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1、第 38 卷 第 12 期 2015 年 12 月 测绘与空间地理信息 GEOMATICS SPATIAL INFOMATION TECHNOLOGY Vol 38， No 12 Dec ， 2015 收稿日期: 2015 03 09 基金项目: 国土资源部公益性行业科研专项( 201311045) 资助 作者简介: 王琳( 1984 ) ， 女， 山东日照人， 工程师， 硕士， 2011 年毕业于中国测绘科学研究院摄影测量与遥感专业， 主要从事航空 摄影测量与遥感影像处理工作。 无人机倾斜摄影技术在三维城市建模中的应用 王琳1，吴正鹏1，姜兴钰2，陈楚1 ( 1 天津市测绘院， 天津 300
2、381; 2 天津地质调查中心， 天津 300170) 摘要: 简要阐述了倾斜摄影技术的现状、 原理等， 选择某一城市区域作为试验区， 利用无人机5 镜头倾斜摄影技 术获取该区域数据， 并采用高分辨率遥感影像一体化数据处理系统 PixelGrid 进行数据处理， 最后通过基于 3ds Max 插件的二次开发， 将倾斜摄影技术和 3ds Max 建模优势有机结合， 实现三维模型构建和纹理自动映射的 同时完成， 提高了三维城市建模的效率。 关键词: 倾斜摄影; 无人机; 三维城市建模 中图分类号: P235 2文献标识码: A 文章编号: 1672 5867( 2015) 12 0030 03 A
3、pplication of the UAV Oblique Photography Technique in 3D City Modeling WANG Lin1，WU Zheng peng1，JIANG Xing yu2，CHEN Chu1 ( 1 Tianjin Institute of Surveying and Mapping， Tianjin 300381，China; 2 Tianjin Center，China Geological Survey，Tianjin 300170，China) Abstract:This paper simply expounds the prese
4、nt situation and principle of the oblique photography technique，uses the UAV Ob- lique photography technique with five lens to obtain the data of a certain city region which is selected as an experimental area，and processes the data by high resolution remote sensing image processingPixelGrid Finally
5、， building of three dimensional models and texture auto mapping can be completed simultaneously with the integration of the oblique photography technique and 3ds max model based on the 3ds max plug in development，thus the efficiency of 3D city modeling is improved Key words: oblique photography;UAV;
6、 3D city modeling 0引言 目前， 传统大范围三维城市数字建模的方法主要是 测量建模的方法 1 ， 采用外业人员手工拍照的方法， 得到 建筑物的结构和纹理， 然后通过内业人员的处理， 结合正 射影像、 测区平面矢量图、 屋顶矢量图等数据， 建立白模， 通过拍摄的纹理分析模型的细部结构， 最后将拍摄的纹 理处理后贴在白模上。传统建模方法虽然能在模型精细 度上有很好控制， 但存在生产工艺复杂， 生产成本高， 工 作强度大， 模型生产效果不确定等不利因素， 无法满足城 市大范围快速建模的需要。 倾斜摄影技术是国际测绘领域近些年发展起来的一 项高新技术 2 ， 它颠覆了以往正射影像只能
7、从垂直角度 拍摄的局限， 通过在同一飞行平台上搭载多台传感器， 同 时从一个垂直、 四个倾斜等五个不同的角度采集影像， 将 用户引入了符合人眼视觉的真实直观世界。在国外， 倾 斜摄影技术历经了十几年的发展历程， 如美国 Pictometry 公司的倾斜摄影测量系统， 天宝公司的 AOS 系统等。 2010 年 4 月， 北京天下图数据技术有限公司首次引进倾 斜摄影技术， 开启了中国航空倾斜摄影时代。2010 年 10 月， 刘先林院士团队率先研发成功了第一款国产倾斜相 机 SWDC 5， 并成功完成了平顶山试验， 是国内倾斜相机 的一大突破 3 。 目前， 通过倾斜摄影技术进行三维建模主要是采
8、用 StreetFactory 或 Acute3D 公司的 Smart3DCapture 软件进行 全自动正摄影像和倾斜影像的联合空中三角测量， 全自 动化构建三维模型， 全自动化贴纹理形成最终三维真实 场景 3 。上述建模方法在效率和宏观优势上有着明显的 优势， 但还存在以下问题和不足 2 : 倾斜摄影在数据获取 方面会存在一定死角或数据关联点不足的问题， 造成在 模型匹配时存在模型扭曲变形， 主要是建筑物或地物的 底角部位; 模型是以超高密度点云生成的 DSM， 不同于人 工建模可以控制模型的表面数量， 通过计算机自动处理 会生成数量惊人的三角面， 这对于编辑或是后续的数据 管理及展现都提
9、出了很高要求。 本文以某一城市区域为例， 采用无人机搭载 5 个 Canon 5D MarKII 数码相机获取不同方向的影像数据， 利 用中国测绘科学研究院开发的高分辨率遥感影像一体化 数据处理系统 PixelGrid( 以下简称 PixelGrid) 进行全 自动正摄影像和倾斜影像的联合空中三角测量， 获取每 张像片的外方位参数， 然后通过该课题组开发的基于倾 斜摄影技术和 3ds Max 插件开发的半自动三维建模平台， 完成了该城市区域的三维模型构建。该平台集量测、 建 模、 纹理自动获取、 纹理映射、 三维模型快速编辑等功能 于一体， 提供了一种实用的、 快捷高效的半自动城市建模 方案，
10、 避免了基于超高密度点云匹配生成 DSM 的三维建 模方法存在的数据量大等问题。 1无人机倾斜摄影系统 11相关参数 此次试验采用无人机搭载5 个 Canon 5D MarKII 数码 相机获取不同方向的影像数据， 如图 1 所示， 3 号相机获 取传统的垂直向下的影像， 其余 4 个相机倾角为 40， 获 取倾斜方向的影像， 同时搭载 GPS/IMU 设备获取 3 号相 机曝光时刻的地理位置信息和姿态信息。相关参数 如下: 平均飞行高度 450 m; 正摄相机的焦距 35 mm， 倾斜相机的焦距 51 mm， 地面分辨率平均约 0 08 m。 传感器尺寸为 5 616 3 744 个像素，
11、像元大 小 6 41 u。 航向重叠度 80%， 旁向重叠度 70%。 图 1相机位置分布图 Fig 1The mapping position of cameras 12无人机倾斜影像效果 倾斜摄影技术通过在同一飞行平台上搭载多台传感 器， 同时从垂直角度和多个倾斜角度采集影像， 避免传统 航拍的拍摄遮挡和拍摄死角问题， 很好地采集了建筑物 侧面的纹理信息， 如图 2 所示。在此次试验中， 由于旁向 重叠度和航向重叠度都很高， 一个建筑物会同时出现在 70 多张倾斜影像上。 图 2不同方向的影像数据 Fig 2Images captured from different angles 2空中
12、三角测量 目前， 进口倾斜摄影的后处理软件在国内的应用推 广以法国 ASTIUM 公司的 StreetFactory、 法国 Acute3D 公 司的 Smart3DCapture 为代表 4 。上述系统的数据处理方 式如下: 将正摄和倾斜的影像数据、 POS 数据等输入到系 统中， 进行正摄和倾斜影像的自动联合空中三角测量， 密 集匹配 DSM， 构建三维模型， 自动贴纹理最终形成真实三 维场景。国内尚无较为高效完善的倾斜摄影三维建模解 决方案 4 ， 比较有代表性、 能够进行工程化应用的是北京 东方道尔公司和武汉华正公司的后处理技术， 不过两者 的后处理建模都需要 LIDA 数据的支持，
13、前者是半自动 的人工交互式生产， 后者基本能够实现自动化生产， 每个 倾斜摄影工程都需要飞两种设备， 作业门槛和成本都偏 高， 三维模型的效率虽然较传统方式有较大进步， 然而与 国外的后处理技术相比还是偏低。 本次试验数据处理采用了中国测绘科学研究院 Pix- elGrid 课题组开发的倾斜摄影空三加密系统， 该系统能够 完成正摄和倾斜影像的自动联合空中三角测量， 但是后 续的密集 DSM 匹配等功能还尚未完善， 其建模方式采用 基于 3ds Max 插件开发的半自动三维建模。其中空三加 密采用基于 POS 的空中三角测量， 未加入外业控制点， 具 体处理流程如图 3 所示， 步骤如下: 1)
14、 将正摄和倾斜影像数据进行相机检校和改正; 2) 因只有正摄影像具有相应的 POS 数据且精度不 高， 在做空三加密时， 先采用 PixelGrid 系统做正摄影像的 空三加密， 获得正摄影像精确的外方位元素; 3) 在已有正摄影像精确外方位元素的基础上， 根据 相机的摆放位置关系， 三个线元素不变， 将航向倾角和旁 向倾角分别加或减 40， 推理得到其他倾斜数据的粗略外 13第 12 期王琳等: 无人机倾斜摄影技术在三维城市建模中的应用 方位元素; 4) 将正摄和倾斜影像的外方位元素作为初始 POS 数 据导入 PixelGrid 系统中进行联合空中三角测量， 精确求 得每张像片的外方位元素
15、， 其相对定向中误差约 2/3 像素。 图 3空三加密流程图 Fig 3The flow chart of three dimensional triangulation 3基于倾斜摄影和 3ds Max 的三维建模 31总体建模思想 基于倾斜摄影与 3ds Max 插件开发技术的建筑物快 速建模路线 5 如图 4 所示。首先将获取的影像进行空中 三角量测并获得高精度的外方位元素; 其次， 3ds Max 插 件根据提供的外方位元素和共线方程实现基于倾斜影像 的建筑物多片立体量测并将测得的数据输入 3ds Max 平 台生成三维模型; 然后， 根据三维信息提取模型每个面在 影像上相应的最佳纹理
16、信息， 并实现纹理自动映射; 最 后， 将模型输出。 图 4三维城市建模技术路线 Fig 4The flow chart of 3D city modeling 32建模过程 建模包括地面建模和建筑物建模。地面建模采用将 数字高程模型 DEM 构成 TIN， 然后叠加 DOM 生成。建筑 物建模采用中国测绘科学研究院开发的基于 3ds Max 插 件开发的半自动三维建模平台。该平台将建筑物根据屋 顶结构特点进行分类， 将建筑物分为简单结构建筑和复 杂结构建筑 6 。在简单结构建筑物中， 根据屋顶形态细 分为平屋顶建筑物、 坡屋顶建筑物和圆柱型建筑物。复 杂建筑物的界定主要是指那些利用简单结构量
17、测建模方 法及其组合不能够很好地构建、 在屋顶结构上较复杂且 无特定规律可寻的一类建筑物。在实际建模过程中， 根 据所要构建模型的类型， 有针对性地采集或量测， 可以有 效提高建模效率， 以减少建模人员的工作量。 4结束语 本文简要介绍了无人机倾斜摄影系统， 利用中国测 绘科学研究院开发的高分辨率遥感影像一体化数据处理 系统 PixelGrid 完成无人机倾斜摄影的后续数据处理， 并通过该课题组开发的基于倾斜摄影技术和 3ds Max 插 件开发的半自动三维建模平台完成试验区域的三维建 模， 实现了具有真实感三维场景的快速构建， 能与传统航 测产品生产工艺有机融合， 从而延伸传统航测产品线。
18、参考文献: 1卢秀山， 李清泉， 冯文灏， 等 车载式城市信息采集与三 维建模系统J 武汉大学学报: 工学版， 2003， 28( 3) : 76 80 2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 3田野， 向宇， 高峰， 等 利用 Pictometry 倾斜摄影技术进行 全自动快速三维实景城市生产 以常州市三维实景 城市生产为例 J 测绘通报， 2013( 2) : 59 62， 66 4李安福， 曾政祥， 吴晓明 浅析国内倾斜摄影技术的发展 J 测绘与空间地理信息， 2014， 37( 9) : 57 59， 62 5王庆栋，
19、 艾海滨， 张力 利用倾斜摄影和 3dsMax 技术快 速实现城市建模 J 测绘科学， 2014， 39( 6) : 74 78 6王庆栋 新型倾斜航空摄影技术和 3dsMax 插件开发技 术在城市建模中的应用研究D 兰州: 兰州交通大 学， 2013 编辑: 栾丽杰 檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸 檸檸檸檸檸檸檸 檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸 檸檸檸檸檸檸檸 殠 殠 殠 殠 本刊已许可中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社在中国知网及其系列数 据库产品中以数字化方式复制、 汇编、 发行、 信息网络传播本刊全文。该社著 作权使用费与本刊稿酬一并支付。作者向本刊提交文章发表的行为即视为 同意我社上述声明。 23测绘与空间地理信息2015 年