目前，傳統(tǒng)大范圍三維城市數(shù)字建模的方法主要是測(cè)量建模的方法
采用外業(yè)人員手工拍照的方法，得到建筑物的結(jié)構(gòu)和紋理，然后通過(guò)內(nèi)業(yè)人員的處理，結(jié)合正射影像、測(cè)區(qū)平面矢量圖、屋頂矢量圖等數(shù)據(jù)，建立白模，通過(guò)拍攝的紋理分析模型的細(xì)部結(jié)構(gòu)，最后將拍攝的紋理處理后貼在白模上。傳統(tǒng)建模方法雖然能在模型精細(xì)度上有很好控制，但存在生產(chǎn)工藝復(fù)雜，生產(chǎn)成本高，工作強(qiáng)度大，模型生產(chǎn)效果不確定等不利因素，無(wú)法滿足城市大范圍快速建模的需要。
傾斜攝影技術(shù)是國(guó)際測(cè)繪領(lǐng)域近些年發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)高新技術(shù)它顛覆了以往正射影像只能從垂直角度拍攝的局限，通過(guò)在同一飛行平臺(tái)上搭載多臺(tái)傳感器，同時(shí)從一個(gè)垂直、四個(gè)傾斜等五個(gè)不同的角度采集影像，將用戶引入了符合人眼視覺(jué)的真實(shí)直觀世界。在國(guó)外，傾斜攝影技術(shù)歷經(jīng)了十幾年的發(fā)展歷程，如美國(guó)Pictometry公司的傾斜攝影測(cè)量系統(tǒng)，天寶公司的AOS系統(tǒng)等。2010年4月，北京天下數(shù)據(jù)技術(shù)有限公司首次引進(jìn)傾斜攝影技術(shù)，開(kāi)啟了中國(guó)航空傾斜攝影時(shí)代。2010年10月，劉先林院士團(tuán)隊(duì)率先研發(fā)成功了第一款國(guó)產(chǎn)傾斜相機(jī)SWDC－5，并成功完成了平頂山試驗(yàn)，是國(guó)內(nèi)傾斜相機(jī)的一大突破。
目前，通過(guò)傾斜攝影技術(shù)進(jìn)行三維建模主要是采用
StreetFactory或Acute3D公司的Smart3DCapture軟件進(jìn)行全自動(dòng)正攝影像和傾斜影像的聯(lián)合空中三角測(cè)量，全自動(dòng)化構(gòu)建三維模型，全自動(dòng)化貼紋理形成最終三維真實(shí)場(chǎng)景。上述建模方法在效率和宏觀優(yōu)勢(shì)上有著明顯的優(yōu)勢(shì)，但還存在以下問(wèn)題和不足，傾斜攝影在數(shù)據(jù)獲取方面會(huì)存在一定死角或數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)點(diǎn)足的問(wèn)題，造成在型匹配時(shí)存在模型扭曲變形，主要是建筑物或地物的底角部位；模型是以超高密度點(diǎn)云生成的DSM，不同于人工建?？梢钥刂颇Ｐ偷谋砻鏀?shù)量，通過(guò)計(jì)算機(jī)自動(dòng)處理會(huì)生成數(shù)量驚人的三角面，這對(duì)于編輯或是后續(xù)的數(shù)據(jù)管理及展現(xiàn)都提出了很高要求。
本文以某一城市區(qū)域?yàn)槔?，采用無(wú)人機(jī)搭載5個(gè)Canon5DMarKII數(shù)碼相機(jī)獲取不同方向的影像數(shù)據(jù)，利用中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院開(kāi)發(fā)的高分辨率遙感影像一體化數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)———PixelGrid（以下簡(jiǎn)稱PixelGrid）進(jìn)行全自動(dòng)正攝影像和傾斜影像的聯(lián)合空中三角測(cè)量，獲取每張像片的外方位參數(shù)，然后通過(guò)該課題組開(kāi)發(fā)的基于傾斜攝影技術(shù)和3dsMax插件開(kāi)發(fā)的半自動(dòng)三維建模平臺(tái)，完成了該城市區(qū)域的三維模型構(gòu)建。該平臺(tái)集量測(cè)、建模、紋理自動(dòng)獲取、紋理映射、三維模型快速編輯等功能于一體，提供了一種實(shí)用的、快捷高效的半自動(dòng)城市建模方案，避免了基于超高密度點(diǎn)云匹配生成DSM的三維建模方法存在的數(shù)據(jù)量大等問(wèn)題。
無(wú)人機(jī)傾斜攝影系統(tǒng)
相關(guān)參數(shù)
此次試驗(yàn)采用無(wú)人機(jī)搭載5個(gè)Canon5DMarKII數(shù)碼相機(jī)獲取不同方向的影像數(shù)據(jù)，如圖1所示，3號(hào)相機(jī)獲取傳統(tǒng)的垂直向下的影像，其余4個(gè)相機(jī)傾角為40°，獲取傾斜方向的影像，同時(shí)搭載GPS/IMU設(shè)備獲取3號(hào)相機(jī)曝光時(shí)刻的地理位置信息和姿態(tài)信息。相關(guān)參數(shù)
如下：
?、倨骄w行高度450m；
?、谡龜z相機(jī)的焦距35mm，傾斜相機(jī)的焦距51mm，地面分辨率平均約0．08m。
?、蹅鞲衅鞒叽鐬?616×3744個(gè)像素，像元大小6．41u。
④航向重疊度80%，旁向重疊度70%。
圖1相機(jī)位置分布圖
無(wú)人機(jī)傾斜影像效果
傾斜攝影技術(shù)通過(guò)在同一飛行平臺(tái)上搭載多臺(tái)傳感器，同時(shí)從垂直角度和多個(gè)傾斜角度采集影像，避免傳統(tǒng)航拍的拍攝遮擋和拍攝死角問(wèn)題，很好地采集了建筑物側(cè)面的紋理信息，如圖所示。在此次試驗(yàn)中，由于旁向重疊度和航向重疊度都很高，一個(gè)建筑物會(huì)同時(shí)出現(xiàn)在70多張傾斜影像上。
空中三角測(cè)量
目前，進(jìn)口傾斜攝影的后處理軟件在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用推
廣以法國(guó)ASTＲIUM公司的StreetFactory、法國(guó)Acute3D公
司的Smart3DCapture為代表。上述系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理方式如下：將正攝和傾斜的影像數(shù)據(jù)、POS數(shù)據(jù)等輸入到系統(tǒng)中，進(jìn)行正攝和傾斜影像的自動(dòng)聯(lián)合空中三角測(cè)量，密集匹配DSM，構(gòu)建三維模型，自動(dòng)貼紋理最終形成真實(shí)三維場(chǎng)景。國(guó)內(nèi)尚無(wú)較為高效完善的傾斜攝影三維建模解決方案，比較有代表性、能夠進(jìn)行工程化應(yīng)用的是北京東方道爾公司和武漢華正公司的后處理技術(shù)，不過(guò)兩者的后處理建模都需要LIDAＲ數(shù)據(jù)的支持，前者是半自動(dòng)的人工交互式生產(chǎn)，后者基本能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)，每個(gè)傾斜攝影工程都需要飛兩種設(shè)備，作業(yè)門(mén)檻和成本都偏高，三維模型的效率雖然較傳統(tǒng)方式有較大進(jìn)步，然而與國(guó)外的后處理技術(shù)相比還是偏低。
本次試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理采用了中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院Pix-elGrid課題組開(kāi)發(fā)的傾斜攝影空三加密系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠完成正攝和傾斜影像的自動(dòng)聯(lián)合空中三角測(cè)量，但是后續(xù)的密集DSM匹配等功能還尚未完善，其建模方式采用基于3dsMax插件開(kāi)發(fā)的半自動(dòng)三維建模。其中空三加密采用基于POS的空中三角測(cè)量，未加入外業(yè)控制點(diǎn)，大概處理流程如圖所示，步驟如下：
1）將正攝和傾斜影像數(shù)據(jù)進(jìn)行相機(jī)檢校和改正；
2）因只有正攝影像具有相應(yīng)的POS數(shù)據(jù)且精度不高，在做空三加密時(shí)，先采用PixelGrid系統(tǒng)做正攝影像的空三加密，
獲得正攝影像精確的外方位元素；
3）在已有正攝影像精確外方位元素的基礎(chǔ)上，根據(jù)相機(jī)的擺放位置關(guān)系，三個(gè)線元素不變，將航向傾角和旁向傾角分別加或減40°，推理得到其他傾斜數(shù)據(jù)的粗略外方位元素；
4）將正攝和傾斜影像的外方位元素作為初始POS數(shù)
據(jù)導(dǎo)入PixelGrid系統(tǒng)中進(jìn)行聯(lián)合空中三角測(cè)量，精確求得每張像片的外方位元素，其相對(duì)定向中誤差約2/3像素。
基于傾斜攝影和3dsMax的三維建模
總體建模思想
基于傾斜攝影與3dsMax插件開(kāi)發(fā)技術(shù)的建筑物快
速建模路線。首先將獲取的影像進(jìn)行空中三角量測(cè)并獲得高精度的外方位元素；其次，3dsMax插件根據(jù)提供的外方位元素和共線方程實(shí)現(xiàn)基于傾斜影像
的建筑物多片立體量測(cè)并將測(cè)得的數(shù)據(jù)輸入3dsMax平臺(tái)生成三維模型；然后，根據(jù)三維信息提取模型每個(gè)面在影像上相應(yīng)的最佳紋理信息，并實(shí)現(xiàn)紋理自動(dòng)映射；最后，將模型輸出。
建模過(guò)程
建模包括地面建模和建筑物建模。地面建模采用將數(shù)字高程模型DEM構(gòu)成TIN，然后疊加DOM生成。建筑物建模采用中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院開(kāi)發(fā)的基于3dsMax插件開(kāi)發(fā)的半自動(dòng)三維建模平臺(tái)。該平臺(tái)將建筑物根據(jù)屋頂結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行分類，將建筑物分為簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)建筑和復(fù)雜結(jié)構(gòu)建筑。在簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)建筑物中，
根據(jù)屋頂形態(tài)細(xì)分為平屋頂建筑物、坡屋頂建筑物和圓柱型建筑物。復(fù)雜建筑物的界定主要是指那些利用簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)量測(cè)建模方法及其組合不能夠很好地構(gòu)建、在屋頂結(jié)構(gòu)上較復(fù)雜且無(wú)特定規(guī)律可尋的一類建筑物。在實(shí)際建模過(guò)程中，根據(jù)所要構(gòu)建模型的類型，有針對(duì)性地采集或量測(cè)，可以有效提高建模效率，以減少建模人員的工作量。
結(jié)束語(yǔ)
本文簡(jiǎn)要介紹了無(wú)人機(jī)傾斜攝影系統(tǒng)，利用中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院開(kāi)發(fā)的高分辨率遙感影像一體化數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)———PixelGrid完成無(wú)人機(jī)傾斜攝影的后續(xù)數(shù)據(jù)處理，并通過(guò)該課題組開(kāi)發(fā)的基于傾斜攝影技術(shù)和3dsMax插件開(kāi)發(fā)的半自動(dòng)三維建模平臺(tái)完成試驗(yàn)區(qū)域的三維建模，實(shí)現(xiàn)了具有真實(shí)感三維場(chǎng)景的快
速構(gòu)建，能與傳統(tǒng)航測(cè)產(chǎn)品生產(chǎn)工藝有機(jī)融合，從而延伸傳統(tǒng)航測(cè)產(chǎn)品線。
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