正，糾正后的航片再經(jīng)過勻色、勻光、調(diào)整編輯拼接線并鑲嵌影像，最后按一定圖幅范圍進行裁切生成DOM。

2.2.3 真正射影像圖TDOM制作

三維建模區(qū)背景圖是數(shù)字正射影像（DOM）產(chǎn)品的一種真正射影像（TDOM），TDOM是所有物體的傾斜均被糾正的一種鑲嵌影像，影像上每點都是完全垂直視角，保證所有建筑物無投影差。本項目利用適普VirtuoZo全數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)，在立體環(huán)境下采集建筑物屋頂矢量數(shù)據(jù)，利用此數(shù)據(jù)對正射影像數(shù)據(jù)進行再次精糾正，以消除建筑物的投影差。在正射糾正過程中通過選取地面點在影像上的最佳像素進行灰度重采樣，同時對陰影進行處理和影像勻光，以像素為單位組合生成真正射影像，并根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)分幅進行裁切。

2.3 三維建模

2.3.1 基礎(chǔ)模型制作

利用空三加密后的數(shù)據(jù)，在適普航測法建模技術(shù)（DiBud）的立體環(huán)境下采集建筑物幾何特征信息，結(jié)合DEM將建筑物矢量數(shù)據(jù)自動生成建筑物三維基礎(chǔ)模型。

2.3.2 模型屋頂貼圖

結(jié)合生成的基礎(chǔ)模型數(shù)據(jù)與調(diào)色后的原始影像數(shù)據(jù)，進行相對定向后，對建筑模型頂部紋理信息進行準(zhǔn)確裁切，并自動提取，可直接附著在建筑物三維模型數(shù)據(jù)上。

2.3.3 外業(yè)紋理采集

參照《數(shù)字城市3D模型物體外立面紋理采集規(guī)范》，利用高像素數(shù)碼相機采集建筑物外立面紋理信息。拍攝時，根據(jù)照片貼圖的要求對測區(qū)范圍內(nèi)所有建筑物立面特征進行分塊采集，并保證相鄰建筑物的紋理接邊，采取先整體后局部的拍攝順序，對特征建筑物以及建筑物的局部特征細(xì)節(jié)均要給出特寫，每一建筑物都要有對應(yīng)的拍照記錄，具體的記錄方式按照設(shè)計要求做出數(shù)據(jù)標(biāo)記，要求標(biāo)記清晰、分區(qū)清楚詳細(xì)。

2.3.4 三維場景整合

采用適普Stamp三維GIS平臺應(yīng)用軟件，對DOM、DEM、模型、精細(xì)場景等進行優(yōu)化、發(fā)布，最后整合生成數(shù)字城市三維場景。

2.4 成果應(yīng)用

該項目采用航空攝影測量三維建模技術(shù)，最終完成了開發(fā)區(qū)內(nèi)10km2的精細(xì)三維數(shù)字城市模型建設(shè)，順利通過該市國土資源局的驗收，并一致評定：本項目獲取成果完全滿足城市三維建模精度的要求，制作的城市實景三維模型紋理清晰自然、精確度高，符合人眼視覺感受，能客觀反映現(xiàn)實世界。該項目的建成將有效推動國土資源、智慧社區(qū)、公安消防等三維數(shù)字城市的示范應(yīng)用，成為政府科學(xué)決策、高效管理和宏觀調(diào)控城市建設(shè)發(fā)展的重要手段。

3 ?結(jié)語

航空攝影測量三維建模技術(shù)為數(shù)字城市建設(shè)快速獲取三維模型提供了可靠的方法和技術(shù)手段。隨著數(shù)字城市建設(shè)的不斷發(fā)展和智慧城市建設(shè)的不斷深入，以及我國城鎮(zhèn)化建設(shè)的不斷加快，三維城市模型數(shù)據(jù)的現(xiàn)勢性成為決定其可用性的關(guān)鍵因素，因此，航空攝影測量快速三維建模技術(shù)的作用將更加突出。

在航空攝影測量三維建模中，由于航空攝影測量本身的特點和局限性，使得地物特別是高層建筑物的遮擋現(xiàn)象比較嚴(yán)重，建筑物的側(cè)面紋理和三維坐標(biāo)信息提取受到影像制約，隨著地基立面三維測量技術(shù)（一種能快速獲取立面三維信息的技術(shù)）的發(fā)展成熟，結(jié)合當(dāng)前流行的無人機航空攝影測量，可以更加快速地獲取小區(qū)域和應(yīng)急三維立體模型，為數(shù)字城市的快速發(fā)展開辟了一條新的途徑。

參考文獻

[1] 侯生輝.航空攝影測量及其在數(shù)字礦山建設(shè)中的應(yīng)用[J].華北國土資源，2018（8）：33-36.

[2] 李集亮.無人機航空攝影測量技術(shù)在地形測量中的應(yīng)用與實踐[J].西部資源，2018（6）：21-23.

[3] 李楓.低空無人機航空攝影高度自動測量方法研究[J].計算機測量與控制，2017（12）：44-47.

[4] 葉威.CMOS傳感器在航空攝影測量中的應(yīng)用[J].測繪通報，2017（8）：66-67.

[5] 滕惠忠.海島礁航空攝影測量技術(shù)應(yīng)用研究[J].海洋測繪，2016（11）：55-58.