浅谈倾斜摄影测量技术在三维数字城市建模的应用

浅谈倾斜摄影测量技术在三维数字城市建模的应用

李洪喜 1 万文韬 2

东莞市正源工程质量检测有限公司

摘要:倾斜摄影测量技术是测绘遥感领域近些年发展迅速的一项多视影像高效匹配技术，在大范围、复杂地形地物建模领域具有广阔的前景，在城市高速发展过程中得到了广泛的应用，为政府部门合理高效地规划城市、制定风险措施提供了技术支持。本文结合九江市某地河道的河底三维建模，简要介绍了倾斜摄影的精确测量和三维数字的城市建模，使人能够在三维虚拟世界中对河道洪水演进的现象和规律进行观察、操作和分析，实现对洪水演进过程的控制。

关键词:倾斜摄影测量法；三维模型；数字城市；模拟

引言：

现代城市的发展过程中，在逐步深入数字都市的相关概念后，应对城市表面空间信息进行采集并进行数据模拟对比分析。无人机倾斜摄影技术的发展至今，相对传统倾斜摄影测量有着高效性、廉价性、精准性等。GIS系统加载无人机倾斜摄影成果，九江市相关部门能对河道进行水文分析，洪水演进可以上升到模拟仿真的高度，为洪水事件发生的时间、地点、范围和强度提供快速、准确和直观有效的预报，为政府做出决策提供基础数据。

一、无人机倾斜摄影测量技术

随着无人机技术的发展，现代无人机有着更大的载重量、续航能力，相较传统倾斜摄影只能从一个面进行数据采集，它可以搭载多个角度摄像头及定姿系统，从而更加清晰与精准。现代无人机摄影测量技术具有以下突出的优点：第一，在无人机上安装了多种传感器，可以从5个角度（一个正摄影，四个倾斜摄影）采集各种与地面有关的信息图像，以获得更真实、更清晰的图像数据及纹理信息。第二，能够真实地反映物体在现实中的三维状态，准确地获取结构物的形态、大小和位置。与垂直摄影相比，这种比较是基于多个视场视角，得到的影像资料可以进行融合更具立体感。第三，他们收集与结构重要功能密切相关的其他相关信息，并将倾斜摄影的核心技术应用于三维数字研究及其他城市模型的建立过程中去，并利用倾斜摄影的小比例尺制图功能进行批量提取和存储。

图1.无人机摄像头 图2. 拍摄示意图

二、具体应用

（一）工程概况

项目以九江某河为研究对象，范围内11.3公里河道的河底三维建模，充分利用现有无人机航拍手段，结合人工建模技术，将流域地形地貌以立体形式展现，平台以此基础根据定制的洪水预报模型及水动力学模型对流域内洪水进行动态演算，根据流域内社会经济数据，可以有效、直观、精准的判断区域内随着洪水的演进过程所遭受的损失。

图3测区范围

（二）项目技术流程

项目实施前应尽量收集测区的已有的控制点资料、已有的航摄资料数据、交通图（含机场）、气象状况等资料。本范围基准面高程 50米，范围内地形高差均小于25米，相对航高210米，绝对航高 260米，成图比例尺1：500。

图4 无人机倾斜摄影测量及3D建模流程

1. 像控点选取

测区布设的像控点均为平高点，为了便于后期识别，应选在影像明显的地物交角、地表标志线角点，优先选择斑马线的角点、空旷地带地砖图案的角点等测量误差小、内业易于判读、高程变化不大地带，无地表标志线的地方，应选择房屋围墙的内外拐角、花坛的角点等近似成90°的地物交叉点，困难地区可布设靶标，用白漆喷成“L”型并进行统一编号，采用RTK技术测量角点坐标值，选在房角处，测得高程及坐标应为房角顶上角点值，保证每个平方至少6-8个像控点。所有的点位应避开高大的楼群、高压电线、发射塔、高大树木等对 GPS 信号接收有影响的障碍物。

图5 像控点布设 图6 像控点布设

2.收集纹理

（1）无人机航拍

倾斜摄影技术可以获取正射及侧面的地表纹理信息，以及接近地面基本特征的各种信息。在收集之前，将根据特定功能识别收集区域中的建筑物，然后根据新的标签顺序进行收集。固定标签也可以作为空间摄影的序列号，方便将来建立人像信息的内容数据库系统。在自然纹理的采集中，南方区域采集一般选在初春和冬季晴天正午前后两小时内进行，这个季节测区晴天数较多；大气透明度好；光照充足，地表移动覆盖物对摄影及成图影响最小。

（2）数码相机现场补拍

清晰的纹理元素是空间建模方法的重要信息，也是城市综合体和公共交通的外观重要信息。无人机航拍相片过程中，难免会出现一些相片影像模糊、遮挡、漏拍区域，调绘过程中应收集相关区域，及时人工外业补拍并记录位置和时间信息。

3.粘贴纹理信息

最初建立3D大数字模型结构后，由于基本模型中没有与表面纹理相关的信息，因此有必要在所有构筑物的顶部和侧面上粘贴各种有关纹理的信息，以正确反映该区的3D特征。因此，有必要使用中大的两种照片进行跟进并将其切成多张照片，借助PS软件进行处理。

清晰纹理编辑和表面纹理采集的任务是互补的，首先选择、变换、链接和接收集合中与纹理相关的信息，然后将文件内容文本转换为编码格式，它们将调整纹理整体的亮度和对比度，使纹理的其他信息能够满足现代人的视觉要求，如色阶和色温每一个侧面的内容都有清晰的纹理信息

3. TD0M生产

1.定向建模

利用得到的影像资料进行内定向、相对定向、绝对定向，建立立体模型，并生成得到DSM数据。

2.纠正数字差分

通过对像素分辨率的分析，利用DSM对影像数据进行数字微分纠正，并使用相关模型控制输出。

3.调整影响较大的颜色和色调

如果没有嵌入明显的特征信息，则应再次调整3D数字基本模型的每张相邻照片的明显色差和冷色调，以使模型结构的色差与总体颜色基本一致，或者通过一些PS软件匀色及影像处理。

4.镶嵌

在调整了相邻照片的整体颜色和色差后，需要将照片插入基础模型中。通过具有不同屏幕分辨率的同一图片和文本中选择像素分辨率最低的部分，可以提高相关模型的像素分辨率。完成所有的图像后，再次仔细检查，看是否有任何部分模糊不清、部分缺失、错位、灰度突变等。

（四）3D模型构建

三维数字建模是在计算机信息核心技术的基础上发展起来的一种新的建模技术。它可以快速建立更多的空间三维相关模型,实现土地的长期规划、耕地再利用和平面土地的具体规划、土地利用。将三维空间建模的核心技术与城市规划测量中的机械工程相关信息和二维详查综合数据相结合，实现二维平面相关信息平台查询、自我定位、完全统计、分析和控制输出的基本功能，打印后也可以实现，初步建立了相关指标比例尺信息的内容体系，可以快速实现数字化阶段的基本模型，为城市总体规划和科学发展提供重要的参考和决策依据。

利用Geomagics系统据水下地形勘测数据建立的原始三角形面的基础上，首先通过解析分析处理实现了三角形边的参数曲线的解析表述，根据不同分辨率要求通过分形方法对三角形进行细化，并对于共边但不同细化程度的相邻三角形细化中产生的缝隙进行了处理，从而产生动态多分辨率的地形建模。最后结合动态纹理生成，研究实现了水下地形的可视化系统。

图7水下建模前

图8水下建模后

三、结束语

利用云计算、大数据分析技术解决水文洪水预报与洪水演进分析相关问题，结合三维建模与三维展示技术，将洪水预报及洪水演进分析结果进行三维动态模拟。最终以三维、立体的方式直观展示洪水演进过程及受灾影响数据。为防汛决策领导、业务人员及公众提供洪水风险预警预报服务。

图9三维洪水风险模拟图

三维洪水风险图结合区域社会经济概况，基于三维GIS和计算机技术，通过建立三维分析展示平台，不仅反映了洪水风险区域，还能够准确反映灾害大小，能直观展现水深的影响，准确反映同一区域不同高度的房屋、作物、居民财产等受灾害程度，通过洪水演进时洪峰到达的时间、程度、真实准确的破坏程度，洪水演变过程中，可以建立避灾路线、高地及场所，实现对风险图的高效管理，为防洪减灾提供科学决策依据。

无人机倾斜摄影测量的结果是在无人机平台搭载结合各种前言技术设备实现整个地理空间多种信息的收集。因此，它在城市的未来规划中将会得到更广泛的应用，以提高城市未来规划的科学合理性。

参考文献：
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[5]《全球定位系统（GPS）测量规范》(GB/T18314-2009)

[6]《1：500 1：1000 1:2000地形图航空摄影测量外业规范》（GB/T7931-2008）

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