馬星宇

誤等問(wèn)題，筆者在分析傾斜攝影測(cè)量技術(shù)后，提出采用傾斜攝影進(jìn)行自動(dòng)化模型生產(chǎn)。然后利用DP-Modeler軟件，對(duì)模型存在的各種問(wèn)題進(jìn)行處理，從而得到結(jié)構(gòu)完整、質(zhì)量更高、紋理映射合理的模型成果。解決了自動(dòng)化模型存在的問(wèn)題，為模型數(shù)據(jù)后續(xù)的應(yīng)用提供了保障。

關(guān)鍵詞：傾斜攝影；自動(dòng)化建模；模型優(yōu)化；實(shí)景三維

中圖分類號(hào)：P231? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2024）08-0107-03

開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）

0 引言

近年來(lái)，隨著傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的迅速發(fā)展，基于該技術(shù)生產(chǎn)的測(cè)繪產(chǎn)品備受重視，越來(lái)越多的學(xué)者對(duì)傾斜攝影建模進(jìn)行了研究。傾斜攝影是基于航攝多視角影像，然后利用攝影測(cè)量軟件對(duì)影像數(shù)據(jù)進(jìn)行解算，得到影像上每個(gè)地物點(diǎn)的三維坐標(biāo)，然后進(jìn)行測(cè)繪產(chǎn)品生產(chǎn)[1-2]。盡管傾斜攝影測(cè)量技術(shù)能夠生產(chǎn)豐富的測(cè)繪產(chǎn)品，但由于航攝和軟件算法的局限性，自動(dòng)數(shù)據(jù)解算得到的實(shí)景三維模型局部區(qū)域可能存在結(jié)構(gòu)變形、紋理映射錯(cuò)誤等問(wèn)題，給模型的后續(xù)應(yīng)用帶來(lái)了影響[3-4]。為解決這一問(wèn)題，筆者對(duì)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)展開(kāi)了深入分析，并結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目，采用DP-Modeler軟件對(duì)自動(dòng)化生產(chǎn)的模型進(jìn)行了處理，實(shí)現(xiàn)了三維模型產(chǎn)品的優(yōu)化，得到了結(jié)構(gòu)更加完整、紋理更加清晰準(zhǔn)確的實(shí)景模型，解決了自動(dòng)化模型存在的問(wèn)題，為數(shù)據(jù)的后續(xù)應(yīng)用提供了保障。

1 傾斜攝影測(cè)量技術(shù)

1.1 基本原理

1.1.1 技術(shù)原理

傾斜攝影測(cè)量是以攝影測(cè)量為基礎(chǔ)，利用無(wú)人機(jī)上多臺(tái)傳感器獲取多視角影像數(shù)據(jù)，進(jìn)而獲取準(zhǔn)確的地物信息（幾何形態(tài)、屬性、紋理）[5-6]。同時(shí)，利用專業(yè)的傾斜攝影軟件處理數(shù)據(jù)，構(gòu)建城鎮(zhèn)三維模型。

傾斜攝影測(cè)量技術(shù)是一種新型的攝影觀測(cè)方式，其區(qū)別于傳統(tǒng)攝影技術(shù)的單一觀測(cè)，傾斜攝影測(cè)量技術(shù)采用多機(jī)位觀測(cè)，通過(guò)不同維度的攝影數(shù)據(jù)獲取豐富的地物信息，進(jìn)而更精確地還原地物實(shí)景，獲取精細(xì)化的三維模型。

1.1.2 幾何原理

傾斜攝影技術(shù)的幾何原理如圖1所示。圖中[αy]為傾斜攝影相機(jī)的傾角、[βy]為傾斜攝影相機(jī)的投影角、[hg]為無(wú)人機(jī)飛行的高度、[Dmax]、[Dmin]分別為無(wú)人機(jī)與地物間距的最大值以及最小值。

通過(guò)上述基本原理，可以得出下式（1） ：

[Dmax=hg×tanαy+βyDmin=hg×tanαy-βy] （1）

假設(shè)相機(jī)獲取多視角最大攝影比例尺為[Smax]，獲取的多視角最小攝影比例尺為[Smin]，可得下式（2） ：

[Smax=hg×cosβyf×cosαy+βySmin=hg×cosβyf×cosαy-βy] （2）

通過(guò)角平分線原理可推算出多視角影像中心與相機(jī)之間的水平間距[Savg]，如下式（3） 所示：

[Savg=hgf×cosαy] （3）

則多視角影像平均比例尺如下式（4） 所示：

[Distanceavg =hg×tanαy+βy-hg×tanαy-βy] （4）

1.2 測(cè)量系統(tǒng)組成

傾斜攝影測(cè)量系統(tǒng)由攝影系統(tǒng)、飛行系統(tǒng)和POS系統(tǒng)組成。攝影系統(tǒng)是指傾斜攝影系統(tǒng)，飛行系統(tǒng)由無(wú)人機(jī)及各類傳感器與儀器構(gòu)成，而POS系統(tǒng)則由GNSS與INS系統(tǒng)組成，圖2為GNSS系統(tǒng)的定位原理。

1.3 傾斜攝影測(cè)量技術(shù)基本特點(diǎn)

傾斜攝影測(cè)量技術(shù)不僅可以獲取地物的紋理信息和高精度的位置信息，還具有以下特點(diǎn)：

1） 多視角拍攝。低空傾斜攝影測(cè)量不僅能夠獲取頂部紋理，還能獲取大量的側(cè)面紋理數(shù)據(jù)，由于傾斜測(cè)量時(shí)，無(wú)人機(jī)處于低空飛行，因此獲取的測(cè)量影像分辨率高，建立的三維模型更精準(zhǔn)。

2） 數(shù)據(jù)量大、成本低、效率高、精度好、真實(shí)性強(qiáng)。傾斜攝影測(cè)量技術(shù)采用多鏡頭相機(jī)，相較于傳統(tǒng)攝影測(cè)量數(shù)據(jù)，其具有數(shù)據(jù)量大的特點(diǎn)。在不同的影像圖上可能涵蓋相同地物，信息全面、覆蓋范圍更廣；同時(shí)通過(guò)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)所獲取的數(shù)據(jù)在后期處理過(guò)程中，人工干預(yù)較少，自動(dòng)化程度相對(duì)較高，數(shù)據(jù)更新及時(shí)，具有時(shí)效性。

3） 數(shù)據(jù)成果多樣。通過(guò)該方法可獲取多樣化的成果，傾斜攝影測(cè)量技術(shù)可以根據(jù)需要生成不同數(shù)據(jù)，例如數(shù)字地表模型DSM、數(shù)字劃線地圖DLG、數(shù)字高程模型DEM、數(shù)字正射影像DOM等，該類成果可以滿足測(cè)繪行業(yè)的需求。

2 三維模型生產(chǎn)

自動(dòng)化三維模型生產(chǎn)是指基于航攝影像數(shù)據(jù)、相機(jī)曝光時(shí)的位置姿態(tài)數(shù)據(jù)、相機(jī)參數(shù)和像控點(diǎn)數(shù)據(jù)，通過(guò)攝影測(cè)量軟件解算影像數(shù)據(jù)，得到空三加密成果，并將像控點(diǎn)轉(zhuǎn)刺，從而將相對(duì)坐標(biāo)系下的加密成果轉(zhuǎn)換到大地測(cè)量坐標(biāo)系統(tǒng)下來(lái)?？杖用艹晒?，得到的是少量的定位點(diǎn)，并不能準(zhǔn)確地對(duì)三維地形進(jìn)行表達(dá)?；诳杖用艹晒投嘁曈跋衩芗ヅ浼夹g(shù)，可以解算得到密集的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并按照不規(guī)則三角網(wǎng)的構(gòu)建要求，對(duì)離散的三維點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行構(gòu)網(wǎng)，得到三角網(wǎng)模型。通過(guò)影像和三角網(wǎng)頂點(diǎn)之間的關(guān)系，并將影像紋理信息映射到三角網(wǎng)上，得到逼真的實(shí)景三維模型成果，三維模型生產(chǎn)流程如圖3所示。

3 三維模型優(yōu)化研究

傾斜攝影測(cè)量，是從空中對(duì)地面進(jìn)行航攝，因此獲取的影像是存在航攝盲區(qū)的，加上目前的軟件算法，無(wú)法準(zhǔn)確對(duì)航攝盲區(qū)進(jìn)行解算修補(bǔ)，因此自動(dòng)化生產(chǎn)的實(shí)景三維模型，其在結(jié)構(gòu)上會(huì)存在結(jié)構(gòu)變形，這種影響視覺(jué)效果，因此是需要進(jìn)行處理的。在數(shù)據(jù)解算時(shí)，由于航攝影像分辨率差異較大，因此在進(jìn)行紋理映射時(shí)，會(huì)存在部分區(qū)域紋理因遮擋等原因而映射錯(cuò)誤，也是需要進(jìn)行處理的，因此三維模型優(yōu)化主要從兩方面入手，即結(jié)構(gòu)優(yōu)化和紋理優(yōu)化。模型優(yōu)化內(nèi)容如圖4所示。

4 案例分析

本次研究數(shù)據(jù)來(lái)源于實(shí)景三維中國(guó)建設(shè)項(xiàng)目。某城區(qū)需生產(chǎn)實(shí)景三維模型成果，并要求最終提交成果不能存在懸浮物，水面不能出現(xiàn)空洞，建筑物底部結(jié)構(gòu)需完整，紋理映射合理。針對(duì)這些要求，在作業(yè)時(shí)，采用DP-Modeler軟件對(duì)自動(dòng)化模型成果進(jìn)行處理，取得了較好的效果。

4.1 紋理優(yōu)化

1） 自動(dòng)提取優(yōu)化。自動(dòng)提取優(yōu)化，紋理來(lái)源于航飛影像數(shù)據(jù)。航攝影像在完成空中三角測(cè)量解算后，其影像上的每一點(diǎn)都有對(duì)應(yīng)的實(shí)際坐標(biāo)。在進(jìn)行紋理自動(dòng)提取時(shí)，可以將指定區(qū)域所有的影像都自動(dòng)挑選出來(lái)，并且可以按一定規(guī)則對(duì)匹配的影像進(jìn)行排序，從而快速實(shí)現(xiàn)選定區(qū)域紋理的最優(yōu)映射。

2） 補(bǔ)拍照片優(yōu)化。補(bǔ)拍的照片一般是使用高清數(shù)碼相機(jī)，近距離獲取的地物影像，這種方法主要用于建構(gòu)筑物底部紋理數(shù)據(jù)獲取。拍攝的照片，其坐標(biāo)是任意的，因此在進(jìn)行紋理優(yōu)化時(shí)，需要人工去挑選合適的照片，然后將其貼到模型上。二維照片貼到三維的模型上，是不能直接實(shí)現(xiàn)的。因此需要將待貼圖區(qū)域選中，呈現(xiàn)二維數(shù)據(jù)，然后將照片貼到其上面，這樣可以實(shí)現(xiàn)建筑物底部的高質(zhì)量影像紋理貼圖。

3） 軟件修飾優(yōu)化。自動(dòng)提取的紋理和補(bǔ)拍的照片，在貼圖時(shí)，不可能準(zhǔn)確無(wú)誤地貼上，肯定會(huì)存在紋理和結(jié)構(gòu)不合理的區(qū)域，因此需要聯(lián)動(dòng)Photoshop軟件，對(duì)貼圖進(jìn)行修正處理，從而使得貼圖和結(jié)構(gòu)更加合理，貼圖質(zhì)量更高，成果圖面更加干凈美觀。比如，采用這種方法，可以處理道路上的錯(cuò)位斑馬線、樹(shù)影等問(wèn)題。

4.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

1） 刪除懸浮物。在進(jìn)行三維模型自動(dòng)化重建時(shí)，由于樹(shù)木的樹(shù)桿較細(xì)，其在密集點(diǎn)云匹配時(shí)，匹配的到的點(diǎn)較少，無(wú)法準(zhǔn)確構(gòu)建三角網(wǎng)，導(dǎo)致樹(shù)桿無(wú)法建模，而樹(shù)的頂部由于匹配的點(diǎn)密集，在后續(xù)建模時(shí)，模型能夠正常生產(chǎn)出來(lái)，這就出現(xiàn)了空中漂浮的物體，也就是通常說(shuō)的懸浮物。懸浮物在整個(gè)大場(chǎng)景中，影響著視覺(jué)的美觀，因此需要將其刪除。利用DP-Modeler軟件，對(duì)漂浮于空中的懸浮物進(jìn)行選擇，然后將其刪除，如圖5所示，是懸浮物刪除前后的對(duì)比圖。

2） 補(bǔ)充空洞?？斩匆话愠霈F(xiàn)在弱紋理的水面和特別薄的墻壁上。水面由于其紋理相似，因此匹配的加密點(diǎn)不但數(shù)量少而且精度較差，在平差時(shí)，會(huì)將粗差點(diǎn)剔除，導(dǎo)致點(diǎn)少而無(wú)法建模。特別薄的墻壁由于在構(gòu)建三角網(wǎng)時(shí)，墻壁兩側(cè)的點(diǎn)構(gòu)成了三角網(wǎng)，從而使得墻壁出現(xiàn)空洞，這都影響著模型的質(zhì)量，因此需要對(duì)其進(jìn)行處理。采用DP-Modeler軟件，對(duì)水面空洞進(jìn)行修補(bǔ)，然后對(duì)水面紋理進(jìn)行修飾，就可以得到高質(zhì)量的模型成果。

3） 模型壓平。自動(dòng)化生產(chǎn)的三維模型是一種粘連的模型，將單體化的模型成果放置到大的場(chǎng)景中，自動(dòng)化模型和單體化模型會(huì)疊加，影響使用和美觀度，因此需要對(duì)自動(dòng)化模型進(jìn)行壓平處理，這樣將單體化模型放置到大的場(chǎng)景中，才能顯得更加合理實(shí)用。采用DP-Modeler軟件，將需要壓平的區(qū)域，利用三點(diǎn)法進(jìn)行選中，然后壓平處理，并對(duì)壓平后的場(chǎng)景修飾，得到的效果對(duì)比圖如圖6所示。

4） 單體化制作。自動(dòng)化生產(chǎn)的模型，由于建構(gòu)筑物底部遮擋嚴(yán)重，因此生產(chǎn)的模型拉花變形問(wèn)題嚴(yán)重，需要對(duì)這類問(wèn)題進(jìn)行處理。在模型的基礎(chǔ)上，對(duì)模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，其實(shí)質(zhì)是破壞原有三角網(wǎng)，重新構(gòu)建三角網(wǎng)，這種方式處理建筑物變形問(wèn)題，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，效果不好，因此一般不使用。而基于傾斜攝影空三成果，則可以對(duì)建筑物進(jìn)行重建，其原理是基于空三，獲取建筑物的頂點(diǎn)和邊長(zhǎng)等信息，然后按照真實(shí)比例，將建筑物的結(jié)構(gòu)和輪廓構(gòu)建出來(lái)，然后對(duì)其進(jìn)行紋理自動(dòng)映射，并對(duì)紋理映射效果不好的區(qū)域，聯(lián)動(dòng)Photoshop軟件進(jìn)行修飾，然后將修飾后的紋理再次映射到模型上，實(shí)現(xiàn)建筑物的單體化制作。如圖7所示，是某一建筑物單體化前后的效果對(duì)比圖。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文深入分析了傾斜攝影測(cè)量相關(guān)技術(shù)原理，并對(duì)自動(dòng)化建模流程進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹，重點(diǎn)分析了自動(dòng)化模型存在的問(wèn)題及其產(chǎn)生的原因，以實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)為例，對(duì)模型優(yōu)化前后的效果進(jìn)行了對(duì)比。通過(guò)對(duì)模型優(yōu)化，模型質(zhì)量得到了提升，成果更加符合項(xiàng)目要求。本文的研究可為同行在提升模型質(zhì)量方面提供借鑒。

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