倾斜摄影测量三维模型优化方法研究

倾斜摄影测量三维模型优化方法研究

吴磊

贵州省交通科学研究院股份有限公司 贵州贵阳 550000

摘要：倾斜摄影测量技术是当前测绘领域一项新型技术，它的出现打破了传统航空摄影测量只能从垂直角度拍摄的局限。该技术是基于多角度观测的摄影测量技术，将多台航摄仪或传感器搭载在同一飞行平台上，通过垂直、倾斜等多个方位拍摄获取多角度影像数据，再利用如街景工厂、Skyline、DP-Modeler等建模软件快速建立三维模型，将二维数据处理成符合人眼视觉的三维模型数据。倾斜摄影测量不仅能够展示真实的地物状况，还通过结合GNSS技术，嵌入地理信息、影像信息，展示出丰富的地理信息，提高用户体验的同时降低建模成本，提高三维模型的生产效率。

关键词：倾斜摄影测；三维模型；优化

1 基于倾斜摄影的三维建模方法分析

基于多角度观测的倾斜摄影测量技术每次曝光可以获取同一目标范围5个视角的地表影像数据，从前、后、左、右、正下角度拍摄地物获取倾斜影像，相对于传统航空摄影测量，倾斜摄影测量数据获取速度快，数据量小，影像之间相邻影像间航向重叠度和旁向重叠度高，覆盖范围比较完整，影像表达内容丰富，同时数据具有空间位置信息，能够反映实体的外观、位置、高度等属性信息，增强三维数据真实感，提高用户体验。

倾斜摄影测量技术的出现给三维模型建设带来了新的机遇，通过影像预处理、区域网联合平差、空中三角测量、倾斜影像匹配、DSM点云生成、TIN构建、纹理映射最终实现三维模型建设，以此替代人工建模节约大量时间，提高工作效率。基于倾斜摄影测量技术制作生产三维模型技术路线如图1所示。

图1 倾斜摄影测量处理及三维建模技术路线 

通过以上技术流程，可以制作出逼真的三维模型及场景。但在实际生产过程中，受多种因素的影响，会造成模型畸变。模型缺陷包括模型凸包、破洞、模型飞面、纹理不均匀、水面缺失以及地物模型边缘平滑等。引起模型缺陷的原因是复杂多样的，主要包括大气环境噪声、飞行姿态变化、光照强度变化、影像分辨率不足等。基于倾斜摄影测量技术生产三维模型而导致的模型畸变问题是无法规避的，现需要能够在快速完成建模的同时提高模型质量的解决方案，以此实现城市真三维模型的构建。

2 基于倾斜摄影测量三维模型优化方法

倾斜摄影测量生产三维模型在纹理、细节等方面存在问题，需要对初始模型进行人工干预，通过几何修复、细节整饰、纹理修补改进某些模型畸变问题。因此，研究如何快速优化模型，提高模型质量，是倾斜摄影测量技术未来发展方向之一。

2.1 利用空三成果修复模型

空三加密即解析空中三角测量，是利用区域内分布的控制点来计算测区中影像外方位元素及加密点坐标。空中三角测量过程是利用倾斜摄影测量技术进行模型建设的关键环节，经过空三运算后获取的影像上任意一点都具备空间几何信息。

基于倾斜摄影三维模型优化主要是基于空三加密成果和初始化重建三维模型进行模型的修复，通过同名点将多张影像进行穿刺对比，选择影像倾斜、变形小的倾斜影像提取纹理，进行匀色变形处理，在根据空三后影像绘制三维模型，自动完成模型纹理贴图，具体工作流程如图2所示。

图2 模型处理流程

2.2 精细化模型

倾斜摄影技术受飞行角度及建筑区域密集度等因素的影响，会导致初始模型侧面纹理缺失、拉花等情况的出现，因此需要进行问题模型重建，通过人工外业采集图片，替换问题航拍影像的方式，进行精细化建模。武汉天际航公司研发的DP-Modeler软件是一套基于多幅影像进行快速、精确三维建模的软件。应用DP-Modeler软件，结合倾斜摄影影像与空三成果数据，以人工干预的方式对建模区域内三维模型进行细节整饰、纹理修补，实现精细化建模。

首先将初始化模式转化成OSG格式，创建索引文件，在通过配置解决方案将．XML空三成果与纠正影像一一对应，导入OSG格式的模型，在带有空间几何信息和纠正后的影像上联动初始三维模型，浏览模型场景查看模型是否出现纹理拉花、破洞等问题，若检查到问题模型需将模型独立分离出来，再利用DP-Modeler软件提供的辅助建模工具从多角度精细勾勒三维模型建筑细节，从影像集中选取适合的纹理图像进行纹理自动映射，完成模型贴图，实现精细化建模。

2.3 水面综合修复

倾斜摄影测量采集的影像数据为分辨率较高的图像，高分辨率影像能够为模型提供精细的纹理但也会将有些不足记入影像，如水面波纹、倒影、反射光晕等，这些问题会影响特征点的匹配从而降低匹配的精度和效率。因此需要对水面问题进行综合处理。

由于水面状况复杂，高度自动化处理方法无法针对性地完成修复工作，需要一定的人工干预。在处理水面弱纹理问题时，则采用半自动化方式，避免将弱纹理作为特征点，减少水面破面、悬浮等模型问题的出现。计算机基于颜色、亮度、形状及连续性等属性来确定水面范围，通过确定弱纹理波段范围进行特定波长消除处理。处理倒影及光晕水面问题时需要全人工方式进行处理，选取相关素材利用Photoshop软件进行贴图替换、匀光匀色。如图3所示。

图3 水面修复流程图 

3 结束语

受多种因素作用，基于倾斜摄影测量技术生产的三维模型在纹理、细节等方面存在问题，导致模型精度降低。因此，本文通过倾斜摄影测量三维模型优化方法研究，提出了利用空三成果以及人工干预的方法对缺陷模型进行几何修复、细节整饰、纹理修补，以此达到了精细建模的目的，提高建模质量和效率。将高质量的三维模型应用于城市规划、水利工程、矿山探测等多行业中，为行业管理提供科学参考和辅助决策依据。相信随着技术的不断发展，倾斜摄影测量三维模型质量会越来越高，技术会愈发成熟，应用的领域也会越来越宽广。

参考文献

[1]孙宏伟．基于倾斜摄影测量技术的三维数字城市建模[J]．现代测绘，2014,37(1):18-21.

[2]谭仁春，李鹏鹏，文琳，等．无人机倾斜摄影的城市三维建模方法优化[J]．测绘通报，2016(11):39-42.

[3]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):13-15.