基于倾斜摄影进行建筑物三维模型重建原理及方法.doc

1、基于倾斜摄影进行建筑物三维模型重建原理及方法【摘要】建筑物三维重建是获取建筑物三维结构信息的重要手段,在城市规划、灾害监测、通信设施建设和数字城市等领域具有非常广泛的应用。长期以来,它一直是摄影测量、遥感、计算机视觉、模式识别以及测绘等领域长期研究的重要课题。倾斜摄影技术是目前国际摄影测量领域的一项新技术。它不仅能够真实地反应地物情况，而且可通过先进的定位技术，嵌入精确的地理信息、更丰富的影像信息、更高级的用户体验，极大地提高了航空摄影影像处理的速度。本文将对基于倾斜摄影技术的建筑物三维建模方法进行介绍。 【关键词】建筑物三维重建倾斜摄影 中图分类号：P23 文献标识码：A 一 前言 目前国际

2、上具有代表性的研究机构有瑞士的苏黎世工业大学、德国的波恩大学、英国的牛津大学、法国国家信息与自动化研究所(INRIA)以及美国的南加州大学等,国内的研究机构主要有武汉大学、华中科技大学以及中科院遥感所等。 在几十年的发展过程中,三维重建方法研究呈现以下几个特点： 1 可用数据源越来越丰富,经历了由单一立体航空遥感影像对到多影像集成,再到多数据源融合的过程,新增数据包括 LIDAR、地面规划图、DEM、SAR、InSAR 等； 2 对建筑物的描述越来越细致,可重建的建筑物类型由简单的长方体模型到具有普遍意义的尖顶、人字形以及平顶多边形等,再到复杂独特的建筑物模型,从而可以更加细致地描绘建筑物的结

3、构,逐步提高模型可测量精度； 3 建立的商业系统或实验原型系统自动化程度越来越高,由最初的主要依靠人工完成到主要由机器自动完成,再到当前正在努力实现的全自动建筑物三维重建系统。目前已有多套成熟的商业半自动系统, 如 CC-Modeler、in-JECT、Ascender、ETIS 等。 与此同时倾斜影像技术的应用，使目前高昂的三维城市建模成本大幅降低，大大提高三维城市建模的速度。 特别要指出的是 2010 年 4 月 9 日，我国地理信息领域骨干企业北京天下图技术数据有限公司与美国 Pictometry 公司举行倾斜摄影技术签约仪式，这标志着我国测绘行业首次引进倾斜摄影技术。 二 倾斜摄影的基

4、本原理 1.1 倾斜摄影的基本原理 Pictometry 倾斜影像系统包含 5 个相机，其中一个获取底部区域范围的影像，其余四个同时获取东南西北方向的倾斜影像（如图 1 所示） 。 图 1 中心投影和倾斜投影原理对比图 Pictometry 倾斜影像系统获取了两个类别，两个级别的影像。一类是传统的垂直向下的影像; 另一类是四张倾角为 40在 60之间的倾斜影像。 倾斜影像系统的特点: 1)平均飞行高度 900 m。 2)正射相机的焦距 65 mm，平均地面分辨率 15 cm。 3)倾斜相机的焦距 85 mm，平均地面分辨率 1318 cm。 4)传感器尺寸 4 0082 672，像元大小 9

5、。 5)重叠度 30% 50%。 Pictometry 倾斜影像系统是在传统中心投影的基础上，另外增加了东南西北四个方向上以 40倾角的姿态同时采集影像，通过配备先进的GPS 设备使每张获取的影像都带有高精度地理位置信息。 1.2 倾斜影像效果 Pictometry 通过倾斜 40获取的影像，与垂直向下或俯拍的角度对比能展示更多的细节(如图 2 所示)，用户可以从不同的角度浏览视图，并且找到相关的细节。 图 2 同一地区的倾斜影像 三 基于倾斜影像进行三维城市建模的方法 在建立建筑物表面模型的过程中，相比垂直影像，倾斜影像有着显著的优点，因为它能提供更好的视角去观察建筑物侧面。Pictomet

6、ry 影像系统从不同方位采集倾斜影像的这一特点正好满足了建筑物表面纹理生成的需要。同一区域拍摄的垂直影像可被用来生成三维城市模型或是对由 LiDAR 数据生成的三维城市模型的改善。 2.1 改善三维城市模型 三维城市模型既可以从航空影像提取，也可以直接由 LiDAR 数据生成。在航空影像自动提取城市模型的过程中，通常采用影像匹配技术来提取建筑物的三维信息，而自动提取最主要的问题就在于如果出现影像遮盖或者阴影，就会出现影像匹配失败的结果。现代 LiDAR 系统能接收多次回波，并能穿透植被，这样一来就可以结合两次回波信息分析，减少影像遮盖造成的影响，如果采用首末两次的回波信息便可有效地提取建筑物模

7、型。 但是由 LIDAR 数据提取出来的三维模型并不准确。主要取决于以下几个因素: 点间隔、扫描角度、线提取算法的效果等。所以由 LiDAR 数据提取出来的三维模型需要改善，以便获得更准确的三维城市模型。这样，就需要把建筑物模型投影到带有三角地面控制点的垂直影像上。提取到的屋檐边缘与投影后的对应边缘通常只相差几个像素。因此我们需要建立一个仿射变换来纠正自动提取的三维模型，而转换参数可通过投影屋檐边缘与提取的边缘相差距离来评估出来。 2.2 选择合适的倾斜影像 由于影像重叠度，一个建筑物会同时出现在几张倾斜影像上。从这些影像中选择一张以提供最好的纹理。我们可以依据倾斜相机中心到建筑物表面中心的连

8、线与建筑物表面中心的通常视角之间的夹角给相关的倾斜影像进行评分，然后选择最高得分的影像为建筑物表面贴上纹理。因为 Pictometry 的倾斜影像都是在某个特定角度获取的，所以我们不选择通常视角而是选择包含在穿越通常视角的垂直飞机下的某个特定倾角的连线作为参考线，然后依据倾斜相机中心与建筑物表面中心的连线与参考线之间的夹角给相关倾斜影像评分。与此同时，还要进行一个可视性分析以判断该建筑物表面是否被其他建筑遮挡。 2.3 利用倾斜影像添加纹理 一旦选择好了最佳的倾斜影像，接下来要做的就是挑出正确的影像部分然后把它添加到建筑物表面。为了保证所挑出的影像部分是匹配的，我们有必要检查将建筑物表面投影到

9、倾斜影像上时是否与倾斜影像上的建筑物边缘吻合。投影后的建筑物边缘必须要和带有外方位元素的倾斜影像上的边缘保持吻合。然而，当我们直接使用 GPS/IMU 数据解算影像的外方位元素时，会出现投影后的建筑物边缘与影像上的建筑物边缘并没有完全吻合的情况。为了生成精确的三维城市模型，我们必须使用高精度的影像外方位元素。通常情况下，我们可以通过自动空三解算以得到准确的外方位元素。一旦有了精确的外方位元素，我们就可以通过把建筑物表面投影到带有改正后的外方位元素的倾斜影像上，从而选出正确的影像纹理部分并把它添加到三维建筑模型上。 参考文献 1 王继阳,文贡坚,吕金建,李德仁, 建筑物三维重建方法综述J, 遥感技术与应用, 2009(12) 2王伟，黄雯雯，镇姣，Pictometry 倾斜摄影技术及其在 3 维城市建模中的应用J，测绘与空间地理信息，2011(6) 3 季铮，近景目标三维重建的自动化方法研究D，武汉大学博士论文，2007 4 张祖勋,张剑清，城市建模的途径与关键技术J，世界科技研究与发展,2003 5 李镇洲，张学之，基于倾斜摄影测量技术快速建立城市 3 维模型研究 J，测绘与空间地理信息,2012(4)