倾斜摄影影像与实景三维模型精确融合技术研究与实现

图 1 实景三维建模方法流程 Fig.1 Real 3D modeling method flow
收稿日期:2020-10-30 作者简介:汪畅(1987—),男,湖北襄阳人,硕士研究生,工程师,研究方向:地理信息与可视化技术研究与应用。
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在计算机窗口中显示三维场景是通过透视投影实现 的, 具体到三维展示平台中, 相机接口模拟了人眼的位置 (Position)和角度(Angle),计算机窗口中显示什么样的三维 场景取决于相机的位置和角度, 即在哪里朝哪个方向拍 摄就显示什么地方的场景。
在三维场景中特定位置和角度的实景三维模型可以 用相应的影像叠加融合来显示, 以达到高清的显示效果, 弥补实景三维模型表面空洞、凹凸不平、存在空中悬浮物 等显示效果的不足。示例效果如图2 所示。
倾斜摄影测量技术获取的影像具有如下特点:(1)影像 具备多个位置、不同角度,基本覆盖顶面和侧面纹理;( 2) 搭载在低空飞行平台的传感器拍摄的影像具有高分辨率 和较大视场角的特点; ( 3 ) 同一目标区影像可能存在多重 分辨率;(4)经过空中三角测量计算、匹配的影像经过了畸
变矫正, 同时具备拍摄时刻相应相机的位置和姿态( 即外 方位元素) 。这些特点都为高清倾斜摄影影像与实景三维 模型精确融合显示提供了有利的条件。
准叠加在实景三维模型上,研究实现在三维漫游操作过程中影像与实景三维模型无缝切换显示。该技术应用于荆州市三维规
划辅助决策系统中,为规划提供了较好的现实展示效果。
关键词: 倾斜摄影影像；实景三维模型；精确融合
中图分类号:P237
文献标识码:A
文章编号:1007-9416(2021)01-0172-05
0 引言
汪畅1,2
(1.中冶集团武汉勘察研究院有限公司,湖北武汉 430080;2.中冶智诚(武汉)工程技术有限公司,湖北武汉 430080)
摘要: 针对实景三维模型表面空洞、凹凸不平、存在空中悬浮物、大比例尺下显示模糊和精度不高等问题, 提出了倾斜
摄影影像与实景三维模型精确融合技术,建立影像与实景三维模型在计算机窗口下的几何对应关系,在大比例尺下用影像精
第39卷 第1期 第202319年 卷1月
数字技术与应用 数D字ig技ita术l 与Te应ch用nologyw&
Vol.39 No.1 January 2021
设计开发
Hale Waihona Puke DOI:10.19695/12-1369.2021.01.54
倾斜摄影影像与实景三维模型精确融合技术研究与实现
1 实景三维建模方法
实景三维建模方法流程如图1 所示。( 1 ) 收集基础资料 并分析和预处理, 确保用于实景三维建模的数据完整、格 式正确;(2)将倾斜摄影影像进行空中三角测量,获得所有 影像的高精度外方位元素; ( 3 ) 基于畸变校正后的倾斜摄 影影像和高精度的外方位元素, 通过多视影像密集匹配, 获得高密度三维点云,构建3D TIN模型;(4)根据3D TIN 每个三角形面片的法线方程与二维图像之间的夹角选择 出相对应的最佳纹理信息, 并实现纹理的自动关联, 自动 计算输出实景三维模型成果[9]。
虽然倾斜摄影技术有诸多优势, 但也存在一些不足之
处, 如在航空摄影过程中存在拍摄死角, 在影像匹配过程 中缺乏特征点或者匹配点位不足等, 这些原因均会造成 建模软件自动生成的实景三维模型存在空洞或悬浮模 型。再则, 由于数学方法拟合、匹配点位不足、影像分辨率 过低, 原本平整的表面用实景三维模型显示表达为弯曲 的表面, 影响实景三维模型的几何精度和可视化效果[1]。 沈大勇研究利用悬浮模型边界自动探测、外包范围半自 动获取、悬浮模型自动删除等相关技术和方法, 实现了实 景三维模型中的悬浮模型删除[2]。沈大勇还探讨了以边界
需要注意的是, 中间成果数据( 相机的内方位元素、像 幅尺寸、像素大小、畸变参数、倾斜摄影影像的外方位元 素) 将作为后续实现精确融合的必要数据。
2 技术原理
倾斜摄影拍摄过程中所获取的影像均为高分辨率 影像, 每一张影像都具有当时拍照时刻相机的位置和姿 态, 在摄影测量学科中, 表示摄影中心和像片在地面坐 标系中的位置和姿态的参数称为外方位元素, 其中, 把 位置参数称为外方位直线元素, 姿态参数称为外方位角 元素[10]。
倾斜摄影技术是通过在同一飞行平台上搭载多台航 摄仪或传感器, 从垂直、倾斜等多个角度同时向地面拍摄 获取影像,并利用Street Factory、ContextCapture等建模 软件, 快速建立高精度的实景三维模型。相较于传统三维 建模方法, 倾斜摄影技术大大提高了三维重建的效率, 降 低了人工和时间成本, 实景三维模型也更加真实地还原 了地物的真实面貌。
3 技术设计与实现
3.1 建立倾斜摄影影像与实景三维模型的几何对应关系 根据摄影测量学中的共线方程, 由三维空间点坐标计 算出相应影像点的坐标。具体方程如下。
x-x0=-f
图 2 影像与实景三维模型叠加示例效果 Fig.2 Example effect of superposition of image and
汪畅: 倾斜摄影影像与实景三维模型精确融合技术研究与实现
2021年第 1 期
自动提取与三角网自动构建相结合的方式, 对三维模型 的空洞进行自动修补及纹理映射[3]。马红根据不用区域的 应用需求, 提出基于多源多尺度遥感数据的大范围实景 三维模型构建方法[4]。廖明伟将倾斜摄影测量大场景三维 和车载移动测量实景三维数据融合, 实现两种数据的优 势互补[5]。李鹏鹏开展了实景三维模型三维、规划、基础地 理空间数据等的多源数据融合技术研究与具体应用[6]。李 云、耿中元采用不同的算法, 解决了倾斜摄影地形和大场 景地形的融合问题[ 7 - 8 ] 。本文研究并实现倾斜摄影影像与 实景三维模型精确融合展示技术。与其他方法相比, 该技 术仅利用倾斜摄影工作过程中的原始数据, 不进行人工 干预处理, 实现更好的实景三维可视化效果和更清晰的 纹理展示。