佛山市测绘地理信息研究院广东佛山528000
摘要：倾斜摄影技术是国际测绘遥感领域新兴发展起来的一项高新技术。本文探讨了如何利用倾斜摄影技术进行三维场景的快速搭建。
关键词：三维；倾斜摄影；模型精度
引言
随着城市建设的飞速发展，由于传统的方式构建三维地形工作量大、效率低，成本高，难以满足现今城市三维场景构建要求。而倾斜摄影技术凭借其工期短、成本低和效率高等优势，为城市三维模型的快速获取提供了新的选择。因此，应重视对倾斜摄影技术进行实景三维建模的方法的利用。
1.三维场景搭建新方法
本文提出一种基于倾斜摄影技术，综合运用倾斜三维自动建模技术、倾斜三维交互式建模技术和三维实景模型编辑技术，快速完成三维场景构建的方法。其构建过程主要可分为四个步骤：①基于街景工厂、ContextCapture等倾斜影像自动化处理系统，进行倾斜影像空三加密、影像点云匹配、模型三角网构建优化和模型纹理自动映射，自动化生成三维实景模型成果；②在倾斜影像空三加密成果或倾斜三维模型成果的基础上，基于透视成像原理，采用人机交互的方式采集模型轮廓线，通过纹理自动映射技术，实现精细化三维单体模型的快速构建；③对倾斜三维实景模型进行踏平、删悬浮物等编辑操作处理；④在三维应用平台中，将三维实景模型编辑后成果和三维单体模型成果进行叠加套合显示，得到城市区域真三维模型场景。三维场景搭建技术流程如图1所示。
图1三维场景搭建技术流程图
该技术流程在数据处理时存在以下几个难点：
（1）多视影像匹配
倾斜摄影技术能够通过一次拍摄获取多个视角的影像，既包含垂直摄影影像，还包括侧视摄影影像，侧视影像因相机镜头与建筑物之间存在一定的角度，影像之间的畸变与遮挡严重，传统的空中三角测量系统无法较好地处理多视倾斜影像。目前，多视影像自动匹配技术是数字摄影测量与计算机视觉领域研究的热点。前者对匹配点对的精度要求较高，以精确定位影像的位置与姿态；后者侧重影像目标的几何与物理属性，以求对其进行快速、准确搜索。
（2）点云自动构网
利用倾斜摄影技术得到的三维影像点云，只包含影像上每个像素对应的地面三维空间坐标信息，而没有这些点的任何拓扑关系。如何通过对点云数据的自动构网得到能够表现有用地物特征是个难点。为了能自动实现从影像到三维模型的转换，需要采用适当的算法将点云通过优化实现三维构网，接着对三角网进行优化，减少平坦区域的三角网面数，最大限度地真实还原现实复杂地物的几何结构。
（3）轮廓交互采集
基于倾斜摄影技术的交互式三维建模是在倾斜影像空三加密成果或倾斜影像基础上进行单体化三维建模。如何设计模型轮廓采集方式和提高建模效率是个问题。目前，软件厂商通过对加密后影像空间姿态的恢复来还原影像空间位置，通过影像金字塔技术和大数据量影像调度技术来实现对倾斜影像的快速调用，设计灵活实用的多视窗口、立体测图窗口和方便快捷的建模功能，为用户提供简单高效的交互式建模工作环境，作业人员通过人机交互的方式，通过透视成像原理，在倾斜影像或倾斜模型上构建精细化模型，其精度和效率与传统人工建模技术相比有了很大提高。
（4）倾斜模型编辑
倾斜三维实景模型由多级不规则三角网和相应层级的纹理组成，多级不规则三角网与纹理之间存在一一对应的关系，在三维模型输出后对模型进行编辑，则模型结构改变后模型纹理无法重新映射，三维模型编辑变得十分困难。目前，对三维模型成果编辑主要通过两种方式实现：一种是借助于第三方建模软件，对模型结构进行编辑，导回倾斜影像自动化处理系统进行模型重建；另一种是对模型进行结构删除、踏平等操作，该方式具有不可逆性，只能对模型结构进行减少不能重塑[1]。
2.三维场景快速搭建实现
本文以实际生产项目为例，讲解三维场景快速搭建过程。
2.1测区概况
测区属大陆性季风气候，四季分明，气温月季变化明显。摄区地势较为平坦，地势整体呈西高东低趋势，以低矮房屋、规则高层和大面积农田为主，形成新旧城区东西分布的空间格局。测区具有采用运-5搭载徕卡RCD-30倾斜摄影测量系统获取的倾斜影像数据，影像地面分辨率0.05m，现势性为2015年9月，RGB真彩色模式，TIFF格式，影像整体效果良好，纹理清晰、反差适中、颜色均匀，坐标系统为WGS-84坐标系，高程系统为大地高。此外，通过外业实测采集获取控制点资料，满足测区倾斜影像空三加密、检查与坐标系统转换参数解算需要。
2.2实景模型构建
三维实景模型构建采用街景工厂按照软件工作流程进行自动化处理。处理流程主要分为：数据准备、空三加密、三维重建和成果输出等环节。
数据准备主要通过对设计书的学习，明确项目要求的成果格式和精度，通过对原始影像和控制资料的分析，确保数据资料满足项目建设需要。
空三加密采用街景工厂通用空三加密模块，采用“先子区域网，后整体空三”的原则进行处理，对缺少连接点或连接点误差较大的点进行人工编辑。此项目共分为两个空三加密网，网与网之间通过锁定POS的方式进行接边，每个加密网分为4个小的区域网进行子区域网自由网加密，自由网精度满足要求后将4个子区域网进行合并；联合平差阶段，通过对控制点点位的人工转刺和调整，使得误差满足项目要求。
三维重建由街景工厂软件系统自动化完成，作业人员根据测区高程值范围设定建模的高程范围，一般比最低高程低50m，比最高高程高150m；相对选择按照“角度5，距离120”的参数进行设置[2]。
成果输出按照三维模型要求的格式进行数据输出，街景工厂空三加密时高程系统为大地高，根据项目需要，采用高程坐标拟合的方式计算得到从大地高到正常高的转换参数，利用街景工厂自带的高程转换工具进行高程转换。三维实景模型输出后，采用外业实测的像控点与检查点对最后的模型成果进行精度检测。共选取像控点18个，检查点15个，三维实景模型在XYZ三个方向上的中误差分别为：0.071、0.06和0.138m，满足三维建模设计书的技术指标要求。同时，高精度的三维实景模型成果也为三维单体模型的快速构建创造了良好的条件。
2.3单体模型构建
本项目三维单体模型构建采用倾斜摄影交互式建模技术进行建模，采用倾斜影像或倾斜模型进行三维模型轮廓线的采集，采用倾斜影像进行纹理自动贴图。对于临街商铺和重点建筑物采用人工补拍的方式获取外业照片，采用人工贴图的方式进行贴图。采用此技术流程既保证了三维模型精度，又保证了模型的真实性和模型的美观性。为了保证三维单体模型在3dsMax等软件平台中的正常加载和显示，本项目中对三维模型做了去大数操作。
2.4实景模型编辑
本项目共生产三维实景模型779块，与任务区相关的模型块有294块，任务区外的模型块有485块。为了保证三维模型的正确存储和显示，三维实景模型同样做了去大数处理。按照三维建模设计书的要求，需要对全部779块三维实景模型进行补水处理操作。对于任务区内的294块三维实景模型需要进行三维模型踏平、刑悬浮物等处理，对于三维实景模型与三维单体模型之间的空隙，采用补面的方式完成[3]。
图2三维实景模型效果图
三维实景模型的编辑主要通过街景工厂自带的软件进行编辑，首先通过设置需要删除模型的高程范围，将建筑物顶部结构删除；接着使用三维模型踏平功能，将模型踏平至与建筑物底部相平的高度。通过以上步骤，减少三维实景模型的数据量和模型闪面，为三维场景搭建提供环境基础。
2.5模型场景构建
三维实景模型和三维单体模型具有相同的坐标系统，且具有相同的平移参数，分别以osgb和obj格式存储。在三维模型数据应用时，将三维实景模型和三维单体模型添加到同一个索引文件中，通过应用软件进行数据的整体加载显示，实现三维场景的快速构建。三维实景模型效果如图2所示，模型叠加后的三维场景效果如图3所示。
图3三维模型场景效果图
3.结束语
综上所述，本文通过采用人机交互的方式构建三维单体模型，并对三维实景模型进行踏平等编辑处理，将三维单体模型与三维实景编辑模型进行数据融合，达到了构建真三维场景的目的。该技术方法具有创新性和先进性，是三维场景快速搭建的一种有效的解决方案。
参考文献：
[1]基于无控倾斜摄影的实景三维建模生产研究[J].马新文，张学之，赵全辉.测绘与空间地理信息.2018（05）
[2]基于倾斜摄影的城市三维快速建模技术应用研究[J].高铁，李明.测绘技术装备.2017（04）
[3]基于倾斜摄影技术的三维建模生产与质量分析[J].王丙涛，王继.城市勘测.2015（05）