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倾斜摄影测量与三维建模

发表时间：2021/6/29 来源：《基层建设》2021年第6期作者：陈博

[导读] 摘要：随着倾斜摄影测量技术快速发展和日益成熟，越来越多的领域开始应用该项技术进行多角度影像测量。

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        摘要：随着倾斜摄影测量技术快速发展和日益成熟，越来越多的领域开始应用该项技术进行多角度影像测量。本研究介绍了倾斜摄影测量和三维建模技术的相关理论基础，着重阐述了基本原理及相关技术，对倾斜摄影测量中的影像匹配、空中三角测量和纹理影射做一个简单刨析，从而讨论了在三维建模中的应用。
        关键词：倾斜影视测量；三维建模；
        1 引言
        三维模型作为实物的三维描述，能够真实反应客观形态，将多种类信息集成在一个模型中。现阶段，三维模型的主要应用领域包括以下几个方面：第一，旅游景区应用三维模型来进行开发设计、景区宣传、景区规划。第二，在建筑领域的建筑物设计、展示、表现等方面应用三维模型来进行。第三，在工程开发领域中，将三维模型应用于设备的设计开发、产品展示等过程中。第四，在许多城市的规划过程中，通常将三维建模应用于数字城市建设、城市整体规划、城市风景展示等方面。
        摄影测量技术以其精度高、成本低、测量范围广等优势逐步发展成为应用最为广泛的三维建模方法之一。但传统的摄影测量技术仅能获取实物顶端和高度信息，无法获取实物东南西北四个方向的影像，存在实物信息不够完整的弊端。倾斜摄影测量技术有效解决了以往摄影测量技术存在的问题，能够获取实物各个方向的纹理信息图像，通过倾斜摄影测量技术构建的三维模型能够有效反应实物的真实情况，为构建三维模型提供了一种更为有效的方法。
        2 研究的主要目的及意义
        倾斜摄影测量作为最近几年新兴的测量技术，已经逐渐成为航空影像测量领域的研究热点，越来越多的研究者都在探析如何有效运用多视角倾斜摄影测量影像准确快速的构建实景三维模型。从目前学者们的研究成果来看，关于倾斜摄影测量三维建模的应用更多集中在城市三维建模研究中，鉴于此，本文运用倾斜摄影测量技术原理和建模技术做一个结合，为今后地形地貌测量测量提供了一种新的测量思路，为倾斜摄影测量技术的研究具有一定的理论参考价值，对于倾斜摄影测量三维建模技术应用具有一定的推动作用。
        3 倾斜摄影测量基本原理
        倾斜摄影测量作为一种新型多角度测量技术，打破了以往摄影测量中侧面信息获取难度大的瓶颈，借助四个倾斜角度摄像机能够实现对角度摄影测量，能够获得实物的顶部图像和东南西北四个角度的影像，以及各个角度图像的内外方位元素，并且对于实景的还原度较高，摄像的分辨率较高，图像纹理信息丰富。倾斜摄影测量的基本原理同样不同于传统的摄影测量技术，主要应用的是空间前方交会原理，运用共线条件方程来求得图像同名点坐标，模型的点坐标求解依据图像外方位元素。通过倾斜影视测量技术获取地面某点的两张或多种图像的点坐标和内外方位元素，再运用前方交会原理则可以构建该点的三维数据信息，最终完成倾斜摄影测量。
        4 倾斜摄影测量相关技术
        4.1 影像匹配
        从本质上讲，影像匹配就是确定出不同影像的同名像点，它是建立三维模型和数字表面模型的基础，因此，影像匹配将直接影响三维建模的质量。倾斜摄影测量相比于传统的摄影测量能够够获取更多角度的影像数据信息，同时能够运用自身的多视影像信息对错误进行修正匹配，还能对一些拍摄盲区进行特征补充，但是倾斜摄影测量无法应用以往传统的影像匹配，而需要采用更多的匹配基元来确保影像匹配的精度。从匹配原理上区分，影像匹配主要依据不同的原理进行分类，包括基于特征、基于模型、基于灰度等集中匹配方法。一般情况下，倾斜摄影测量软件中应用较多的匹配方式是基于特征的影像匹配，这主要是由于该种方法匹配精度较高，同时适应能力也较强。此外，高斯金字塔影像匹配法由于其匹配精度较高的特点，也是目前应用较多的影像匹配方式。

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        4.2 空中三角测量
        空中三角测量指的是利用倾斜摄影测量目标与所获取照片间的几何关系，借助一些已知像片控制点来计算待求点的平面坐标、高程以及外方位元素进的测量方法。空中三角测量是倾斜摄影测量结算过程中的关键环节，它的精度也会直接影响最终三维建模的质量，其目的主要是在缺少控制点情况下，给出一些绝对定向的目标测量区域控制点。现阶段在影像测量领域中，应用较多的空中三角测量方法是基于共线方程的光束法区域网平差，这种方法中的基本单元是图像中对应的光束。为了成对的相交模型中的公共点，光束法区域网平差的原理是变化图像中的光束位置，再在一个物方坐标系中归入全部的测量影像，最后通过平差计算获取到所有测量图像的外方位元素、高程以及平面坐标。经过光束法区域网平差空中三角测量，能够计算出照片所在的坐标信息和准确外方位元素，进而获取到构建三维模型所需的数据信息。
        4.3 纹理映射
        纹理映射是一种常用的计算机图形处理技术，主要过程是运用计算机技术将照片中的纹理像素投射到屏幕空间中的像素，能够使复杂的测量区域呈现出较好的真实感。纹理映射技术相比于传统的模型处理技术能够真实展现出实物的特征，实物景象通过丰富的纹理细节呈现出模型的真实效果。纹理映射的目的是为了获取真实色彩视觉效果的三维模型，这一过程的实现主要是将二维空间的相应颜色或灰度值映射到三维物体表面，以构建三维物体表面点和二维空间点间的对应关系。
        目前，应用较广的纹理映射方法主要可以包括：正向与逆向纹理映射法、倾斜摄影纹理映射法、两步纹理映射法三种。正向纹理映射与逆向纹理影视方法的区别在于纹理映射方向不同，前者是将二维纹理空间中函数利用映射函数映射到三维物体表面上，而逆向的纹理映射恰恰相反。两步纹理映射法主要过程是先将纹理图片映射到如圆柱面、球面、平面等中间面上，再构建中间面与纹理映射目标物体间的关系，也就是分为两个步骤进行纹理映射。倾斜摄影纹理映射法主要是将三维建模中的纹理映射方法与遥感影像相结合的一种纹理映射方法，其过程为应用倾斜摄影测量获取的内方位元素来匹配三维模型和二维影像中相对于的线段，再充分考虑影像的质量问题，渲染高质量的纹理储备库。
        5 倾斜摄影测量三维建模
        倾斜摄影测量的目的将获取到的二维影像进行三维模型重建，从而得到所需的三维模型信息。倾斜摄影测量所得的二维影像经过三维模型重建有效弥补了二维数据信息的不足之处，能够更加直观、更深层次的展现出地物之间的空间形态，更加便于于对环境、城市、自然资源等的可视化规划管理。
        本次对倾斜摄影测量在三维建模中的应用研究工作主要为三个部分。首先是影像数据的获取部分，数据的获取是后续三维建模的基础，同时数据获取的质量也直接影响最终三维建模的成果。其次是影像处理部分，主要是应用多视影像处理方法对获取的影像数据进行多视影像区域网联合平差处理。最后是三维模型的建立，获取的影像数据信息经过处理之后可以开展三维建模，应用Smart3D Capture全自动三维建模系统获得三维模型。此次主要是研究倾斜摄影测量三维建模的理论可行性，
        结语
        以往关于倾斜摄影测量三维建模的研究更多集中在城市的三维测量，很少有学者对山体进行测量，本文将山体作为倾斜摄影测量三维建模的研究对象，通过实际测量验证了倾斜摄影测量三维建模技术可以实现山体的三建模测量。从最终的山体三维建模成果来看，倾斜摄影测量在山体三维建模中的应用效果较好。
        参考文献：
        [1]王佩军，徐亚明.摄影测量学[M].第二版，武汉：武汉大学出版社.2012.
        [2]包丹丹.倾斜摄影测量的空三精度和三维模型精度的评估方法研究[D].天津师范大学，2017.