顾及地面POS信息的空地一体城市三维实景重建_康停军.pdf

测绘通报年第期引 文 格 式：康 停 军，夏 义 雄，张 新 长，等顾 及 地 面信 息 的 空 地 一 体 城 市 三 维 实 景 重 建 测 绘 通 报，（）：-：-顾及地面信息的空地一体城市三维实景重建康 停 军，夏 义 雄，张 新 长，周 剑 锋（佛 山 市 测 绘 地 理 信 息 研 究 院，广 东 佛 山；广 州 大 学 地 理 与 遥 感 学 院，广 东 广 州）摘 要：实 景 三 维 模 型 为 数 字 孪 生 提 供 了 统 一 的 数 字 空 间 底 座。在 城 市 场 景 中，贴 近 地 面 及 在 空 中 视 角 下 被 遮 挡 的 地 物 是 实 景 三维 重 建 的 难 点。针 对 城 市 复 杂 空 间 环 境 和 无 人 机 飞 行 局 限 的 问 题，本 文 基 于 倾 斜 摄 影 与 空 地 一 体 融 合 建 模 的 基 础 理 论，考 虑信 息 对 空 地 一 体 空 三 融 合 的 影 响，提 出 了 一 种 顾 及 地 面信 息 的 城 市 实 景 三 维 重 建 方 法，并 使 用 此 方 法 对 佛 山 市 历 史 文 化 街 区进 行 了 精 细 化 建 模。试 验 表 明，与 常 规 方 法 相 比，该 方 法 的 模 型 效 果 好、效 率 高，对 实 景 三 维 产 品 的 生 产 与 空 间 数 据 多 尺 度 表 达 具有 重 要 意 义，可 为 数 字 孪 生 应 用 提 供 更 精 细 的 地 理 场 景 表 现 形 式。关 键 词：数 字 孪 生；地 面信 息；空 地 一 体；实 景 三 维 重 建中 图 分 类 号：文 献 标 识 码：文 章 编 号：-（）-，（，；，）：，-（）-，-，-，：；-；精 细 化 实 景 三 维 模 型 完 整 反 映 了 城 市 地 理 场景 全 貌，为 数 字 孪 生 城 市 的 构 建 提 供 了 统 一 的 数字 空 间 底 座。无 人 机 搭 载 专 业 航 摄 镜 头 制 作 城 市实 景 三 维 模 型 具 有 覆 盖 范 围 广、分 辨 率 高、效 果 真实、时 效 性 强 等 优 势，目 前 已 广 泛 应 用 于 数 字 城市 建 设。实 景 三 维 模 型 提 升 了 全 要 素 真 实 地 理 场景 的 表 达 能 力，然 而 面 对 城 市 复 杂 空 间 环 境 及 无人 机 作 业 能 力 的 局 限，在 贴 近 地 面 或 空 中 视 角 下被 遮 挡 的 地 物 在 三 维 重 建 时，存 在 纹 理 信 息 不 足或 丢 失 的 现 象，难 以 满 足 城 市 场 景 精 细 化 表 达 的要 求。近 景 摄 影 影 像 由 于 采 集 距 离 近、分 辨 率 高、信息 丰 富，因 此 融 合 近 景 影 像 开 展 空 地 一 体 化 实 景 三维 重 建 弥 补 了 航 拍 影 像 视 角 的 局 限 性，被 广 泛 应 用于 城 市 中 低 建 筑 物 的 纹 理 重 建。文 献 利 用 连 接点 融 合 了 大 范 围 倾 斜 摄 影 影 像 与 近 景 无 人 机 影 像；文 献 提 出 了 一 种 以 倾 斜 摄 影 与 三 维 激 光 扫 描 为主，地 面 近 景 多 视 角 拍 照 为 辅 的 空 地 多 数 据 互 辅 融合 三 维 模 型 重 建 方 法；文 献 提 出 了 一 种 无 人 机三 相 位 环 拍 视 频 匀 分 帧 建 模 方 法；文 献 提 出 了一 种 新 型 无 人 机 摄 影 测 量 技 术 优 视 摄 影 测 量的 方 法。然 而，这 些 技 术 对 天 气、拍 照 角 度、数 据 采集 有 较 高 的 要 求，融 合 空 三 的 成 功 率 较 低。通 过 连接 点 进 行 空 地 融 合 容 易 出 现 模 型 分 层，需 要 反 复多 次 添 加 连 接 点 进 行 空 三 解 算；激 光 点 云 数 据 由 于缺 乏 光 谱 信 息，融 合 地 面 像 片 的 工 作 量 较 大；基 于收 稿 日 期：-基 金 项 目：国 家 自 然 科 学 基 金 面 上 项 目（）作 者 简 介：康 停 军（），男，博 士，高 级 工 程 师，主 要 从 事 摄 影 测 量 的 生 产 与 研 究 工 作。-：通 信 作 者：张 新 长。-：年第期康 停 军，等：顾 及 地 面信 息 的 空 地 一 体 城 市 三 维 实 景 重 建三 相 位 环 绕 的 方 法 需 具 备 一 定 的 数 据 采 集 条 件，难以 在 城 市 高 楼、城 中 村 等 复 杂 测 区 分 层 采 集；优视 摄 影 测 量 适 用 于 城 市 大 范 围 场 景 建 模，但 贴 近地 面 的 纹 理 表 现 相 对 较 差。本 文 基 于 摄 影 测 量 与 空 地 融 合 理 论-，针 对 航空 摄 影 影 像 与 地 面 近 景 摄 影 影 像 在 光 照 条 件、拍 摄 角度、分 辨 率 等 方 面 的 差 异 等 导 致 的 匹 配 困 难 问 题，提出 一 种 顾 及 地 面（）信息 的 空 地 多 视 角 影 像 融 合 的 实 景 三 维 建 模 方 法，以 提升 空 地 融 合 建 模 效 率 与 表 达 效 果。期 望 在 完 成 大 场景 模 型 重 建 的 同 时，也 能 制 作 局 部 精 细 化 模 型，从 而为 构 建 真 实、立 体、直 观 的 数 字 孪 生 地 理 场 景 提 供 技术 支 撑。技 术 路 线顾 及 地 面信 息 的 空 地 一 体 城 市 实 景 三 维重 建 方 法 优 化 了 空 中 影 像 与 近 景 影 像 的 采 集 策 略，实 现 了 狭 窄 街 道、贴 近 地 面 地 物 与 空 中 视 角 影 像 数据 的 快 速 融 合。相 较 常 规 的 空 地 一 体 融 合 生 产 模式，本 文 在 采 集 地 面 近 景 影 像 时 记 录 初 始 拍 摄 点 的位 置、拍 摄 俯 仰 角 等信 息，利 用 特 征 匹 配 算 法建 立 初 始 拍 摄 点 与 其 他 地 面 像 片 之 间 的 相 对 关系，联 合 初 始 空 三 融 合 的 结 果 修 正 地 面 空 三 的 结果，反 复 迭 代 检 验 以 稳 固 空 地 影 像 的 位 置 姿 态 关系，最 后 采 用 严 格 配 准 的 光 束 平 差 法 进 行 融 合 空三，技 术 路 线 如 图所 示。.初始三维模型生成利 用 倾 斜 五 镜 头 相 机 采 集 空 中 影 像 并 生 成 初步 的 实 景 三 维 模 型，建 立 测 区 大 范 围 真 实 地 理 场 景底 图。在 底 图 上 选 取 需 补 充 纹 理 的 区 域，分 析 现 场存 在 的 高 楼、树 木 等 障 碍 物，规 划 空 地 补 拍 的 位 置和 角 度，保 障 飞 行 安 全，提 高 空 地 照 片 采 集 质 量。.空地数据补拍为 提 高 空 地 融 合 的 成 功 率，空 中 无 人 机 补 拍 点需 额 外 向 下 拍 摄 一 组 中 间 层 的 像 片；地 面 近 景 补 拍点 应 保 证 像 片 的 水 平 重 叠 度 达 到以 上，连 续 两张 像 片 的 拍 摄 角 度 小 于，并 拍 摄 一 组 与 中 间 层有 足 够 重 叠 度 的 像 片。图技 术 路 线.空三修正基 于 计 算 机 视 觉 的 多 视 图 几 何 三 维 重 建 过 程是 从 不 同 视 角 获 取 目 标 物 体 的 多 幅 视 图，从 视 图 中提 取 目 标 物 体 的 三 维 几 何 约 束 信 息，利 用 约 束 信 息即 可 实 现 景 物 的 三 维 重 建 方 法，核 心 算 法 包 含 特 征点 自 动 提 取、影 像 匹 配、光 束 法 平 差 模 型-等。光 束 平 差 法 是 像 点、目 标 方 位 点 和 中 心 点 在 一 条 直线 上 构 成 的 共 线 方 程，利 用 最 小 二 乘 法 进 行 计 算，逐 次 迭 代 趋 于 最 佳 值，公 式 为 （）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）式 中，、为 影 像 内 方 位 元 素；（，）为 像 点 在像 平 面 内 的 坐 标；（，）为 目 标 点在 物 方 空间 的 坐 标；（，）为 摄 像 点在 物 方 空 间 的 坐标；、（，）为 影 像个 外 方 位 角 元 素构 成 的 余 弦 值。近 景 摄 影 影 像 分 辨 率 高、画 幅 小，重 复、相 似 纹理 较 多，空 中 无 人 机 影 像 分 辨 率 低、视 角 远、画 幅大，空 地 像 片 直 接 融 合 容 易 出 现 如 图所 示 的 分 层或 根 本 无 法 匹 配 的 情 况，添 加 连 接 点 的 方 式 能 改 善空 地 影 像 重 新 定 向 效 果，但 是 选 取 多 少 个 连 接 点，选 哪 些 连 接 点 是 无 规 律 可 循 的，往 往 需 要 选 取 多 组连 接 点 进 行 尝 试，极 大 地 增 加 了 空 地 融 合 的 难 度 与测绘通报年第期不 确 定 性。图建 筑 物 模 型 分 层 错 误空 中 视 角 的 联 合 空 三 与 地 面 近 景 摄 影 的 空 三在 客 观 上 是 两 个 独 立 的 系 统，两 个 系 统 均 存 在 各 自的 系 统 误 差，若 不 依 赖 其 他 先 验 条 件 难 以 消 除 两 个系 统 之 间 内 部 的 误 差。本 文 引 入 地 面信 息 作为 约 束 条 件 辅 助 空 地 视 角 的 空 三 融 合，以 空 中 视 角的 联 合 空 三 结 果 为 基 准，采 用 特 征 同 名 点 匹 配 的 方式 修 正 地 面 空 三 的 结 果，使 空 地 影 像 的 位 置 姿 态 关系 更 加 稳 固，最 后 基 于 严 格 配 准 的 光 束 平 差 法 进 行融 合 空 三，得 到 最 终 空 地 空 三 融 合 的 结 果。.纹理映射基 于 空 地 融 合 空 三 的 解 算 成 果，利 用软 件 进 行 逐 像 素 的 密 集 匹 配，构 建 高分 辨 率、高 精 度 的 数 字 地 表 模 型，生 成 高 密 度 且 具有 自 然 纹 理 色 彩 的 点 云 数 据，提 取 并 优 化三 角网。根 据模 型 中 三 角 网 的 空 间 位 置 信 息，建立 地 物 几 何 信 息 与 纹 理 信 息 的 对 应 关 系，分 割 出每 个 三 角 面 片 最 优 的 纹 理 贴 图，实 现网 模 型 自动 纹 理 映 射，生 成 具 有 真 实 影 像 纹 理 的 三 维模 型。建 模 实 例 应 用.试验区祖 庙 街 道 位 于 佛 山 市 禅 城 区，具 有 千 年 历 史 文化 的 积 淀，区 域 内 有 祖 庙 博 物 馆、筷 子 路 等 多 个 历史 文 化 保 护 街 区，运 用 实 景 三 维 技 术 建 立 数 字 化 档案 对 于 历 史 文 物 活 化、文 化 传 承 等 具 有 积 极 作 用。本 文 选 取 了 片 区 内 面 积 约 且 具 有 代 表 性 的 历史 文 化 建 筑 街 区 建 立 大 范 围 场 景 实 景 三 维 模 型，选取 测 区 内 的 筷 子 路 古 建 筑 群 开 展 顾 及 地 面信息 的 城 市 三 维 实 景 建 模 方 法 的 试 验。.试验数据筷 子 路 位 于 佛 山 市 禅 城 区 快 子 路 北 连 升 平 路，南 接 莲 花 路，与 大 新 街、古 洞 街 交 汇，片 区 内 以 低 矮高 密 度 建 筑 为 主，高 层 建 筑 零 散 分 布 在 低 矮 建 筑 周边，最 高 建 筑 高 约，最 窄 巷 道 宽 不 足。单 一