吳宗俊，邱延林，萬(wàn)程輝，朱 彬

(1.四川大學(xué) 水利水電學(xué)院，四川 成都 610065；2.南昌工程學(xué)院 水利與生態(tài)工程學(xué)院，江西 南昌330099)

隨著“互聯(lián)網(wǎng)+智慧城市”概念的快速推廣，人們劃設(shè)管理由粗到精進(jìn)行細(xì)化、可視化、動(dòng)態(tài)化管理轉(zhuǎn)變?！盎ヂ?lián)網(wǎng)+智慧城市”以云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、城市移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)為基礎(chǔ)，進(jìn)行“智慧城市”建設(shè)。建設(shè)的關(guān)鍵是精確獲得城市實(shí)景三維數(shù)據(jù)，DSM，DEM，DOM等地形數(shù)據(jù)。沒(méi)有高精度的技術(shù)支撐，“互聯(lián)網(wǎng)+智慧城市”將很難完成[1]。因此，如何利用快速、高效航空攝影技術(shù)完成高精度的地理信息數(shù)據(jù)的采集及制作，構(gòu)建“互聯(lián)網(wǎng)+智慧城市”的仿真三維模型，已經(jīng)成為“互聯(lián)網(wǎng)+智慧城市”建設(shè)中需要重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題[2-3]。

基于多視角傾斜攝影技術(shù)的引進(jìn)與應(yīng)用，開(kāi)辟了傾斜攝影技術(shù)應(yīng)用的新領(lǐng)域。由于多視角傾斜攝影技術(shù)是一種新技術(shù)，因此需要對(duì)傾斜攝影三維建模方案進(jìn)行研究，并針對(duì)傾斜攝影中不同角度采集的圖像進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)平差。通過(guò)空三區(qū)域網(wǎng)平差后的傾斜攝影數(shù)據(jù)可以被用于構(gòu)建正射影像，形成直觀的“互聯(lián)網(wǎng)+智慧城市”地面三維景觀模型圖[4-5]。在實(shí)際生產(chǎn)中結(jié)合多視角傾斜攝影數(shù)據(jù)具有很多特性，可以對(duì)城市建筑物進(jìn)行快速的仿真三維建模，并由相對(duì)應(yīng)建模軟件自動(dòng)對(duì)三維仿真模型上的各個(gè)面進(jìn)行紋理搜索分析，并將最優(yōu)化紋理自動(dòng)映射到三維仿真模型上，形成智慧城市建設(shè)中最終需要的三維仿真模型基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[6-7]。趙宏等在傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的智慧城市5D產(chǎn)品制作工藝實(shí)現(xiàn)文章中，闡述了基于傾斜攝影測(cè)量技術(shù)構(gòu)建“互聯(lián)網(wǎng)+智慧城市”實(shí)景仿真三維模型、DSM、DEM、DOM，對(duì)智慧城市5D測(cè)繪產(chǎn)品制作工藝研究，并將此工藝實(shí)際應(yīng)用于昆明市507km2的主城區(qū)仿真三維模型產(chǎn)品制作的實(shí)施情況分析，結(jié)果表明基于多視角傾斜攝影技術(shù)滿(mǎn)足5D產(chǎn)品的工藝，但對(duì)于紋理沒(méi)有在文中做相關(guān)分析[8]。王琳、吳正鵬等利用無(wú)人機(jī)5鏡頭傾斜攝影技術(shù)獲取某區(qū)域數(shù)據(jù)，并采用高分辨率遙感影像一體化數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)——Pixel Grid進(jìn)行影像數(shù)據(jù)處理，基于3D Max建模軟件的二次開(kāi)發(fā)應(yīng)用，將傾斜攝影技術(shù)和3D Max建模優(yōu)勢(shì)有機(jī)結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)城市仿真三維模型構(gòu)建和紋理自動(dòng)映射的同時(shí)完成，同時(shí)提高城市仿真三維模型建立的效率[9]。李德仁院士針對(duì)多視角傾斜攝影光束平差法中未知參數(shù)過(guò)多的問(wèn)題(例如可能導(dǎo)致平差解算不穩(wěn)定)，提出了帶有相對(duì)姿態(tài)參數(shù)的傾斜攝影光束平差模型，結(jié)果表明：當(dāng)相機(jī)之間曝光時(shí)長(zhǎng)小，且相對(duì)姿態(tài)參數(shù)穩(wěn)定時(shí)，該方法的自動(dòng)空中三角測(cè)量(簡(jiǎn)稱(chēng)空三)處理精度較高，單位權(quán)中誤差精度為0.46像素，像素點(diǎn)平均殘差精度為0.27像素，需要改善密集匹配算法的精度和效率，提高三維仿真建模的精度，結(jié)合地面獲取的高分辨率影像，對(duì)城市三維模型中建筑物立面紋理進(jìn)行增強(qiáng)[10]。本文基于無(wú)人機(jī)多鏡頭傾斜航攝測(cè)量技術(shù)方案，構(gòu)建成都市仿真三維建模，分析多視角傾斜航攝測(cè)量技術(shù)在智慧城市建設(shè)中的應(yīng)用價(jià)值。

1 真三維模型的構(gòu)建流程及關(guān)鍵技術(shù)

1.1 模型構(gòu)建流程

基于無(wú)人機(jī)多視角傾斜攝影技術(shù)構(gòu)建“互聯(lián)網(wǎng)+智慧城市”仿真三維模型技術(shù)流程如圖1所示。

圖1 城市仿真三維模型構(gòu)建流程圖

數(shù)據(jù)的處理過(guò)程：①通過(guò)對(duì)原始數(shù)據(jù)的預(yù)處理，消除無(wú)人機(jī)本身所固有的誤差；②傾斜影像數(shù)據(jù)導(dǎo)入建模軟件進(jìn)行內(nèi)定向和畸變校正，其中內(nèi)定向的目的是確定航拍空中坐標(biāo)系與像片坐標(biāo)系之間的關(guān)系以及數(shù)字影像可能存在的變形，而影像畸變校正是為了消除無(wú)人機(jī)在拍攝過(guò)程中因外界環(huán)境所引起的重復(fù)變形；③將傾斜影像進(jìn)行空中三角測(cè)量，其中包含光速法、區(qū)域網(wǎng)平差和區(qū)域網(wǎng)格聯(lián)合平差，目的是獲取相片的6個(gè)未知量，分別是：維度、經(jīng)度、高程、主垂面方位角、像片傾斜角和像片旋轉(zhuǎn)角。通過(guò)多角度圖像密度匹配，得到加密的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，構(gòu)建城市三維仿真模型，其中包括DSM和DEM數(shù)據(jù)模型；④根據(jù)城市三維仿真模型中各小三角形的法向方程和二維圖像中的夾角，自動(dòng)選擇最優(yōu)紋理映射信息，實(shí)現(xiàn)紋理與模擬三維模型的拼接；⑤輸出城市的仿真三維模型。

1.2 多視角傾斜攝影光束法平差

空中三角測(cè)量有三種解析方法：跑道解析空間三角測(cè)量、獨(dú)立模型解析空間三角測(cè)量和波束解析空中三角測(cè)量。跑道方法的分析對(duì)象是一個(gè)跑道模型。將由多個(gè)立體圖像對(duì)組成的單一模型連接成跑道模型，然后將跑道模型作為單元模型處理[11]。但是，由于該方法在構(gòu)建自由航帶時(shí)將上一步的結(jié)果作為下一步的基礎(chǔ)，誤差會(huì)迅速累積，并且偶然誤差也會(huì)累積，從而影響最終結(jié)果模型的精度。獨(dú)立模型解析法是將單個(gè)模型相互連接，既可以構(gòu)成一個(gè)導(dǎo)航帶，也可以構(gòu)成一個(gè)區(qū)域網(wǎng)格。區(qū)域網(wǎng)格建設(shè)過(guò)程中的誤差被限制在單一模型的范圍內(nèi)，不會(huì)發(fā)生傳輸積累，這樣可以克服航帶法空中三角測(cè)量的不足。但這種算法費(fèi)時(shí)，對(duì)計(jì)算機(jī)的要求較高，而且只適用于對(duì)偶然誤差的平差。波束解析空中三角測(cè)量是一束光的圖像調(diào)整到基本單元，共線方程的中心投影方程為基礎(chǔ)的調(diào)整，尤其是在檢測(cè)和自我校準(zhǔn)中來(lái)消除系統(tǒng)誤差，使其精度較高，可以得到厘米級(jí)加密點(diǎn)的精度，在本文中使用波束法解析法對(duì)空三進(jìn)行計(jì)算[12]。

由于攝影技術(shù)對(duì)同一地物要求，同名點(diǎn)重疊度在60%以上?？杖鄬?duì)應(yīng)的匹配點(diǎn)以及后續(xù)所產(chǎn)生的誤差需要調(diào)整，在實(shí)際運(yùn)用過(guò)程中分為以下幾個(gè)步驟：①通過(guò)各光束在空間中的旋轉(zhuǎn)和平移，可以使公共點(diǎn)的光區(qū)相交于最佳位置，并將整個(gè)區(qū)域帶入已知控制點(diǎn)的坐標(biāo)系中。②將整個(gè)研究區(qū)域網(wǎng)格化，形成區(qū)域網(wǎng)格，并進(jìn)行整體區(qū)域平差，在連接點(diǎn)上構(gòu)建多圖像覆蓋、多角度、精度好的區(qū)域網(wǎng)格。③加入控制點(diǎn)進(jìn)行整體研究區(qū)域網(wǎng)格聯(lián)合平差解算，將整個(gè)區(qū)域網(wǎng)格放在控制點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的投影坐標(biāo)系。④輸出空三解算優(yōu)化后的高精度圖像外方位元素成果，用于紋理的提取和創(chuàng)建仿真三維模型。

平差原理：首先根據(jù)下視影像的外方位元素以及相機(jī)相對(duì)應(yīng)的姿態(tài)角解算出側(cè)視影像的粗略外方位元素，圖像匹配后，將所有影像的參數(shù)作為平差參數(shù)整體進(jìn)行光束法平差。計(jì)算平差方程為

其中(X，Y，Z)表示地物坐標(biāo)；(x，y)表示像點(diǎn)坐標(biāo)；f為相機(jī)焦距；Rimu表示慣性測(cè)量單元坐標(biāo)到物方空間坐標(biāo)系之間的旋轉(zhuǎn)矩陣；Rmis表示像空坐標(biāo)系到LMU坐標(biāo)之間的旋轉(zhuǎn)矩陣；(Xs，Ys，Zs)表示GPS攝站坐標(biāo)；(X0，Y0，Z0)、(X1，Y1，Z1)表示GPS獲取攝站坐標(biāo)系統(tǒng)誤差改正參數(shù)；t表示GPS獲取時(shí)坐標(biāo)的時(shí)間；λ表示比例系數(shù)。

運(yùn)用該平差模型的法方程求解出加密點(diǎn)物方坐標(biāo)的改正數(shù)以及其他參數(shù)的改正數(shù)數(shù)值，用于計(jì)算影像的外方位元素。

1.3 無(wú)人機(jī)多視角圖像構(gòu)建仿真三維模型

基于航空三維一體優(yōu)化后的高精度外法向元素，構(gòu)造立體圖像，采用多角度圖像密集匹配技術(shù)，采用不規(guī)則的網(wǎng)格對(duì)研究區(qū)域進(jìn)行劃分的空間平面作為基礎(chǔ)。充分利用多視點(diǎn)圖像的特征紋理信息和圖像信息進(jìn)行密集點(diǎn)匹配，合理利用多視點(diǎn)匹配的冗余信息避免對(duì)匹配的影響，提高圖像的計(jì)算效率，精確獲取地物高密度三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)[13]。利用點(diǎn)云構(gòu)建不同層度的細(xì)節(jié)下的TIN模型，通過(guò)對(duì)模型內(nèi)部三角形的角度和邊長(zhǎng)進(jìn)行優(yōu)化，使三角形的大小與實(shí)際地物尺寸成相應(yīng)的比例，通過(guò)連續(xù)分析曲面的變化特征，簡(jiǎn)化了相對(duì)平坦的區(qū)域，減小數(shù)據(jù)的大小，進(jìn)而得到城市仿真三維模型的矢量柵格數(shù)據(jù)。

1.4 紋理自動(dòng)映射

基于傾斜圖像的紋理映射是一種自動(dòng)紋理構(gòu)造技術(shù)。特別是無(wú)人機(jī)傾斜圖像一般分辨率較高，部分圖像可以達(dá)到厘米分辨率，足以反映地面模型的微小信息。因此，在圖像正方形區(qū)域內(nèi)的圖像可以作為構(gòu)建紋理，滿(mǎn)足一般建模精度的要求[14]，對(duì)于建筑，模型紋理主要是側(cè)面紋理和頂部紋理。因此，所需的紋理很容易獲得，但由于傾斜圖像變形較大，手動(dòng)圖像校正方法需要大量的工作。因此，需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的算法，將航拍圖像上的像素點(diǎn)重寫(xiě)到仿真三維模型表面上。紋理重建的思想是：在仿真三維建模平臺(tái)上，將傾斜圖像加載程序，使用后空三優(yōu)化精度的內(nèi)外方位元素，恢復(fù)傾斜攝影的姿勢(shì)，并建立索引圖像和三維仿真模型之間的關(guān)系，對(duì)圖像中的像素重采樣，放回模型，自動(dòng)完成紋理映射[15]。

2 實(shí)例應(yīng)用及精度分析

2.1 研究區(qū)概況

為了驗(yàn)證基于無(wú)人機(jī)多視角攝影技術(shù)構(gòu)建城市仿真三維模型應(yīng)用方法、成果精度和影響因子，以成都市為研究區(qū)域。試驗(yàn)區(qū)地處四川盆地西部，青藏高原東緣，東北與德陽(yáng)市、東南與資陽(yáng)市毗鄰，南面與眉山市相連，西南與雅安市、西北與阿壩藏族自治區(qū)接壤，地理坐標(biāo)為東經(jīng)102°54′～104°53′，北緯 30°05′～31°26′。實(shí)驗(yàn)區(qū)實(shí)景三維建模航拍影像地面分辨率優(yōu)于0.05m，試驗(yàn)區(qū)最高建筑物高度為248m，高程在435～520m之間。

對(duì)研究區(qū)進(jìn)行航拍，采用X-8固定翼無(wú)人機(jī)搭載睿鉑DG-3型5鏡頭相機(jī)進(jìn)行影像采集，相機(jī)鏡頭對(duì)地物實(shí)景的拍攝角度為115°，相機(jī)長(zhǎng)度為170mm，寬度為160mm，高度為240mm。其中，相機(jī)的物理參數(shù)如表1，本次對(duì)實(shí)驗(yàn)區(qū)傾斜攝影共飛行10個(gè)架次，其中在高層建筑集中區(qū)域外加一條構(gòu)架航線，獲得5鏡頭影像數(shù)據(jù)57 845張，數(shù)據(jù)量約為563Gbit。在試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行設(shè)置40個(gè)現(xiàn)場(chǎng)圖像控制點(diǎn)和16個(gè)現(xiàn)場(chǎng)檢查點(diǎn)，對(duì)區(qū)域模型進(jìn)行控制，并對(duì)結(jié)果的準(zhǔn)確性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

表1 相機(jī)物理參數(shù)

根據(jù)研究區(qū)域地形特點(diǎn)，采用南北飛行，航向重疊度和旁向重疊度為80%，70%，其中研究區(qū)域航線分布情況如圖2，使用本文上述的實(shí)驗(yàn)技術(shù)和方法，構(gòu)建城市仿真三維模型和紋理映射后的不規(guī)則三角網(wǎng)、DSM模型和真三維模型如圖3～4所示。多視點(diǎn)，高重疊圖像密集匹配產(chǎn)生的不規(guī)則三角網(wǎng)有效地表達(dá)幾何特征的特點(diǎn)，以及不同密度三角網(wǎng)表達(dá)特性的地面物體的幾何特征的幾何特征提取紋理信息的特點(diǎn)；同時(shí)，紋理信息均衡處理后的自動(dòng)映射，得到真正的仿真三維模型，如圖5所示。

圖2 研究區(qū)航線示意圖 圖3 不規(guī)則三角網(wǎng)

圖4 實(shí)景DSM模型 圖5 地物實(shí)景仿真三維模型

2.2 模型精度分析

2.2.1 空三加密精度

在計(jì)算空三加密區(qū)域網(wǎng)時(shí)，全部40個(gè)圖像控制點(diǎn)和16個(gè)外場(chǎng)點(diǎn)作為檢查點(diǎn)。通過(guò)計(jì)算野外測(cè)量的三維坐標(biāo)與區(qū)域網(wǎng)平差計(jì)算，研究了區(qū)域網(wǎng)的實(shí)際精度如表2所示，其中空三計(jì)算結(jié)果精度如圖6。

由表2可以看出，計(jì)算的空三加密定向點(diǎn)的平面最大誤差為0.144m，高程垂直方向的最大誤差為0.058m，滿(mǎn)足《地形圖航空攝影測(cè)量?jī)?nèi)業(yè)規(guī)范》中1∶2 000比例尺平地地形中基本定向點(diǎn)平面誤差不超過(guò)0.30m、高程不超過(guò)0.30m的要求。檢查點(diǎn)的平面最大誤差0.302m，最大高度誤差為0.056m，滿(mǎn)足《地形圖航空攝影測(cè)量?jī)?nèi)業(yè)規(guī)范》中1∶2 000比例尺平地地形檢查點(diǎn)的平面誤差不超過(guò)0.4m，標(biāo)高不超過(guò)0.5m的要求。

表2 空三加密精度

圖6 空三計(jì)算結(jié)果精度偏差

圖6表示空三計(jì)算結(jié)果精度，其精度在5cm以?xún)?nèi)用藍(lán)色顯示，5～7.5cm之間用淡藍(lán)色顯示，7.5～10.0cm之間用淺綠色顯示?？梢员容^直觀得出空三計(jì)算結(jié)果整體精度在5cm以?xún)?nèi)，建筑物較高且比較集中的區(qū)域精度在7.5cm左右，用淺綠色顯示。

2.2.2 三維模型精度

在實(shí)驗(yàn)區(qū)的真實(shí)三維模型區(qū)均勻布置16個(gè)現(xiàn)場(chǎng)檢查點(diǎn)，以評(píng)估仿真三維模型結(jié)果的準(zhǔn)確性。將現(xiàn)場(chǎng)測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)與三維模型中相應(yīng)點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)行比較，具體情況如表3所示。由表3可以看出，研究區(qū)實(shí)景仿真三維模型平面最大誤差為0.264m，中誤差為0.171m；最大高程誤差為0.264m，中誤差為0.122m。

運(yùn)用Pix4D-mapper軟件對(duì)模型進(jìn)行縮放與比對(duì)，可以直接提取真三維模型中的信息，其中包括地物紋理、顏色、外形、相對(duì)位置等。實(shí)景模型比較完整且與實(shí)際景物相符合，各地理要素之間聯(lián)系緊密，紋理清晰，如建筑輪廓、窗戶(hù)、等細(xì)節(jié)情況較好。按照《三維地理信息模型數(shù)據(jù)產(chǎn)品規(guī)范》(CH/T 9015—2012)滿(mǎn)足Ⅰ級(jí)成果精度的要求。

表3 真三維模型精度評(píng)定

3 結(jié)束語(yǔ)

本文利用無(wú)人機(jī)多視角傾斜攝影技術(shù)、全球定位系統(tǒng)(GPS)、以及ContextCapture Center和MasterPix4Dmapper軟件處理，闡述了仿真三維模型的構(gòu)建流程和方法，通過(guò)傾斜攝影聯(lián)合區(qū)域網(wǎng)平差、圖像匹配和紋理映射等環(huán)節(jié)。在人工少量干預(yù)的情況下快速構(gòu)建城市仿真三維模型，并分析計(jì)算結(jié)果，對(duì)仿真三維模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行精度驗(yàn)證，符合相關(guān)規(guī)范要求。該方法適合城市、鄉(xiāng)鎮(zhèn)，地形比較平緩的區(qū)域構(gòu)建三維模型，基于無(wú)人機(jī)攝影技術(shù)構(gòu)建模型的成本較低，周期較短制作結(jié)果精度高，在智慧城市建設(shè)中具有深遠(yuǎn)而重大的意義。