基于倾斜摄影的实景三维单体化模型构建方法

基于倾斜摄影的实景三维单体化模型构建方法

张暖 徐巍

青岛市勘察测绘研究院 /青岛市海陆地理信息集成与应用工程研究中心 266033

摘要：单体化模型是研究分析某一区域内事物分布特征的重要途径，也是智慧城市建设的重要技术门类。本文主要阐述利用倾斜摄影技术建立实景三维模型并执行单体化处理的方案，首先说明单体化模型的构建整体流程，随后说明构建三维模型以及模型单体化的过程，最终通过实验说明单体模型应用效果。

关键词：倾斜摄影；三维；单体化模型

引言：智慧城市的建设与三维模型单体化处理密切相关，利用倾斜摄影建立模型并分析成为智慧城市建设的重要步骤，因此有必要探讨实景三维模型以及单体化处理的方式方法。

一、总体流程

实景三维模型的构建过程具有信息处理快捷、地面信息种类多、自动化程度高等特征；通过倾斜摄影获取影像数据源后，对数据进行色光均衡处理，获取满足要求标准的三维建模数据，并结合外业测量建立实景三维模型。真正射影像数据的计算则与三维模型的生成同步进行，通过真正射影像获取矢量数据，采用单体化技术处理矢量数据以及三维实景模型；录入其他属性数据后形成完整的三维单体化模型，进而达到检索管理三维模型数据的效果。

二、实景三维模型构建

倾斜影像处理系统的核心价值在实现倾斜摄影数据的自动化处理，处理过程中将外业测绘结果以及影像数据导入到系统中，完成空三加密后及时矫正其中存在的数据畸变现象，并实现影像元素的全面优化，最终建立纹理与三维模型之间的关联。倾斜影像系统的关键在于降低人力主观行为的干预作用，从根本上保证实景三维模型的精度。主要经过下列步骤：

1．数据预处理。不同观测条件下反馈的数据本身存在时相差异，即便是同次观测的数据也会存在色彩区分，因此摄影影像在饱和度、色相等多个维度存在差异，直接影响到拍摄成果表达统一性。在预处理环节则对影像进行归一化处理，确保影像光亮度、均衡度性能完好。

2．点位调整。基于预处理获取的数据结果进行平差处理，对平差后部分粗差点筛除，并调整预处理数据的部分连接点位。部分连接点存在偏差较大的问题，需要采用人工调整方式调整预处理结果，降低连接点偏差的整体影响。参数的优化也是对各种误差影响的综合考虑，例如利用空三加密方式对参数的优化则要参考像素偏差合理阈值；通常情况下连接点误差像素≤0.5满足标准，最大误差则不应超过4个像素。

3．空三加密。基于点位调整后的影像匹配结果执行定向处理，此后导入外业控制信息并验证数据在影像中的分布特征，重点验证可能存在的换带问题。此后对每个控制点进行独立的平差处理，验证准确后进行区域性的平差处理。点位调整与平差等环节不是一蹴而就的，通常经过多次处理达到空三加密的要求。

4．模型构建。基于空三加密成果生成的影像数据满足纹理提取环节的要求，畸变差在此前已经得到修正。根据空三加密成果形成完整的金字塔文件。三维模型的构建关键在于点云数据，在提取点云数据的基础上建立三维模型，并将提取纹理贴附在三维模型。地图瓦片技术的应用至关重要，具体来讲实现三维模型分割效果并形成多个文件，倾斜影像处理系统能够将多个文件分配到不同节点，利用并行运算原理完成运算任务，最终构建实景三维模型。

三、单体化处理

对三维模型的单体化处理核心在于重构三维模型，在三维模型分离为多个单体，作为后续编辑处理的主要对象，而且每个单体中均携带大量信息。本次处理中结合智慧城市要求以及影像数据源等要素，针对影像数据源进行矢量化处理。获取DLG数据后提取对应的矢量文件，采用叠加处理方式与实景三维模型结合，最终完成模型单体化处理。单体化处理中还要对DLG、DEM等格式数据信息与属性信息进行整合处理，方便查询三维模型数据属性并分析模型空间要素。总体来讲包括DEM数据生成、数据提取等多个步骤，具体如下：

1．DEM数据生成。以中等高线为基础，采用反衍方式处理现有DSM数据；此后确定等高线的合理范围，对范围内建筑物删除处理，生成后续操作的DEM数据，

2．DLG数据获取。采用矢量化方式处理TDOM数据，获取地面建筑、交通设施的矢量要素并建立DLG数据体系。提取DLG数据时要注意缓冲区生成处理，从而保证DLG数据价值并避免最终建筑模型不会出现不合常理的错误。缓冲生成处理半径为10cm，通过缓冲区分析保证DLG数据价值。

3．地形数据获取。获取DEM、TDOM数据后去除其中的无效区域并形成有关单体化模型的金字塔信息体系，最终获取地形数据。

4．模型构建。模型的构建要结合地形数据以及DLG数据，将上述数据与实景三维模型叠加处理；在进一步确定三角网范围后对三角网执行贴合处理，力求达到三维实景影像数据切割要求，原则上应当获取单体模型以及金字塔信息。最终是对上述模型、数据进行整合处理，实现多种数据类型的统一化，便于根据属性类型以及智慧城市要求检索模型数据，进而分析模型空间要素。

四、单体化模型试验

1．空三加密试验

构建三维模型的同时要执行加密处理，需要保证空三加密精度到位。空三加密试验中要对连接点进行精度评价，基于提升检验效率的目的，提取平差环节中无需考虑连接点高程值的影响。相对定向精度试验结果表明，平面中两个方向的误差不超过0.5像素，最大残差为2.8像素，符合点位调整的标准。

绝对定向精度试验中选择均匀布局像控点方式，在试验区域内均衡布置40个像控点，以每个像控点三维坐标为关注对象，比较区域网平差前后的三维坐标并计算较差，作为确定绝对定向精度的依据。绝对定向精度中三个方向的中误差均小于1像素，三个方向的最大误差均不超过1.2像素，符合国家颁布的空三测量规范技术要求。

根据空三加密试验结果，整体满足有关空三加密规范的标准要求，能够建立比例为1:1000的三维模型。通过倾斜影像处理系统建立的三维模型对外方位元素加密处理，在经过三角网构建、点云数据匹配等步骤后建立标准的三维模型。

2．实景三维模型试验

获取空三加密结果后，依次经过点云提取、影像生成、纹理提取、三维模型贴附等步骤最终建立三维模型。反馈的三维模型成果完整反映观测地实况，体现观测区域的地理要素并实现要素之间的合理衔接。三维模型中准确反馈摄影区域内建筑、街道、市政设施的外形、纹理以及位置，各类事物的外部结构、轮廓线清晰可见，摄影区域内的绿化、植被因素与实地情景一致，纹理贴附准确到位并体现实地色彩。

3．单体模型构建试验

单体模型的构建应用矢量叠加技术，采用矢量化方式处理TDOM数据并最终实现单体化。根据单体化试验结果，试验区域内每幢楼房的具体结构清晰显现，充分体现单体化管理理念。在建立的单体模型中体现每座建筑的属性，通过系统可以检索建筑单体的属性数据并分析。例如利用单体模型可以检索数据并分析用地红线，在设计方案规划试验中表现良好。

结束语：本文阐述了一种实景三维单体模型构建方法，通过试验应用取得良好成效。任何研究成果都不是十全十美，在今后应用中还要及时总结不足并优化模型构建方法。

参考文献：

[1]孙松梅,黄天进,孙颖. 城市高精度实景三维单体模型建设及应用[J]. 测绘通报,2021,(01):108-111.

[2]张语涵. 基于无人机航拍的实景三维建模在消防重大安保中的应用[J]. 消防界(电子版),2021,7(01):71-72+74.

[3]于进江,刘文斌,刘国梁,封博卿. 基于倾斜摄影技术的铁路三维实景系统开发与应用[J]. 中国铁路,2021,(01):111-116.

[4]陈洪. 无人机倾斜摄影实景三维应用于土方测量工程[J]. 城市勘测,2020,(06):92-96.