计算机论文：倾斜航空摄影测量技术在城市三维建模中的应用研究1章

　　计算机论文：倾斜航空摄影测量技术在城市三维建模中的应用研究

　　摘 要：目前，数字城市建模主要有三种方式：利用三维建模软件人工建模、利用激光点云建模、利用航空立体像对建模。利用三维建模软件，如ads Max，AutoCAD，SketchUp进行建模属于传统方式，虽然能在模型精细度上得到有效控制，但无法满足城市大范围快速建模的需要。激光点云建模虽然自动化程度高，但会遇到点云数据处理复杂和纹理信息缺失等难点问题。航空影像在成本、覆盖度、自动化程度上优势明显，可以通过像对匹配点云或提取线要素等方式对建筑物进行三维重建，所以目前使用比较普遍的是利用航空立体像对构建数字城市。但在纹理重建方面，由于航空影像只有下视，经常出现遮挡、拍摄死角现象，导致建筑物侧面纹理信息缺失，影响重建速度和质量。倾斜摄影测量技术的出现，解决了传统航空摄影建模的问题，使得大范围快速高效的城市实景三维建模成为可能。但是，倾斜摄影三维建模一方面由于受影像质量的影响，以及商用建模软件制约，生产的三维模型存在缺陷；另一方面受影像分辨率的限制，以及建筑物周边要素的影像，构建的建筑物模型细节方面有较大缺陷。

　　本文针对倾斜摄影三维建模中存在的问题，提出了通过倾斜影像空三匹配优化处理技术和三维模型空洞修补技术，对利用商用倾斜摄影三维建模软件构建的三维模型进行优化；提出利用LiDAR点云与倾斜影像相结合，提高倾斜摄影三维模型精细化；并选择资阳市作为示范区域，构建资阳市主城区实景三维模型，结合公安部门“一标三实”业务，实现城市实景三维模型的应用。

　　关键词：倾斜摄影；LiDAR点云；城市实景三维建模

　　第1章 绪论

　　1.1 研究背景

　　“数字城市”的概念由来已久，近些年更广泛应用于多行业，如城市规划建设、交通导航、物流管理、旅游购物、房地产等，“数字城市”不仅提高了城市规划管理等各方面工作的效率，还为人们提供了一种认识城市的全新理念，为城市的快速扩张和变化提供了一种可扩展的管理手段，实现了城市的可持续发展。城市三维建模是我国地理信息基础设施建设的一项重要工作，三维模型能够真实、生动地表达三维空间信息，成为城市信息化建设的研究重点。建筑物的三维建模作为主要的建模内容有着重要的地位，快速、逼真地建立建筑物的三维模型成为建模的研究重点。数字城市建设的全面铺开，以及正在逐步开展的智慧城市建设工作，对城市三维数据的生产提出了更高的要求。研究城市三维模型快速构建方法，有助于提高三维数据生产和更新效率，节约三维数据生产成本，使三维地理信息平台更好地服务于城市建设及各项公共事业。

　　目前，数字城市三维建模的数据主要来源于航空影像、卫星影像和近景影像三种类型。航空影像因其地面分辨率较高、覆盖范围广、能够获取精确的成像参数、相对成本较低等特点，被最早推广应用。高分辨率卫星影像在近些年应用较多，主要得益于成熟的商业化模式，目前商用高分辨率卫星主要有SPOT-5 、IKONOS、QuickBird等，从这些卫星中获取的图像经过辐射校正后能达到相当高的精度，而且覆盖范围广，结合卫星变轨或相机侧摆等方式，同一地域的重访周期大大缩短，有利于对目标场景三维信息的快速更新。然而，采用这两种影像构建的三维模型存在着建筑物侧面纹理信息不足、遮挡严重的问题。相比较而言，近景影像通过简单的获取方式，就能够获得对场景目标更精细、更全面的描述，尤其重要的是能够获得场景目标的侧面纹理，但该移动测量系统只适合对道路两旁建筑物进行测量，对建筑物顶部和地形复杂的建筑物无法拍摄，覆盖范围有限。

　　倾斜航空摄影是利用倾斜航空相机获取地物信息的一种新型的航空摄影技术，传统航空摄影测量旨在获取地面目标的正射影像，而倾斜航空摄影测量可以同时从垂直、倾斜的多个角度采集地面影像，从而获得地面目标顶部和侧面的多种纹理信息[1]，此外，在高空以一定角度倾斜传感器拍摄地形的图像采集方式，相比地面拍摄的侧立面纹理采集方式，可以更有效地减少影像中各种对象间相互遮盖的现象，从而获取地面物体更为完整的信息。倾斜摄影技术的引进和应用还大幅节省了三维城市建模的成本。正是由于倾斜影像的这些优势，该技术已被欧美等发达国家广泛应用于应急指挥、国土安全、城市管理、房产税收等行业。

　　倾斜摄影是一项新技术，由于受影像质量限制以及商用建模软件制约，使得生产的三维模型存在一定缺陷；同时受倾斜影像分辨率制约，以及建筑物周边要素的影响，倾斜摄影制作的三维模型精细度不够，限制了实景三维模型的应用。为解决商用三维建模软件存在的问题，提高倾斜摄影三维模型精细度，为倾斜实景三维模型应用提供可借鉴的参考，提出了本研究题目。

　　1.2 国内外研究现状

　　“数字城市”的构建不仅涉及到模型的重建问题，还涉及到成本、规模、用途等多方面的考虑。随着各行业对“数字城市”需求的加大，很多工作者和研究者已经清楚地认识到，基于手工建模、纹理数据源信息采集和人工贴图的传统工作方式十分低效落后。本文从数据获取、已有相关研究成果和现存问题三个方面，对目前国内外数字城市建模的研究现状进行了系统阐述，并最终提出对城市建模研究的观点。

　　1.2.1 建筑物三维数据的获取技术

　　在三维模型构建过程中，数据采集的方式不同，往往导致模型构建的方法及流程的千差万别，为此，许多不同领域的学者，如计算机视觉领域、摄影测量领域、遥感领域等，都取得了不同程度的进展。

　　1．传统航空摄影测量技术

　　（1）利用航空影像获取。航空影像具有地面分辨率高（最高达亚分米级）、覆盖度广、获取成本相对较低等优势，是目前一些商业重建系统中的主要数据源。目前，大多数航空摄影系统都配备了GPS/INS等定位设备，通过这些定位设备提供的精确地成像参数，如空间位置信息、姿态信息等，可以获得准确的建筑物三维信息，从而实现模型重建。陈冈等人针对利用航空遥感影像进行道路、建筑物的信息提取和阴影的检查进行深入研究，提出基于水平集的房屋提取方法和基于Snake和GVF模型的道路提取法，提高了提取精度，尤其在道路提取上取得了较好的效果[5]。

　　（2）利用遥感影像获取。随着卫星传感器技术发展突飞猛进，尤其是高分辨率卫星遥感领域，一些高分辨率卫星已成功商业应用，如Worldview 、SPOT-5、IKONOS、Quickbird等。相对于航空影像，卫星影像的覆盖范围更广。张剑清、史文中、曹辉等人利用有理多项式(RPC)恢复IKONOS立体影像的模型，在V irtuoZo上实现了基于有理多项式(RPC)恢复IKONOS立体影像的模型方法，并通过快速影像匹配技术，生成了数字地面模型DEM和正射影像，实现了手动和半自动人工地物的采集，获取基于不同传感器所获得影像的建筑物表面纹理，从而实现了基于高分辨率影像的三维城市建模[6]。

　　（3）通过低空摄影测量获取。利用低空飞行器，如无人驾驶飞机、无人飞艇等，有成本低、影像清晰度高、操作方便等特点。桂德柱、林宗坚等人利用配备了组合宽角相机的无人飞艇进行了城市三维数据的获取，并借助GIS信息辅助单像立体建模实现了建筑物的立体量测，纹理获取和三维重建[7]。

　　利用航空影像和高分辨率卫星影像进行城市建模虽然具有明显优势，但它们缺乏建筑物立面或墙面纹理信息，对于稠密的居民区，建筑物间存在遮挡和拍摄死角的现象严重，需要借助地面移动采集系统进行纹理采集，反而降低了效率，增加了成本。

　　2．近景摄影测量技术

　　张祖勋曾指出，数字摄影测量的未来发展必然与计算机视觉的理论和发展相结合[9],所以目前很多学者从这两方面进行研究，取得了较好的进展。近景摄影测量是计算机视觉和摄影测量相结合发展起来的一个领域。它是针对传统数字摄影测量系统在影像的物理信息的自动识别和自动提取方面的不足而产生的。相比传统摄影测量，它具有精细度高的优点，适合古迹建模。季铮等人利用非量测相机对物体进行拍摄，并结合控制点信息，采用基于边界定义的约束Delaunay三角网面片的数据组织方法和CSG ( Constructive solid geometry)建模思想实现了飞机等物体真实尺寸的三维重建[10]。黄华区利用近景摄影测量技术和全站仪测绘技术对保护性建筑物的三维模型重建进行了研究，并对其中的可行性、方法和经验进行了总结[11]。近景测量系统在城市建模应用中，一般使用车载移动测量系统，只能局限于道路两旁的建筑物，对建筑物的顶部无法采集，要借助航片等其他数据。

　　3．机载机载激光扫描技术

　　机载激光（Lidar）系统具有自动化程度高、不受天气影响、数据产生快、精度高等特点。与传统的摄影测量中借助立体像对提取建筑物三维信息的方法相比，Lidar更高效，适合三维几何重建。熊俊华、方源敏、付亚梁、隋玉成等人利用机载Lidar原始点云数据生成DSM数据，并对DSM进行轮廓提取，借助CSG建模思想，实现对具有平屋顶、单坡屋顶、人字型屋顶和四坡屋顶类型的房屋的重建[14]。Lidar系统虽然具有独特的优势，但Lidar点云数据的处理需要专门的处理算法。单独依靠Lidar数据提取建筑物的几何信息是比较复杂的，如Sander Oude Elberink和George Vosselman等人利用基于目标的图匹配算法，检测出激光点云数据中可以进行自动重建的区域并进行重建，并对匹配不完全和有误差的部分进行了具体分析[15]。赵修莉采用多源数据融合的思想，利用正射航空影像辅助Lidar点云数据进行建筑物轮廓的提取[16]。除此之外，Lidar系统不具备建筑物的纹理信息，往往还要借助数码相机、全球定位系统(GPS)和惯性导航系统(INS)等多种技术获取与之配准的光学影像，光学影像与Lidar数据的配准一直是一个难点，许多学者也进行了研究。

　　4．倾斜航空摄影测量技术

　　传统航空摄影测量技术主要是从地形地物的顶部进行测量，旨在获取地面目标的正射影像，但其在地面目标的侧面纹理获取上存在局限，近年来，倾斜航空摄影测量的迅速发展比较好地解决了上述问题。倾斜航空摄影利用多角度相机，可以从多个视角更加真实的反映地物的实际情况，垂直影像和倾斜影像分别提供地物的顶面和侧面纹理。数据处理过程中，获取地面多视影像（垂直和倾斜影像）后，结合POS数据中每张航片的外方位元素，可在所有影像中自动匹配同名点，并利用多视影像联合平差。在高精度POS系统的辅助下，影像上每个点都具有三维坐标，基于影像可进行任意点线面的量测，获得厘米级到分米级的测量精度。相比正射影像它还可以获得更精确的高程精度，对建筑物等地物的高度可以直接量算。但是，倾斜航空摄影受限于获取的影像分辨率，使得构建的三维模型细节方面还有较大缺陷，难以进行精细化三维应用。

　　1.2.2 已有三维建模商业平台

　　目前，国内外同行根据现有技术，开发出了很多进行建筑物三维重建的的平台，在不同程度上满足了城市建模的需求，这里简单罗列一些：

　　1．A.Gruen的CCModel平台。通过人工采集房屋的矢量数据进行建筑物的三维建模。该平台功能丰富，不仅能采集建筑物，也能采集交通网、水域、植被等信息，并在模型中采用了真实纹理贴图[20]。对简单结构房屋实现了较好的重建，但对复杂建筑需要借助一定的人工交互。

　　2．U1traMap。由Microsoft推出的自动建模平台，通过对影像匹配产生密集点云进行构网，实现三维重建。该平台自动化程度高，对复杂建筑物构建效果较好，但需要配备专用设备。

　　3．SiteBuilder 3D。由MultiGen-Paradigm公司和ESRI公司联合推出，该平台可以配合ArcGIS产品数据的高度属性数据来构建立方体式的简单模型。

　　4．VRMap。三维地理信息系统平台软件，侧重景观再现和场景漫游效果，对于复杂模型需要借助 ads Max、AutoCAD等专业建模软件，自身编辑能力较弱。

　　5．Pictometry系统

　　提供EFS和POL两种影像管理子系统实现对倾斜影像的本地和在线管理，两者都能够进行影像浏览、量测等功能。EFS(Electronic Field Study)获取复杂的地理空间信息并实时将其解析成有用的可视化数据和位置信息，然后对这些信息进行重新组织，可以和现有的GIS系统无缝兼容,具备多视角浏览、距离和坐标量测、矢量图层叠加、影像搜索、注记等功能。POL(Pictometry Online)使得用户可以在线使用EFS的大部分功能，包括所有的量测工具，大部分的注记功能和一些特有功能。此外，还有快速检索、工作空间协作/共享等。

　　6．街景工厂（Street Factory）

　　系统采用独有的高精度传感器模型和基于GPU的并行处理能力，支持自动地处理来自于任何平台和任何相机的大量倾斜影像，可单独对倾斜影像进行多视匹配、三角网构建、纹理提取等，提供高品质的三维模型。

　　7．ads Max和AutoCAD等。由AutoDesk推出的专业建模软件，拥有完善的交互式建模引擎，具备丰富的编辑工具，是目前使用最为广泛的手动建模工具。

　　8．国内其他倾斜影像处理系统

　　国内一些公司自主开发的倾斜影像处理系统，如：TrueMap Globe、3DRealWorld、Digital Photo Modeler等。原理多是基于多角度倾斜相机摄影数据，获取系统飞行拍摄时的影像、同步POS数据，然后，进行几何处理、多视匹配、三角网构建，提取出典型地物纹理特征，并对该纹理进行可视化处理，最终得到三维模型并可量测。

　　1.3 目前建筑物三维模型构建中存在的问题

　　根据这些平台使用数据的来源，这些建模平台可分为三类：

　　1．基于点云数据方式建模。利用机载或地面激光扫描仪或影像匹配获取大量三维点数据，然后配合地面摄影影像或遥感影像进行三维建模；

　　2．利用立体像对的方法。利用目标提取技术，实现航空影像房屋三维数据的半自动测量，进而在地面与建筑物表面不规则三角网和原始数字影像的基础上，实现建筑物可见表面纹理恢复，重建城市三维模型；

　　3．利用造型软件建模。如：3DSMAX，AutoCAD、MultiGen等。

　　在这三类建模方法中，利用航片或卫片的立体像对，根据摄影测量原理与方法进行三维建模的速度快、自动化程度高，三维建模的规模越大越能显示出其优越性。

　　但这种方法也有不足：

　　1．目前基于摄影测量系统的平台大多不具备强大的三维建模引擎，对于复杂建筑物模型的重建不能给予较好的支持，需借助第三方平台ads Max，AutoCAD等进行编辑；

　　2．在建模过程中，数据需要在摄影测量系统的线划图采集子系统和三维建模系统中来回导入导出，反复人工核对，工作十分繁琐，效率也较低；

　　3．建筑物侧面纹理不能够全部从原始航片或卫片上直接获取，还需要实地拍摄，工作量大，仿真度差。而ads Max平台虽然具有较好的解决方案，但对于城市建模这样的大项目自动化程度太低，成本太高，效率太低。

　　如何才能构建一个既高效又具备较高仿真度的城市三维建模平台，成为目前有待解决的问题。本文正是从这个问题出发，提出将倾斜摄影技术和机载激光雷达技术相结合，完成建筑物几何建模和自动纹理映射的一系列过程，这项技术既利用倾斜影像大面积三维快速建模的优势，又发挥激光雷达快速高精度的特点，形成确实可行的大面积高精度精细三维模型生成方法，提高生产效率和产品精度。

　　1.4 研究意义

　　城市三维建模对城市规划、应急处置、环境模拟、公共地图服务等应用具有重要的作用，能有效的促进城市管理和服务朝三维化、精细化、动态化、可视化方向发展。在当前的数字城市建设中，倾斜影像技术虽然可以实现快速构建三维模型，但在模型的精细化程度方面还有待加强，大面积三维数据建模的效率整体较低。研究大范围、高效率、高质量的城市三维模型构建方法，有助于提高三维数据生产效率，节约三维模型生产成本，实现城市三维模型的高效、精细化建设，为城市规划、交通、电力、医疗、环境、安全监管、应急响应等诸多领域提供更加有力的数据支持。

　　1.5 本文内容及组织结构

　　针对上面所述的倾斜摄影三维建模所存在的短板，本人将研究方向定在解决倾斜三维建模存在问题、提高建模精细度技术方面。本项目研究开发的主要内容为：

　　(1)倾斜影像空三匹配优化处理技术；

　　(2)基于滤波的航空倾斜影像云雾处理技术；

　　(3)三维模型空洞修补技术；

　　(4)基于倾斜影像与LiDAR点云的三维建模技术。

　　具体组织情况如下：

　　第一章为绪论部分，主要介绍了本课题研究背景、国内外研究现状分析、现行研究中的问题以及本文的选题来源与主要研究工作的分析和组织安排。

　　第二章主要分析了商用倾斜三维建模软件存在的问题，提出了通过对倾斜影像空三匹配优化、基于滤波的航空倾斜影像云雾去除以及三维模型空洞修补技术方法，对三维模型进行优化改进；并对倾斜航空摄影测量三维建模流程进行了描述。

　　第三章主要对利用倾斜影像与LiDAR点云相结合构建精细三维模型的关键技术进行了研究，提出了利用倾斜影像与LiDAR点云结合建模流程。

　　第四章主要是示范应用系统建设。通过资阳市示范区实景三维模型建设，结合公安部门“一标三实”业务需求，构建三维警用地理信息系统。

　　第五章主要对论文的研究内容进行总结和展望，指出下一步工作需要完善与改进的地方。