1、摘要目前，數(shù)字城市建模主要有三種方式：利用三維建模軟件人工建模、利用激光點(diǎn)云建模、利 用航空立體像對(duì)建模。利用三維建模軟件，如3ds max、autocad、sketchup,進(jìn)行建模屬 于傳統(tǒng)方式，雖然能在模型精細(xì)度上冇很好控制，但無(wú)法滿足城市大范圍快速建模的需要。 激光點(diǎn)云建模雖然口動(dòng)化程度高，但會(huì)遇到點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理復(fù)雜和紋理信息缺失等難點(diǎn)問題。 航空影像在成木、覆蓋度、自動(dòng)化程度上優(yōu)勢(shì)明顯，可以通過(guò)像對(duì)匹配點(diǎn)云或捉収線要素等 方式對(duì)建筑物進(jìn)行三維重建，所以目前使用最普遍的是利用航空立體像對(duì)構(gòu)建數(shù)字城市。但 在紋理重建方血，由于航空影像只有下視，經(jīng)常出現(xiàn)遮擋、拍攝死角現(xiàn)象，導(dǎo)致建筑物側(cè)面 紋

2、理信息缺失，影響重建速度和質(zhì)量。現(xiàn)冇的利川航空立體像對(duì)進(jìn)行建模的軟件產(chǎn)品中，大 多數(shù)只能構(gòu)建簡(jiǎn)單建筑物，對(duì)模型的編輯修改支持也較弱，實(shí)用性受到限制。基于以上這些 局限性，本文提出基于傾斜攝影技術(shù)與3ds max插件開發(fā)技術(shù)的建筑物三維重建方法。為了便于對(duì)基于傾斜攝影技術(shù)與3ds max插件開發(fā)技術(shù)的建筑物三維重建的方法和 理論進(jìn)行探討，木文還研發(fā)了相應(yīng)的最測(cè)建模平臺(tái)，通過(guò)此平臺(tái)驗(yàn)證該建模新方法的可行性 和實(shí)用性。本文的研究?jī)?nèi)容主要集中在四個(gè)方而：多片立體量測(cè)方式和建模策略的研究；簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)建筑 物雖測(cè)建模流程和算法的研究；復(fù)雜結(jié)構(gòu)建筑物量測(cè)建模流程和算法的研究；建筑物紋理信 息的白動(dòng)獲取和映射的

3、研究。（1）多片立體量測(cè)建模策略的研究考慮到建筑物結(jié)構(gòu)的多樣性，本文結(jié)合立體量測(cè)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了總體的量測(cè)流程，并將建筑 物按照屋頂類型進(jìn)行了分類，以便針對(duì)特定類型進(jìn)行具體修改和實(shí)現(xiàn)。（2）簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)建筑物量測(cè)建模流程和算法的研究結(jié)合3ds max白身強(qiáng)大建模功能，對(duì)不同類型建筑的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)相應(yīng)的量測(cè)建模流 程及算法，如針對(duì)坡屋頂結(jié)構(gòu)建筑，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于向量間夾角和最近距離的判別算 法和基于可見性的向量夾角與最近距離判別算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)單屋脊和多屋脊房屋建模。（3）復(fù)雜結(jié)構(gòu)建筑物眾測(cè)建模流程和算法的研究本文將無(wú)法用簡(jiǎn)單建筑建模算法建模的所有類型建筑歸類為復(fù)朵結(jié)構(gòu)建筑，這類建 筑主要體現(xiàn)在特征線明顯但

4、無(wú)規(guī)律可尋，為此，基于嵌入式構(gòu)網(wǎng)的思想和3ds max 口身 接口的特性，木文提出基于可見性的填充剖分構(gòu)網(wǎng)建模算法，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)算法的實(shí)用 性和穩(wěn)定性進(jìn)行了評(píng)估。（4）建筑物紋理信息的口動(dòng)獲取和映射的研究本文通過(guò)紋理定位、角度判別，從傾斜影像中篩選出所需的備選影像，并根據(jù)詢?nèi)说乃枷胱?出的改進(jìn)紋理優(yōu)選算法，實(shí)現(xiàn)最住紋理數(shù)據(jù)源的選樣；通過(guò)最小面積矩形的求解，實(shí)現(xiàn)紋理 信息的最小面積提取；根據(jù)紋理映射原理和紋理坐標(biāo)分配原理，實(shí)現(xiàn)紋理的正確映射。關(guān)鍵詞：傾斜攝影；3ds max插件開發(fā)；三維重建；城市建模論文類型：應(yīng)用基礎(chǔ)與應(yīng)用技術(shù)研究abstract1緒論1.1研究背景“數(shù)字城市”概念的提出己由來(lái)

5、己久，近些年己廣泛的應(yīng)川于各行各業(yè)，如城市規(guī)劃建 設(shè)、交通導(dǎo)航、物流管理、旅游購(gòu)物、房地產(chǎn)等行業(yè)，“數(shù)字城市”不僅提高了城市規(guī)劃管 理等各方面工作的效率，它還為人們提供了一種認(rèn)識(shí)城市的全新的理念，為城市的快速擴(kuò)張 和變化提供一種町?dāng)U展的管理手段，實(shí)現(xiàn)城市的可持續(xù)發(fā)展。建筑物的三維模型構(gòu)建作為城 市各種復(fù)雜倍息的空間載體及實(shí)現(xiàn)數(shù)字城市的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，直接涉及到城市規(guī)劃管理的效率, 普通人眾的使用休驗(yàn)。目前，數(shù)字城市三維建模的數(shù)據(jù)主要來(lái)源于航空影像，衛(wèi)星影像和近景影像三種類型, 航空影像因英地面分辨率較高，覆蓋范圍廣，能夠獲取精確的成像參數(shù)，相對(duì)成木較低等特 點(diǎn)，被最早推廣用于三維城市建模。高分辨率衛(wèi)

6、星影像在近些年應(yīng)用較多，主要得益于成熟 的商業(yè)化模式，目前商用高分辨率衛(wèi)星主要有spot-5、ikonos、quickbird等，從這些衛(wèi)星 中獲取的圖像經(jīng)過(guò)輻射校正后也能達(dá)到相當(dāng)高的精度，而只覆蓋范圍授廣，結(jié)合衛(wèi)星變軌或 相機(jī)側(cè)擺等方式，同一地域的重訪周期人人縮短，非常有利于對(duì)目標(biāo)場(chǎng)景三維信息的快速更 新。然而，采用這兩種影像構(gòu)建的三維模型存在著建筑物側(cè)面紋理信息不足、遮擋嚴(yán)重的問 題。近景影像可以獲得場(chǎng)景fi標(biāo)的更精細(xì)和更全面的描述，獲取方式簡(jiǎn)單，更重要的是能夠 獲得場(chǎng)景目標(biāo)的側(cè)血紋理，但該移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)只適合対道路兩旁建筑物進(jìn)行測(cè)量，対建筑物 頂部和地形復(fù)雜的建筑物無(wú)法拍攝，覆蓋范圍有限。

7、近年來(lái)國(guó)際地理信息領(lǐng)域?qū)鹘y(tǒng)航空攝影技術(shù)和數(shù)字地面采集技術(shù)結(jié)合起來(lái)發(fā)展了一 種稱為機(jī)載多角度傾斜攝影的高新技術(shù)，簡(jiǎn)稱傾斜攝影技術(shù)。傾斜航空攝影是利用傾斜航空 相機(jī)獲取地物信息的一種新型的航空攝影技術(shù)，它突破了傳統(tǒng)航空影像只能從垂直角度拍攝 的局限，這項(xiàng)技術(shù)通過(guò)在同-飛行平臺(tái)上搭載多臺(tái)傳感器，同時(shí)從一個(gè)垂直、三個(gè)或多個(gè)傾 斜等不同的角度采集影像（圖1.1）,很好的采集了建筑物側(cè)面的紋理信息。從而克服了傳 統(tǒng)航空攝影技術(shù)只能從垂肓角度進(jìn)行拍攝的局限性，能夠更加真實(shí)地反映地物的實(shí)際悄況, 彌補(bǔ)了正射影像的不足。航空傾斜影像不僅能夠真實(shí)地反映地物悄況，而幾能通過(guò)采用先進(jìn) 的定位技術(shù)，嵌入精確的地理信息

8、、更豐富的影像信息，帶來(lái)更高級(jí)的用戶體驗(yàn)，傾斜攝影 技術(shù)的引進(jìn)和應(yīng)用還大幅度的節(jié)省了三維城市建模的成本。正是山于傾斜影像的這些優(yōu)勢(shì), 該技術(shù)已被歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家廣泛應(yīng)用于應(yīng)急指揮、國(guó)土安全、城市管理、房產(chǎn)稅收等行業(yè)。傳統(tǒng)的航空航天攝影測(cè)量技術(shù)主要針對(duì)地形地物頂部進(jìn)行測(cè)量，對(duì)起伏明顯的地形，地 物側(cè)面的紋理和三維兒何結(jié)構(gòu)等信息獲取一直i 分冇限，傾斜攝影測(cè)量因此成為近年來(lái)國(guó)際 上發(fā)展十分迅速的一項(xiàng)高新技術(shù)。本文簡(jiǎn)要評(píng)述了幾種典型的傾斜攝影測(cè)量軟硬件系統(tǒng)，分 析了傾斜攝影測(cè)量的關(guān)鍵技術(shù)，總結(jié)提煉了傾斜攝影測(cè)量技術(shù)發(fā)展的主要趨勢(shì)和研究要點(diǎn)。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀城市內(nèi)存在著數(shù)百乃至數(shù)千的建筑物,單純依靠

9、人工來(lái)完成眾多建筑物的幾何建模及墻 面紋理影像的采集、粘貼等工作將是極其耗時(shí)、耗力的煩瑣過(guò)程，為此，自動(dòng)或半自動(dòng)化的 建筑物三維模烈構(gòu)建已成為國(guó)內(nèi)外研究的重點(diǎn)，引起了包括攝影測(cè)量界、計(jì)算機(jī)視覺界在內(nèi) 的廣大專家、學(xué)者的注意,以至于2008年第21屆isprs大會(huì)和2011年第53屆德國(guó)攝影測(cè) 量周，傾斜攝影測(cè)量技術(shù)都是大會(huì)的主要議題z并在如何從單、多幅影像上構(gòu)建建筑物三 維模型進(jìn)行了深入的研究，試圖找出一條經(jīng)濟(jì)、方便、可行的解決辦法，并取得了一定的成 果。下文從數(shù)據(jù)獲取、已冇相關(guān)研究成果和現(xiàn)存問題三個(gè)角度，對(duì)ii前國(guó)內(nèi)外對(duì)數(shù)字城市建 模的研究現(xiàn)狀進(jìn)行系統(tǒng)闡述，并最終提出本文對(duì)城市建模研究的觀點(diǎn)

10、。1.2.1建筑物三維數(shù)據(jù)的獲取技術(shù)城市建筑物三維建模數(shù)據(jù)常用的數(shù)據(jù)源有中高空航天航空影像、低空影像、地而近景影像、 機(jī)載或車載激光掃描儀獲取的高密度三維點(diǎn)云等。在城市構(gòu)建過(guò)程小，數(shù)據(jù)采集的方式不同，往往導(dǎo)致模型構(gòu)建的方法及流程的千差萬(wàn)別, 為此，許多不同領(lǐng)域的學(xué)者，如攝彩測(cè)最領(lǐng)域，遙感領(lǐng)域，計(jì)算機(jī)視覺領(lǐng)域，地理信息系統(tǒng) （gis）領(lǐng)域等，從自身對(duì)數(shù)據(jù)獲取技術(shù)的理解出發(fā)，提出了相關(guān)的自動(dòng)化或半自動(dòng)的城市 三維重建技術(shù)，并取得了不同程度的進(jìn)展。冃前較常見的數(shù)據(jù)獲取技術(shù)見下表平臺(tái)分類航天中高空低空地而傳感器分類衛(wèi)星激光雷達(dá)相機(jī)：如 leica公司的 r系列， ads40系列；zeiss ram 系

11、 列；哈蘇120 型等和機(jī)掃描儀、全站儀內(nèi)業(yè)相關(guān)軟 硬件分類數(shù)字?jǐn)z彩測(cè) 量工作站全自動(dòng)空三 軟件三維建模軟 仆測(cè)圖軟件1.2.1.1中高空.航天攝影測(cè)量領(lǐng)域中高空航空航天攝影測(cè)量能夠得到地而高程信息、地物地貌信息，對(duì)有明顯輪廓的建筑 物能捉供較高的三維重建梢度，是目前城市建筑物三維信息獲取主要的手段之一。圖1-3 所示為航空攝彩測(cè)量方式獲取的建筑物影像。航空攝影測(cè)量方式不能有效提供建筑物立面紋 理信息，在建筑物密集區(qū)會(huì)有遮掩，需配合地面攝影進(jìn)行補(bǔ)充。圖1-3航空攝影測(cè)量figure 1-3 aerial photogrammetry目前航空影像具有地面分辨率高（最高達(dá)亞分米級(jí)，覆蓋度廣），獲取

12、成本相對(duì)較低等 優(yōu)勢(shì)，因此采用航空影像數(shù)據(jù)建模已被廣泛接受，在一些商業(yè)重建系統(tǒng)中已成為主要數(shù)據(jù)源4 0日前，人多數(shù)航空攝影系統(tǒng)都配備了 gps/ins等定位設(shè)備，通過(guò)這些定位設(shè)備提供的 精確地成像參數(shù)，如空間位置信息、姿態(tài)信息等，可以獲得準(zhǔn)確的建筑物三維信息，從而實(shí) 現(xiàn)模型重建。陳岡等人針對(duì)利用航空遙感影像進(jìn)行道路、建筑的提取和陰影的檢查進(jìn)行深入 研究，提出基于水平集的房屋提取方法和基于snake和gvf模型的道路提取法，提高了提取 精度，并且在道路提収上収得了較好的效果。衛(wèi)星遙感影像獲取。近些年衛(wèi)星傳感器技術(shù)發(fā)展突飛猛進(jìn),尤其是高分辨率衛(wèi)星遙感領(lǐng) 域，一些高分辨率衛(wèi)星已成功商業(yè)應(yīng)用,如wor

13、ldview> spot-5 > ikonos、quickbird等, 它們的地而分辨率最高可達(dá)0.4米。相對(duì)于航空影像，衛(wèi)星影像的覆蓋范圍更廣。張劍清、 史文中、曹輝等人利用了有理多項(xiàng)式（rpc）恢復(fù)ikonos立體影像的模型，在virtuozo ± 實(shí)現(xiàn)了基于冇理多項(xiàng)式（rpc）恢復(fù)ikonos立體影像的模型方法，并通過(guò)快速影像匹配技 術(shù)，牛成了數(shù)字地面模型dem和正射影像，實(shí)現(xiàn)了手動(dòng)和半自動(dòng)人工地物的采集，獲取基 于不同傳感器所獲得影像的建筑物表而紋理，從而實(shí)現(xiàn)了基于高分辨率影像的三維城市建模topex4>oseidonlandsatspot r目前部分高分辨

14、率衛(wèi)星空間圖1-2.1.2機(jī)載激光雷達(dá)領(lǐng)域機(jī)載激光靂達(dá)（lidar, light detection and ranging）是近些年來(lái)發(fā)展的新的探測(cè)技術(shù)， 是激光測(cè)距技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、高精度動(dòng)態(tài)載體姿態(tài)測(cè)量技術(shù)（ins）和高精度動(dòng)態(tài)gps差 分定位技術(shù)迅速發(fā)展的集中體現(xiàn)，代表了對(duì)地觀測(cè)領(lǐng)域的一個(gè)新發(fā)展方向，為快速高效獲取 被測(cè)區(qū)三維信息提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。它可以快速、主動(dòng)、實(shí)時(shí)、直接獲得大范圍地表 及地物密集采樣點(diǎn)的三維信息，是一種新型快速的三維空間信息獲取技術(shù)。機(jī)載激光雷達(dá)測(cè) 量技術(shù)作為一種新興的空間對(duì)地觀測(cè)技術(shù)，在三維空間信息的實(shí)時(shí)獲取方面產(chǎn)生了重人突破, 引起了測(cè)繪、林業(yè)等相關(guān)行業(yè)

15、的濃厚興趣，在地形測(cè)繪、森林生態(tài)研究、城市三維重建和地 面沉降檢測(cè)以及城市道路檢測(cè)與規(guī)劃中引起了廣泛關(guān)注。但是激光雷達(dá)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理軟件 述處于起步階段，因此系統(tǒng)獲取的大量三維數(shù)據(jù)并沒有得到充分的利用。隨著激光雷達(dá)碩件 系統(tǒng)的不斷完善與成熟，關(guān)于激光爾達(dá)的數(shù)據(jù)處理和應(yīng)用研究越來(lái)越受到專家學(xué)者的重視。圖1-4機(jī)載激光掃描系統(tǒng)figure 1-4 air-lidar systemlidar系統(tǒng)具有自動(dòng)化程度高、不受天氣影響、數(shù)據(jù)產(chǎn)生快、精度高等特點(diǎn)。與傳統(tǒng)的 攝影測(cè)量屮借助立體像對(duì)提取建筑物三維信息的方法相比，lidar更高效，所以它比較適合 三維幾何重建。熊俊華、方源敏、付亞梁、隋玉成等人利用機(jī)

16、載lidar原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成 dsm數(shù)據(jù)，并對(duì)dsm進(jìn)行輪廓提取，借助csg建模思想，實(shí)現(xiàn)對(duì)具有平屋頂、單坡屋頂、 人字型屋頂和四坡屋頂類型的房屋的重建14olidar系統(tǒng)雖然具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，但lidar點(diǎn) 云數(shù)據(jù)的處理需要專門的處理算法。單獨(dú)依靠lidar數(shù)據(jù)提取建筑物的兒何信息是比較復(fù) 雜的，女口 sander oude elberink和george vosselman等人利用基于li標(biāo)的圖匹配算法， 檢測(cè)出激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)中可以進(jìn)行口動(dòng)重建的區(qū)域并進(jìn)行重建，并對(duì)匹配不完全和有誤差的部 分進(jìn)行了貝體分析15o趙修莉采用多源數(shù)據(jù)融合的思想，利用正射航空影像輔助lidar點(diǎn) 云數(shù)據(jù)進(jìn)行建筑物輪廓

17、的捉取16 o除此之外，lidar系統(tǒng)不具備建筑物的紋理信息，往往還要借助數(shù)碼相機(jī)、全球定位系 統(tǒng)（gps）和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（ins）等多種技術(shù)獲取與z配準(zhǔn)的光學(xué)影像，光學(xué)影像與lidar數(shù) 據(jù)的配準(zhǔn)一直是一個(gè)難點(diǎn)，許多學(xué)者也進(jìn)行了研究17,18。1.2.1.2低空攝影測(cè)量及近景攝影測(cè)量領(lǐng)域隨著近些年數(shù)字城市建設(shè)的深入，低空飛行器，如無(wú)人駕駛飛機(jī)，無(wú)人飛艇等，以其成 木低，影像清晰度高，操作方便，受到一些學(xué)者的關(guān)注。桂徳柱、林宗堅(jiān)等人利用配備了組 合寬角相機(jī)的無(wú)人e艇進(jìn)行了城市三維數(shù)據(jù)的獲取，并借助gis信息輔助單像立體建模實(shí) 現(xiàn)了建筑物的立體量測(cè)，紋理獲取和三維重建8。利用航空影像和高分辨率衛(wèi)

18、星影像進(jìn)行 城市建模雖然具冇明顯優(yōu)勢(shì)，但它們?nèi)狈ㄖ锪⒚婊驂γ婕y理信息，對(duì)于稠密的居民區(qū), 建筑物間的遮擋和撲i攝死角現(xiàn)彖嚴(yán)重，還需要借助移動(dòng)采集系統(tǒng)進(jìn)行輔助，反而降低了效率, 增加了成本。低空攝影測(cè)量雖然能夠很好的獲取建筑物立而紋理，但由于低空飛行器重量較 輕，抗風(fēng)能力不足，導(dǎo)致0行姿態(tài)不穩(wěn)，必須借助gps數(shù)據(jù)進(jìn)行輔助才可以進(jìn)行立體量測(cè)。近景攝影測(cè)量是計(jì)算機(jī)視覺和攝彩測(cè)量相結(jié)合發(fā)展起來(lái)的一個(gè)領(lǐng)域。是指近距離通過(guò)從 不同方向折攝的具有一定重疊度的同一地物的多幅影像，獲取物體的三維空間信息25。針 對(duì)傳統(tǒng)數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)在影像的物理信息的自動(dòng)識(shí)別和自動(dòng)捉取方面的不足。它具冇精細(xì) 度鬲的優(yōu)點(diǎn)，適

19、合古跡的建模。冃前，季錚等人利用非量測(cè)相機(jī)對(duì)物體進(jìn)行拍攝，并結(jié)合控 制點(diǎn)信息，采用基于邊界定義的約束delaunay三介網(wǎng)面片的數(shù)據(jù)組織方法和csg （constructive solid geometry）建模思想實(shí)現(xiàn)了飛機(jī)等物體真實(shí)尺寸的三維重建100黃華區(qū) 利用近景攝影測(cè)最技術(shù)和全站儀測(cè)繪技術(shù)對(duì)保護(hù)性建筑物的三維模型重建進(jìn)行了研究，并對(duì) 其中的可行性、方法和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了總結(jié)11。近景攝影測(cè)量。圖1-9所示為基于多傳感器集成的車載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)（mobile mapping system,簡(jiǎn)稱mms ）。移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)（mms）是在移 動(dòng)載體i：集成多種傳感器設(shè)備，通過(guò)全球定位系統(tǒng)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)

20、/航位推算系統(tǒng)（ins/dr） 19. ccd相機(jī)等先進(jìn)的傳感器和設(shè)備在載體移動(dòng)狀態(tài)下自動(dòng)觸發(fā)獲取各種數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)類空包括定 位定姿數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)及激光掃描儀獲取的激光數(shù)據(jù)，在統(tǒng)一的地理參考卜:通過(guò)攝影測(cè)量解 析處理，實(shí)現(xiàn)空間地理信息的采集、處理車載移動(dòng)測(cè)量技術(shù)的介入,是測(cè)繪技術(shù)的一次改蘋， 它是一種獨(dú)立的全新測(cè)量方式,它使地理信息的采集與更新更加高效快捷，為三維空問信息的 獲取辟了一條全新的途徑。隨著移動(dòng)測(cè)量技術(shù)的發(fā)展、集成技術(shù)的成熟、口動(dòng)處理技術(shù)的完 善、傳感器性價(jià)比的提高，未來(lái)車載移動(dòng)測(cè)量技術(shù)在導(dǎo)航數(shù)據(jù)獲取及地圖更新等方面將發(fā)揮 越來(lái)越大作用。mms可以完成行駛路徑附近360度影像的采集，

21、通過(guò)髙粘:度姿態(tài)和位置測(cè)量系統(tǒng)可 以實(shí)現(xiàn)影像中任意地物的絕對(duì)測(cè)雖和相對(duì)測(cè)屋（絕對(duì)測(cè)量的精度可達(dá)0.5米，相對(duì)測(cè)量精 度達(dá)到厘米級(jí)）26。但是該移動(dòng)測(cè)最系統(tǒng)只能適合道路兩旁建筑物進(jìn)行測(cè)最，對(duì)建筑物頂 部無(wú)法拍攝。3、計(jì)算機(jī)視覺領(lǐng)域與攝影測(cè)量領(lǐng)域札i結(jié)合4、機(jī)載激光掃描技術(shù)基于lidar數(shù)據(jù)的三維重建。基于多目視覺理論的獲取技術(shù)。在實(shí)際應(yīng)用小，常采用雙目視覺進(jìn)行紋理獲取，它的基 本步驟如下：（1）圖像獲取。一般采用二維圖像對(duì)，但冇時(shí)為了獲得更高精度的三維信息，采用多 目圖像；（2）和機(jī)標(biāo)定。通過(guò)相機(jī)標(biāo)定可以確定相機(jī)的位置、姿態(tài)等參數(shù)，從而確定空間坐標(biāo) 系與像平面坐標(biāo)系間的關(guān)系，以便建立成像模型；（

22、3）圖像預(yù)處理。計(jì)算機(jī)視覺所用的圖像通常為光學(xué)成像系統(tǒng)生成，而這種圖像信息 中含有大雖的噪聲信息和畸變，通過(guò)對(duì)圖像的預(yù)處理，可以有效地改善圖像的視覺效果，突 出有用信息，便于計(jì)算機(jī)處理和分析；（4）特征提取。特征提取是為下一步圖像匹配做準(zhǔn)備的。冃前，基于特征的匹配主要 是指基于點(diǎn)、線、面特征進(jìn)行匹配。因此，要對(duì)圖像進(jìn)行點(diǎn)、線、而狀特征的提取；（5）圖像匹配。圖像匹配在計(jì)算機(jī)視覺領(lǐng)域一直是熱點(diǎn)問題。它根據(jù)圖像上提取出來(lái) 的特征，確定兩幅或多幅圖像間的同名點(diǎn)。對(duì)于空間中一點(diǎn)，由于在不同視點(diǎn)下，場(chǎng)景中的 光照條件、干擾噪聲、相機(jī)位置、姿態(tài)等的不同，所以要準(zhǔn)確判斷空間上一點(diǎn)在不同視點(diǎn)下 的圖像小的位置

23、并不容易，許多學(xué)者也因此提出了各自的觀點(diǎn)；（6）深度信息確定。當(dāng)通過(guò)圖像匹配得到人量同名點(diǎn)示，便可根據(jù)雙目或多目視覺幾 何原理確定每個(gè)空間點(diǎn)三維信息；（7）幾何重建。當(dāng)?shù)玫矫總€(gè)同名點(diǎn)后，便可以根據(jù)需要進(jìn)行模型的構(gòu)建；（8）紋理獲取。通過(guò)已有的模型兒何信息，尋找包含紋理信息的圖像，并對(duì)圖像進(jìn)行 分割提取。基于多目視覺理論的獲取技術(shù)更適合單獨(dú)地物的構(gòu)建，對(duì)于數(shù)字城市這樣的人規(guī)模建模 往往要借助攝影測(cè)量理論進(jìn)一步完善。（2）基于序列彩像的三維重建。序列彩像具有重亞度高，相關(guān)性好的特點(diǎn)。對(duì)于某一 指定建筑物，如果序列影像采用直升機(jī)載數(shù)碼攝像機(jī)并沿預(yù)先設(shè)計(jì)好的航線飛行方式采集, 它可以提供該建筑在不同航

24、線、不同角度拍攝的影像。吳軍等人曾利用直升機(jī)在高空載數(shù)碼 攝像機(jī)獲収序列影像的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑物立血紋理的采集。其中，使用空中三角量測(cè)解算序 列影像的方位元索，并對(duì)紋理的優(yōu)選策略和糾正進(jìn)行了深入研究12o而a.gruen等人曾采 用肓升機(jī)載三線陣相機(jī)獲取序列影像的方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)超高層建筑進(jìn)行建模和紋理采集13。 近景測(cè)量系統(tǒng)在城市建模應(yīng)用小，一般使用車載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，這種移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)只能局限 于道路兩旁的建筑物，對(duì)建筑物的頂部也無(wú)法釆集，要借助航片等其他數(shù)據(jù)。基于序列影像 的三維垂建技術(shù)相對(duì)比較全面，能較好地提供建筑物的紋理和三維信息，但直升機(jī)飛行高度 屬于低空飛行，會(huì)受到國(guó)家的航空飛行限制。而且

25、直升機(jī)載相機(jī)采集數(shù)據(jù)的運(yùn)行成本相對(duì)較 高，使得這種技術(shù)并不被廣泛采納。1.2.2內(nèi)外傾斜攝影測(cè)量相關(guān)技術(shù)傾斜攝影技術(shù)在國(guó)外已冇數(shù)十年的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，各項(xiàng)技術(shù)都較為成熟。2007年，微軟虛 擬地球提供了全球各地多個(gè)城市的高分辨率單向傾斜影像，而美國(guó)pictometry公司和以色列 ofek、idan等公司的傾斜攝影系統(tǒng)則可以同時(shí)獲取-個(gè)物體多個(gè)視角的影像，并且可以基于 影像進(jìn)行特征提取，如測(cè)距、gis分析等，其成果己被廣泛用于多個(gè)領(lǐng)域8。在國(guó)內(nèi)，2010 年4月,北京天下圖數(shù)據(jù)技術(shù)有限公司引進(jìn)了 pictometry傾斜航空攝影技術(shù)；同時(shí),各 機(jī)構(gòu)對(duì)該項(xiàng)技術(shù)也進(jìn)行了積極地探索與研究，并取得了一定成果

26、。由于傾斜攝影較垂直攝影在數(shù)據(jù)量上有較大的增加，其后期處理過(guò)程也大不相同，因此, 應(yīng)找岀一條適用于傾斜攝影的數(shù)據(jù)管理與處理方法。下文將從傾斜影像的獲取與組織管理、 基于影像的空間信息提取和影像的快速檢索與可視化3個(gè)方面進(jìn)行說(shuō)明：1.2.2.1傾斜影像的獲取傾斜彫像的獲取方式與傳統(tǒng)影像不同，它需借助專門的傾斜航攝儀，能夠獲取一個(gè)地區(qū) 多個(gè)角度的彩像。批界上著名的傾斜航攝儀研究機(jī)構(gòu)有美國(guó)pictometry公司、瑞士 leica公 司、美國(guó)天寶（trimble）公司、以色列visionmap公司、荷蘭trackair公司、德國(guó)igi公司、 比利吋dimac公司等，我國(guó)的劉先林院士團(tuán)隊(duì)也對(duì)傾斜航攝儀

27、進(jìn)行了研制。其中l(wèi)eica公司 推出的ads40三線陣數(shù)碼相機(jī)被認(rèn)為是世界上較早的傾斜攝影相機(jī)，提供地物前視、下視、 后視3個(gè)視角的影像。市場(chǎng)上典型的傾斜相機(jī)系統(tǒng)按鏡頭個(gè)數(shù)人致町分為單鏡頭、三鏡頭 和五鏡頭等，這些相機(jī)系統(tǒng)的參數(shù)和性能如下表所示：在國(guó)外，傾斜攝影技術(shù)獲取裝備和后處理軟件都經(jīng)歷了十幾年的發(fā)展歷程，天寶公司的 aos系統(tǒng)、德國(guó)igi公司的penta-digicam系統(tǒng)，以色列公司visionmap的a3系統(tǒng),近期 瑞士 leica公司的cd30 oblique傾斜航空攝影測(cè)量系統(tǒng)和微軟公司uco（魚丿鸞）傾斜數(shù)字航攝 系統(tǒng)的推出象征著傳統(tǒng)攝彫測(cè)量與傾斜攝影測(cè)量的完美融合。因此近階段

28、傾斜攝彫測(cè)暈的關(guān) 注程度乂被提高到了一個(gè)新的層面。后處理軟件主要冇法國(guó)astrium公司的street factory, 美國(guó)pictometry公司的pictomery系統(tǒng)，法國(guó)acute公司的smart3d,美國(guó)天寶公司的基 于inpho軟件的aos系統(tǒng)，以色列的visionmap軟件和微軟vescel公司的ultramap軟件 等。這些軟硬件系統(tǒng)代表了目前國(guó)際傾斜攝影技術(shù)發(fā)展的最高水平。傾斜航空攝影在國(guó)外己經(jīng)有十兒年的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，但是其概念在國(guó)內(nèi)的大范圍研討，只是 近兩三年的事情$%&%年&%刀，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)-b3'01,并于當(dāng)年和

29、北京東方道邇公司成功合作開展了長(zhǎng)春市傾斜攝影工程項(xiàng)目，同時(shí)也實(shí) 現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)傾斜和機(jī)的正式銷售，后續(xù)上海航遙公司“中測(cè)新圖公司也和繼推出了 ： '17%和 ta63 '01傾斜和機(jī)，國(guó)產(chǎn)傾斜航攝儀得到了一次快速發(fā)展，三家公司在國(guó)內(nèi)相繼開展了多 次傾斜攝影試驗(yàn)和工程應(yīng)用，在進(jìn)口傾斜航攝儀紛紛打入國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的形式下保持了相當(dāng)?shù)母?jìng) 爭(zhēng)力和市場(chǎng)占冇率!但是，傾斜攝影硬件技術(shù)在國(guó)內(nèi)快速發(fā)展進(jìn)程中，并沒冇帶動(dòng)國(guó)產(chǎn)傾斜 后處理軟件的同步快速發(fā)展，冃前，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

30、者的后處理建模都需要4f3:八數(shù)據(jù)的支持，前者是半口動(dòng)的人工交互式生產(chǎn)，后者 基木能夠?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)門檻和成木都偏高， 三維模型的效率雖然較傳統(tǒng)方式有較人進(jìn)步&,然而與國(guó)外的后處理技術(shù)相比還是偏低！ 進(jìn)口傾斜后處理軟件在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用推廣以法國(guó):-ftafb公司的#街景工廠$為代表，該 產(chǎn)品憑借其高效“全自動(dòng)化的三維建模生產(chǎn)能力以及其同序列產(chǎn)品#像素工廠$在國(guó)內(nèi)的影響 力,優(yōu)先占領(lǐng)了國(guó)內(nèi)市場(chǎng)!$%&$年”月，河北省地理信息局紐織街景工廠和-b3 ' 01聯(lián)合 工程測(cè)試，并取得了圓滿成功，在業(yè)內(nèi)產(chǎn)生了轟動(dòng)性的影響，也促成了街景工廠在國(guó)內(nèi)

31、的正 式商業(yè)銷售，$%&!年在國(guó)家局下屬三大局的傾斜后處理軟件集中采購(gòu)計(jì)劃中一舉中標(biāo)，拉 開了該軟件在國(guó)內(nèi)的推廣序幕!在街景工廠成功推廣的同時(shí)，法國(guó)：l<h.!3公司的0=h!34/h<=.軟1.2.3國(guó)內(nèi)外較成熟商業(yè)平臺(tái)介紹目前，國(guó)內(nèi)外根據(jù)現(xiàn)有的技術(shù)，開發(fā)出了很多進(jìn)行建筑物三維重建的的平臺(tái)，在不同程 度上滿足了城市建模的需求，這里簡(jiǎn)單羅列一些19：（1）a.gruen的ccmodel平臺(tái)。人工采集房屋的欠量數(shù)據(jù)進(jìn)行建筑物的三維建模，該平臺(tái) 功能豐富，不僅能采集建筑物，也能采集交通網(wǎng)、水域、植被等信息而且在模型屮還采用了 真實(shí)紋理貼圖20o対簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)房屋實(shí)現(xiàn)了較好的重建，但

32、対復(fù)雜建筑需要借助一定的人工 交互。（2）ultramapo由microsoft推出的自動(dòng)建模平臺(tái)，通過(guò)對(duì)影像匹配產(chǎn)生密集點(diǎn)云進(jìn)行構(gòu) 網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)三維重建。h動(dòng)化程度高，對(duì)復(fù)雜建筑物構(gòu)建效果較好，但需要配備專用設(shè)備。（3）sitebuilder 3d。由multigen-paradigm公司和esri公司聯(lián)合推出的產(chǎn)品,可以配合 arcgis產(chǎn)品數(shù)據(jù)的高度屬性數(shù)據(jù)來(lái)構(gòu)建立方體式的簡(jiǎn)單模型。（4）vrmapo側(cè)重景觀再現(xiàn)和場(chǎng)景漫游效果，対于復(fù)雜模空需要借助3ds max、autocad 等專業(yè)建模軟件，白身編輯能力較弱。（5）3ds max和autocad等。由autodesk推出的專業(yè)建模軟件,擁

33、有完善的交互式建 模引擎，具備豐富的編輯工具，是冃前使用最為廣泛的手動(dòng)建模工具。1.2.3目前建筑物三維模型構(gòu)建中存在的問題根據(jù)這些平臺(tái)使用數(shù)據(jù)的來(lái)源，這些建模平臺(tái)可分為三類：（1）基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)方式建模利用機(jī)載或地而激光扌i描儀或影像匹配獲取人量三維點(diǎn)數(shù)據(jù)，然后配合地面攝影影像或 遙感影像進(jìn)行三維建模；（2）利用立體像對(duì)的方法利用目標(biāo)提取技術(shù)，實(shí)現(xiàn)航空影像房屋三維數(shù)據(jù)的半白動(dòng)測(cè)最，進(jìn)而在地面與建筑物表 血不規(guī)則三角網(wǎng)和原始數(shù)字影像的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)建筑物可見表血紋理恢復(fù)，重建城市三維模 型；（3）利用造型軟件建模如:3dsmax、autocad、multigen等。在這三類建模方法中，利用航片或衛(wèi)

34、片的立體像 對(duì)，根據(jù)攝影測(cè)量原理與方法進(jìn)行三維建模的速度最快、口動(dòng)化程度高，三維建模的規(guī)模越 大越能顯示出其優(yōu)越性。但這種方法也有不足：1）冃前基于攝影測(cè)量系統(tǒng)的平臺(tái)大多不具備強(qiáng)大的三維建模引擎，對(duì)于復(fù)雜建筑物模型的 重建不能很好的支持，需借助第三方平臺(tái)3ds max> autocad等進(jìn)行編輯；2）在建模過(guò)程小，數(shù)據(jù)需要在攝影測(cè)量系統(tǒng)的線劃圖采集子系統(tǒng)和三維建模系統(tǒng)小來(lái)回導(dǎo) 入導(dǎo)出，反復(fù)人工核對(duì)，工作十分繁瑣，效率也很低；3 ）建筑物側(cè)面紋理不能夠全部從原始航片或衛(wèi)片上直接獲取，還需要實(shí)地拍攝，工作量大， 仿真度差。而3ds max平臺(tái)雖然具有較好的解決方案，但對(duì)于城市建模這樣的人項(xiàng)目

35、自動(dòng) 化程度太低，成本太高，效率太低。如何才能構(gòu)建一個(gè)既髙效乂具備較高仿真度的城市三維 建模平臺(tái)，成為目前冇待解決的問題。本研究正是從這個(gè)問題出發(fā)，提出將傾斜攝影技術(shù)與3ds max插件開發(fā)技術(shù)相結(jié) 合，將傾斜攝影的優(yōu)勢(shì)與3ds max的強(qiáng)大的建模功能有機(jī)的結(jié)合起來(lái)，直接完成建筑物 兒何建模和白動(dòng)紋理映射一系列過(guò)程，這項(xiàng)技術(shù)既繼承攝影測(cè)量建模的優(yōu)勢(shì)，乂可以發(fā) 揮傾斜影像的特點(diǎn)，同吋，乂能充分發(fā)揮專業(yè)建模軟件的強(qiáng)大建模功能。將數(shù)字城市建 模提高到一個(gè)新的高度。1.3研究意義“數(shù)字城市”作為“智慧城市”的空間載體，能冇效的促進(jìn)城市管理和服務(wù)朝著空間化、 精細(xì)化、動(dòng)態(tài)化、可視化方向發(fā)展。三維數(shù)字城市

36、包括的對(duì)象和數(shù)據(jù)i-分廣泛和多樣化，而 城市三維基礎(chǔ)空間信息是整個(gè)數(shù)字城市空間定位的載體和應(yīng)用的基礎(chǔ)。城市三維基礎(chǔ)空間信 息主要包括地下設(shè)施兒何信息、平面地形信息、建筑物立面位査兒何信息和景觀紋理信息。 而傳統(tǒng)數(shù)字城市建模方法效率低，成木高，可視化效果羌，從人比例尺的航空影像獲取城市 建筑物的三維幾何信息和紋理信息被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)城市建筑物三維建模的冇效途徑z。但是, 由于航空扌fl攝大多是接近豎直角度，彫像上的屋頂信息豐富而墻而往往不對(duì)見；對(duì)于建筑物 立而位置兒何信息和景觀紋理信息的獲取，多數(shù)采用的是地而攝影建筑物側(cè)而方法，但地而 攝影易受街道旁樹木和標(biāo)牌等遮擋而效率受到一定彩響，還沒有實(shí)用的手

37、段和相應(yīng)的生產(chǎn)技 術(shù)規(guī)范和流程，限制和阻礙了三維數(shù)字城市的建設(shè)和發(fā)展。因此，需進(jìn)一步拓展數(shù)據(jù)源，為 城市建筑物的三維表達(dá)、建模和可視化提供一種新的、快捷的技術(shù)方案。1.4研究目標(biāo)與內(nèi)容1.4.1研究目標(biāo)木研究旨在通過(guò)傾斜攝影技術(shù)的多視特點(diǎn)和3ds max強(qiáng)大的建模功能，實(shí)現(xiàn)一個(gè)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身的低成木，高 效率的半自動(dòng)化數(shù)字城市建模平臺(tái)。1.4.2研究?jī)?nèi)容現(xiàn)實(shí)城市環(huán)境屮，建筑物風(fēng)格迥異,不同風(fēng)格建筑的幾何特征羌異很人。在三維建模屮， 傳統(tǒng)的建模方式需耍人工實(shí)地拍照和人工圖像編輯，效率低卜、成本高昂，傾斜攝影技術(shù)的 出現(xiàn)為大規(guī)模快速數(shù)字城市三維

38、重建提供了新的途徑。基于傾斜影像的空中三角測(cè)量這項(xiàng)技 術(shù)，隨著近些年pos （position and orientation system）系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用,發(fā)展日趨成熟, 這點(diǎn)可以從文獻(xiàn)7和文獻(xiàn)8小看出。該技術(shù)能夠?yàn)橥ㄟ^(guò)多張影像獲取建筑物準(zhǔn)確的三維信 息提供了必要條件，再結(jié)合共線方程確定的物方、像方間兒何關(guān)系獲得建筑物的三維信息和 紋理信息，實(shí)現(xiàn)模型幾何體構(gòu)建和紋理自動(dòng)映射，完成逼真三維模型的構(gòu)建。整個(gè)建模過(guò)程 只需作業(yè)員在像對(duì)上進(jìn)行量測(cè)，不需要實(shí)地拍照、圖像編輯、數(shù)據(jù)頻繁導(dǎo)入導(dǎo)出以及后期特 效處理等繁瑣操作即可完成建筑物的三維重建，有效提高了建模效率，節(jié)約了成木。傾斜攝影量測(cè)建模插件空中三

39、角就測(cè)模塊多片立體就測(cè)三維點(diǎn)數(shù)據(jù) 3ds mux平臺(tái)紋理白動(dòng)提取獲取影像紋理半自動(dòng)提取/三維模型圖1.3傾斜攝影測(cè)量建模技術(shù)路線圖本文結(jié)合新近發(fā)展的多傳感器集成技術(shù)，從低空靈活快速地采集城市建筑物三維信息, 以滿足當(dāng)前城市建筑物三維模型構(gòu)建的需要，設(shè)計(jì)出一套利用無(wú)人飛艇載四組合特寬角相機(jī) 同時(shí)實(shí)現(xiàn)高精度空屮三角測(cè)量和建筑物景觀三維建模的技術(shù)路線。一方而通過(guò)基于四相機(jī)重 疊影像自動(dòng)匹配的自檢校，達(dá)到設(shè)備輕小型化條件下的精密等效中心投影構(gòu)像，用以支持高 精度空小三角測(cè)量；另一方面，通過(guò)白檢校的四個(gè)方向傾斜的相機(jī)，達(dá)到一次飛行同時(shí)獲取 建筑物四個(gè)側(cè)面影像的目的。本文的具體研究?jī)?nèi)容主要包括如下四個(gè)方面

40、：（1）結(jié)合無(wú)人飛艇負(fù)載小、飛行姿態(tài)不穩(wěn)定的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種滿足自檢校要求的組合 寬角相機(jī)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)基于軟式穩(wěn)定平臺(tái)的纟r合寬角相機(jī)系統(tǒng)的輕小型化，形成無(wú)人飛艇低空 航測(cè)系統(tǒng)的整體優(yōu)化方案。研究組合相機(jī)口檢校的原理和流程，實(shí)現(xiàn)相機(jī)口檢校處理后勻光 拼接成的等效中心投影影像，其拼接誤差限定在0.2像元以內(nèi)。（2）針對(duì)低空人比例尺三維量測(cè)的需要，研究一種具有白檢校功能的地面標(biāo)志，使得 標(biāo)志圖像檢測(cè)的謀差可以通過(guò)誤差三角形的方法了以校正，從而提高攝彩測(cè)量定位精度。利 用組合相機(jī)口檢校建立起的拼接影像與傾斜影像z間精確的外方位關(guān)系以及經(jīng)標(biāo)志點(diǎn)絕對(duì) 定向后拼接影像獲取的粹確外方位元素，實(shí)現(xiàn)組合相機(jī)傾斜影像

41、外方位元素解算。（3）根據(jù)建筑物物方存在的幾何約束關(guān)系，建立附有約束條件的建筑物量測(cè)模型，并 形成幾種典型屋頂建筑物的半白動(dòng)最測(cè)方法;提出利用組合寬角相機(jī)多視影像進(jìn)行建筑物多 面細(xì)節(jié)量測(cè)和建筑物墻面紋理獲取的二維建模方法，實(shí)現(xiàn)完整的技術(shù)流程，并進(jìn)行量測(cè)精度 分析。基于多邊形三角剖分思想，實(shí)現(xiàn)建筑物三維模型的快速構(gòu)建和大比例尺卜建筑物模型 與地形模型的匹配。（4）利用無(wú)人飛艇搭載輕小型組合寬角數(shù)字相機(jī)系統(tǒng)在布有高精度控制場(chǎng)的山東科技 大學(xué)校園進(jìn)行1:1000比例尺航空攝影和校園三維建模試驗(yàn)以及威海市400平方公里1:1000比例尺航測(cè)數(shù)字成圖及城帀三維建模相關(guān)工程應(yīng)用，為基于組合寬角相機(jī)低空影像

42、 進(jìn)行城市建筑物三維模型構(gòu)建方法提供驗(yàn)證模型。1.5論文結(jié)構(gòu)本文第2章對(duì)基于傾斜影像的多片立體量測(cè)原理和對(duì)建筑物的分類、建模的策略進(jìn)行 介紹。第3章針對(duì)簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的建筑的量測(cè)建模流程和不同類型的建模原理進(jìn)行深入講解。 第4章專門針對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)建筑的最測(cè)建模進(jìn)行分析。第5章對(duì)建筑物紋理的白動(dòng)提取的方 法和紋理自動(dòng)映射的原理進(jìn)行詳細(xì)闡述。第6章介紹利川木系統(tǒng)進(jìn)行大規(guī)模量測(cè)建模實(shí)驗(yàn), 并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。最后是第7章，對(duì)全文的總結(jié)及耒來(lái)的展望。2傾斜攝影測(cè)量2.1傾斜航空攝影技術(shù)簡(jiǎn)介傾斜航空攝彫是國(guó)際測(cè)繪領(lǐng)域近年發(fā)展起來(lái)的一種新型航空攝影方式，它從航攝儀的設(shè) 計(jì)，數(shù)據(jù)處理流程以及最終的牛成產(chǎn)品都不

43、同于傳統(tǒng)的豎直航空攝彩方式。傾斜航空攝影技 術(shù)采用多相機(jī)鏡頭同時(shí)獲取豎直和其他傾斜方向彫像數(shù)據(jù)的方式，旨在獲取多角度的地物信 息用來(lái)進(jìn)行快速三維城市建模，構(gòu)建實(shí)景影像系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)用八在線從多個(gè)角度對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行瀏 覽和量測(cè)20。目前廣泛設(shè)計(jì)使用的傾斜航攝儀（以topdc-5傾斜航攝儀為例，如圖2.1）是由5臺(tái) 高分辨率大幅面數(shù)碼相機(jī)組成，呈馬耳他十字形e交排列，位于系統(tǒng)平臺(tái)中央的1臺(tái)鏡頭 垂直向下（正射鏡頭）的相機(jī)焦距約為47mm,其它4臺(tái)傾斜相機(jī)鏡頭焦距約為80mm, 均以約為45度的傾斜角朝向前后左右四個(gè)方向，并且5臺(tái)相機(jī)采用同步曝光機(jī)制。整個(gè) 相機(jī)系統(tǒng)中還集成安裝了 imu導(dǎo)航系統(tǒng)和gps定位

44、系統(tǒng)，這樣可以準(zhǔn)確獲取相機(jī)在曝光瞬 間的傾角和外方位元素以便用于后期的多視影像聯(lián)合空三加密。圖2.1topdc-5傾斜航攝儀fig. 2.1 oblique aerial photogrammetry instrument傾斜航空攝彫系統(tǒng)除了上述的相機(jī)硬件之外,還包括獨(dú)立的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備和導(dǎo)航控制系 統(tǒng)，并r都需要專用的軟件來(lái)支持和控制。在航飛拍攝過(guò)程中，航攝飛行任務(wù)管理與控制系 統(tǒng)會(huì)精確的控制相機(jī)的曝光點(diǎn)，此外，還需要記錄航高、航速、航向重疊、旁向重疊、坐標(biāo) 等參數(shù)，然后對(duì)傾斜影像進(jìn)行分析和整理21。在傳統(tǒng)的量測(cè)過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)建筑遮擋 現(xiàn)象，影響測(cè)圖精度和速度。而基于傾斜影像的多片立體量測(cè)

45、，具有多視的特性，可以很好 地避免此類問題的發(fā)生。通常悄況下，測(cè)區(qū)內(nèi)的任意地物對(duì)應(yīng)的影像至少可達(dá)到68度重 疊，這樣，內(nèi)業(yè)人員通過(guò)觀察分析多方向、多角度的影像就可以很容易地分析出建筑物的兒 何結(jié)構(gòu)，然后從多張影像中提取出最為清晰完整的、地物遮擋較少的側(cè)面紋理信息。圖2.2 所示的為同-地物的四個(gè)側(cè)面的傾斜影像。圖2.2同一個(gè)地物的四個(gè)方向傾斜影像fig. 2.2 oblique images of one land feature from four directions傾斜航空攝影系統(tǒng)的航帶設(shè)計(jì)重疊度與傳統(tǒng)航空攝影基木相同，但是具有高度重疊的傾 斜影像的用途卻不同于傳統(tǒng)豎直影像，英主要作用是

46、克服地物遮擋帶來(lái)的影響，為三維建模 提供豐富的多角度的紋理信息。雖然由傾斜航空攝影系統(tǒng)獲取的傾斜影像的影像特點(diǎn)也界于 傳統(tǒng)豎直影像，但其投影關(guān)系仍為屮心投影，其相對(duì)航高與相機(jī)焦距、地而分辨率與物理像 元尺寸仍然滿足三角比例關(guān)系。2.2傾斜攝影測(cè)量原理傾斜航空影像是在拍攝相機(jī)的主光軸與豎直方向存在一定夾角的情況下獲取的，其投影 光束關(guān)于主光軸是非中心對(duì)稱的，對(duì)比分析傳統(tǒng)豎直撲i攝的航空影像，可以發(fā)現(xiàn)傾斜影像具 有的兒何特征明顯不同于豎直影像，下面結(jié)合兩張投彩關(guān)系示意圖，總結(jié)下傾斜航空影像具 有的特點(diǎn)。1）傾斜影像對(duì)應(yīng)的地表覆蓋區(qū)域?yàn)榈妊菪?2o理想情況下，豎直扌n攝影像時(shí)投影 光束關(guān)于主光軸是

47、中心對(duì)稱的，對(duì)應(yīng)的地而區(qū)域?yàn)榫匦危谎獌A斜投影時(shí)，投影光束只是沿著 主縱線方向呈現(xiàn)線對(duì)稱，如圖2.3所示，傾斜影像對(duì)應(yīng)的地而區(qū)域?yàn)榈妊菪危籪ig. 2.3 the principle of central projection and oblique projection2)傾斜影像中各部分的攝影比例尺是漸變的23o由于傾斜影像攝影對(duì)應(yīng)的地而形狀 近似為等腰梯形，所以，傾斜影像在垂肯于主縱線的方向上，各像點(diǎn)比例尺相同，而在主縱 線方向上各點(diǎn)比例尺呈漸變趨勢(shì)。傾斜影像比例尺的計(jì)算模型如下圖2.4所示，傾斜彩像 中某一個(gè)像點(diǎn)對(duì)應(yīng)的比例尺分母tm可用下式2.1計(jì)算：方cos(0_f)nit =c c

48、osb(2.1)其中，t為r對(duì)應(yīng)的地面模型點(diǎn)，pp為相機(jī)主光軸地面的交點(diǎn)，pp/為影像的 像主點(diǎn)，夾角t表示影像的傾角，p表示地面模型點(diǎn)t和攝影中心0的連線與豎直方向 on間的夾角。由上式可以看出，主縱線上各像點(diǎn)的比例尺主耍與夾角b有關(guān)。圖2.4傾斜影像比例尺計(jì)算模型fig. 2.4 the calculation model of oblique images scale3) 傾斜影像中的各個(gè)像點(diǎn)的分辨率均不相同。傾斜影像的攝影比例尺是漸變的，對(duì)應(yīng) 的地面區(qū)域又為等腰梯形,致便傾斜影像上的各個(gè)像素對(duì)應(yīng)的地面區(qū)域大小和形狀都有差界, 即各個(gè)像素的分辨率不同，山于前景的采樣間距比后景小，故其前景

49、分辨率較大。4) 傾斜影像上的地物遮擋突出、嚴(yán)重24。因傾斜影像的拍攝光軸與垂直于地而的光軸存在較大的夾角，所以相比于豎直影像，傾斜影像上的地物遮擋更為突出、嚴(yán)重；5）同一地物對(duì)應(yīng)多重分辨率傾斜影像。由于傾斜相機(jī)和垂直相機(jī)的焦距不相同，這就 出現(xiàn)了影像間的攝影比例尺不相同的情況，即同一地物具有多重分辨率的影像。通過(guò)空中三角測(cè)量得到精確外方位元素，同吋結(jié)合相機(jī)檢校得到的內(nèi)方位元素，可以利 用共線方程的嚴(yán)格解法確定多張影像與地面物體z間的兒何關(guān)系（式2.1,圖2.1 ）。""“3(xxj+%(fh)+o3(z zj(2.1)共線方程式中：x, y為量測(cè)點(diǎn)像點(diǎn)坐標(biāo)；x, y, f

50、為影像的內(nèi)方位元素;xs, ys, zs為攝站點(diǎn)的物方空間坐標(biāo)；x, y, z為量測(cè)點(diǎn)的物方空間坐標(biāo)；ai, bi, ci （i = l, 2, 3）為外方位沅素組成的9個(gè)方向余弦。a.不同影像中同名點(diǎn)的位置b建筑物角點(diǎn)圖2.1多張影像與地面物體的幾何關(guān)系2.3傾斜攝影測(cè)量影像處理流程及關(guān)鍵技術(shù)針對(duì)上述傾斜航空影像的特點(diǎn)，同時(shí)結(jié)合考慮傾斜攝影測(cè)量的h標(biāo)產(chǎn)品，傾斜攝影測(cè)量 生產(chǎn)技術(shù)主要包括影像預(yù)處理、多視影像空三加密、4d產(chǎn)品和三維建模等關(guān)鍵內(nèi)容25o 其基本流程如圖2.5所示：首先，傾斜相機(jī)在航飛前需要在地面檢校場(chǎng)進(jìn)行多次單相機(jī)檢校，得到準(zhǔn)確的單相機(jī)檢 校參數(shù)，包括內(nèi)方位元素和畸變差改止參數(shù)，

51、然后利川地面單相機(jī)檢校參數(shù)對(duì)航飛得到的原 始影像進(jìn)行畸變差改正和勻光、勻色處理，這樣得到的預(yù)處理數(shù)據(jù)才可用丁接卜來(lái)的空三加 密處理。多視彩像空三加密是傾斜數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵步驟，此時(shí)，航飛時(shí)記錄的imu慣導(dǎo)數(shù)據(jù)和 gps定位數(shù)據(jù)將作為多視影像空三加密的初始外方位元素參與平差計(jì)算。完成多視影像空 三加密后，就可得到每張影像在虛擬三維空間中的位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)，即精確外方位元素，這 樣無(wú)論是垂直影像還是傾斜影像都可根據(jù)其對(duì)應(yīng)的精確外方位元素進(jìn)行實(shí)吋量測(cè)了。通過(guò)多視影像空三加密求得每張影像的楮確外方位兀素后，一方血可以進(jìn)行傳統(tǒng)的4d 產(chǎn)品生產(chǎn)；另一方面則可創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫(kù)，將所有的影像納入到一個(gè)統(tǒng)一的實(shí)景影像系統(tǒng)中，用 于快速城市三維建模及紋理提取，這也是傾斜航空攝影技術(shù)的發(fā)展起因和主要用途。圖2.5 傾斜航空影像處理流程fig. 2.5 the processing flow of oblique aerial images在上述傾斜航空攝影數(shù)據(jù)的處理流程中，多視影像空三加密是整個(gè)傾斜數(shù)據(jù)