遼寧傾斜攝影——重塑城市世界
分類：服務(wù)范圍 發(fā)布時(shí)間：2024-01-14 瀏覽量：7429
三維模型是物體的多邊形表示，通常用計(jì)算機(jī)或者其它視頻設(shè)備進(jìn)行顯示。顯示的物體可以是現(xiàn)實(shí)世界的實(shí)體，也可以是虛構(gòu)的物體。
三維模型已經(jīng)應(yīng)用于各種不同的領(lǐng)域。醫(yī)療行業(yè)使用它們制作器官的 模型；電影行業(yè)將它們用于展現(xiàn)活動(dòng)的人物、物體以及現(xiàn)實(shí)電影；建筑業(yè)將它們用來(lái)展示提議的建筑物或者風(fēng)景表現(xiàn)；在最近幾十年，地球科學(xué)領(lǐng)域開(kāi)始構(gòu)建三維地質(zhì)模型。
遼寧傾斜攝影測(cè)量技術(shù)作為一個(gè)新興的技術(shù)方法，在三維建模和工程測(cè)量中有廣泛的應(yīng)用前景。
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什么是傾斜攝影？
近年來(lái)，構(gòu)建智慧城市正在如火如荼地展開(kāi)，城市三維數(shù)字模型在其中扮演著十分關(guān)鍵的角色。要繪制高效、智能的城市圖景，就需要對(duì)城市空間三維數(shù)據(jù)進(jìn)行表達(dá)與處理，也就需要建立城市的三維景觀模型。在這個(gè)過(guò)程中，除了備受關(guān)注的人工建模，還有一項(xiàng)新的建模技術(shù)正在興起并發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。
圖1 傾斜攝影瓦片數(shù)據(jù)
初見(jiàn)圖1所示模型，你一定想知道這個(gè)三維模型是怎么構(gòu)建的。棱角參差，沒(méi)有完整的建筑，看著不太符合人工建模（如3Ds MAX建模軟件）的結(jié)果。其實(shí)圖中所示的三維模型就是傾斜攝影相機(jī)飛過(guò)城市上空再經(jīng)過(guò)軟件的預(yù)處理所獲取的一個(gè)瓦片數(shù)據(jù)（像圖2中一塊一塊拼起來(lái)的，形象稱為瓦片數(shù)據(jù)）。
當(dāng)我們將這樣大量的瓦片數(shù)據(jù)拼接起來(lái)后，就形成了一個(gè)城市三維景觀模型。這個(gè)神奇的新興建模技術(shù)就是我們所要介紹的傾斜攝影技術(shù)：傾斜攝影數(shù)據(jù)獲取設(shè)備+后處理軟件全自動(dòng)化生成城市三維景觀模型。
圖2 瓦片數(shù)據(jù)組成整體模型示例
傾斜攝影以一個(gè)航空飛行器攜帶一組傾斜攝影設(shè)備（一個(gè)垂直正射鏡頭和若干個(gè)傾斜鏡頭）飛行過(guò)城市上空便可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化迅速建模，真實(shí)還原城市三維場(chǎng)景。這個(gè)近十幾年來(lái)才發(fā)展起來(lái)的“后起之秀”，顛覆了傳統(tǒng)城市建模。它的發(fā)展主要集中在兩點(diǎn)：數(shù)據(jù)獲取設(shè)備（即傾斜相機(jī)）和后處理軟件。
目前國(guó)內(nèi)已經(jīng)有很多傾斜攝影系統(tǒng)，如北京紅鵬天繪公司的微型無(wú)人機(jī)傾斜攝影系統(tǒng)，廣州中海達(dá)公司的iScan系列等。也有越來(lái)越多的人開(kāi)始投入到傾斜攝影技術(shù)的研究上來(lái)。傾斜攝影技術(shù)更大 的特點(diǎn)是快，這正契合現(xiàn)在很多城市現(xiàn)代化進(jìn)程對(duì)建模的基本要求，例如武漢市的城市口號(hào)——“武漢，每天不一樣”。
傳統(tǒng)的基于人工或半人工的城市三維建模顯然滿足不了這種快城市化發(fā)展需求，因此傾斜攝影應(yīng)運(yùn)而生。傾斜攝影技術(shù)顯著提高了建模速度，自動(dòng)化建模解放了人力。而在模型精度上，傾斜攝影技術(shù)也在不斷突破創(chuàng)新，某些應(yīng)用層面上已經(jīng)不亞于人工建模。
總的來(lái)說(shuō)，傾斜攝影技術(shù)的特點(diǎn)可以歸納為：
（1）真實(shí)性。無(wú)人機(jī)觀測(cè)數(shù)據(jù)直接用于模型構(gòu)建，包括地物的外觀、位置、高度屬性都與真實(shí)場(chǎng)景一致。
（2）高效性。借助無(wú)人機(jī)或其他各種飛行設(shè)備，整個(gè)城市的數(shù)據(jù)可在 內(nèi)采集，后續(xù)軟件預(yù)處理都是全自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)。
（3）較高的性價(jià)比。除了在人力、財(cái)力和時(shí)間方面有很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，它本身屬于航空攝影測(cè)量的一種，所得數(shù)據(jù)是帶有空間位置信息的可測(cè)量影像數(shù)據(jù)，能輸出多種成果，應(yīng)用于其他多種領(lǐng)域。
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傾斜攝影兩大關(guān)鍵技術(shù)
前面已經(jīng)提到，傾斜攝影技術(shù)有兩大主要發(fā)展：數(shù)據(jù)獲取設(shè)備與后處理軟件。數(shù)據(jù)獲取設(shè)備也就是傾斜攝影相機(jī)，傳統(tǒng)的攝影測(cè)量只是像拍證件照一樣從正上方垂直拍攝正投影像，而傾斜攝影設(shè)備是由一個(gè)飛行平臺(tái)搭載多個(gè)傳感器，同時(shí)從正射和多個(gè)傾斜角度進(jìn)行多角度全方位的影像采集。
具有代表性的設(shè)備有德國(guó)IGI公司的Penta-DigiCam系統(tǒng)、徠卡公司旗下的RCD30和ADS40三線陣數(shù)碼相機(jī)、微軟公司旗下UCO等，這些也是行業(yè)內(nèi)最早的傾斜攝影數(shù)據(jù)獲取設(shè)備。目前最常見(jiàn)的是1+4傳感器設(shè)備，即一個(gè)垂直傳感器+四個(gè)傾斜傳感器。隨著技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了搭載更多傾斜鏡頭的傾斜攝影設(shè)備，圖3展示了1+8傳感器的傾斜攝影設(shè)備。
后處理軟件，是指對(duì)傾斜攝影設(shè)備拍攝的航空影像進(jìn)行解算和預(yù)處理獲取城市三維數(shù)據(jù)模型（多個(gè)角度觀察地物，記錄了地物的三維空間位置信息）。具有代表性的有美國(guó)Pictometry公司的Pictometry系統(tǒng)、法國(guó)Acute3D公司的Smart3DCapture和微軟Vexcel公司的Ultramap軟件等。數(shù)據(jù)獲取設(shè)備和后處理軟件共同推動(dòng)了傾斜攝影技術(shù)的發(fā)展。
圖3 多傾斜鏡頭的傾斜攝影相機(jī)
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傾斜攝影建模原理
在學(xué)習(xí)傾斜攝影建模原理之前，我們需要先了解地形地貌模型的構(gòu)建原理。
地形地貌建模是較早實(shí)現(xiàn)的自動(dòng)化建模，基于數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model, DEM）數(shù)據(jù)，在ArcGIS或3Ds MAX等軟件中即可實(shí)現(xiàn)三維模型的構(gòu)建。在地貌模型的構(gòu)建過(guò)程中，為了達(dá)到逼真效果，最常見(jiàn)的方法就是DEM與數(shù)字正射影像（可以理解為紋理圖像）疊加形成地表景觀。在這個(gè)過(guò)程中，高程三維建模主要包括兩種方式：基于不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN, Triangulated Irregular Network）的三維表面建模和基于規(guī)則格網(wǎng)的三維表面建模。
其中，不規(guī)則三角網(wǎng)通過(guò)不規(guī)則分布的離散數(shù)據(jù)點(diǎn)生成連續(xù)的三角面來(lái)逼近地形表面（圖4）。用于生成不規(guī)則三角網(wǎng)的三角形中，狄洛尼（Delaunay）三角形在地形擬合方面運(yùn)用的較普遍，因此常被用于不規(guī)則三角網(wǎng)的生成。它的構(gòu)成原則是三角形的外接圓內(nèi)部不包括其他點(diǎn)。當(dāng)?shù)匦沃邪写罅康奶卣骶€如斷裂線、構(gòu)造線時(shí)，TIN模型能更 合理表達(dá)地表形態(tài)。
圖4 不規(guī)則三角網(wǎng)構(gòu)造的地形表面
規(guī)則格網(wǎng)，由原始的DEM數(shù)據(jù)（柵格影像，像元值存儲(chǔ)高程值）直接生成地形。規(guī)則格網(wǎng)在X和Y方向上具有不可變的分辨率。當(dāng)?shù)匦纹鸱^大時(shí)，規(guī)則格網(wǎng)的表達(dá)效果則不如不規(guī)則三角網(wǎng)。
圖5 DEM與DEM生成的地形
傳統(tǒng)的城市建模中，多是以半自動(dòng)化半人工的建模方式進(jìn)行。首先以DEM數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，自動(dòng)化構(gòu)建地形地貌模型，疊加數(shù)字正射影像，形成粗糙的城市三維模型。之后，經(jīng)過(guò)3Ds MAX、Sketch Up等建模軟件進(jìn)行房屋、植被的精細(xì)建模。
這種建模方式下，并非要事無(wú)巨細(xì)，一概都逼真表達(dá)，而是根據(jù)不同的需要和有限的時(shí)間、經(jīng)濟(jì)、技術(shù)等條件進(jìn)行各種取舍與簡(jiǎn)化。即便如此，獲取較高精度的城市三維模型仍需要花費(fèi)大量的人力、財(cái)力與時(shí)間。并且隨著城市化建設(shè)進(jìn)程的加快，這種僅依靠人力的建模方法，無(wú)法短周期內(nèi)更新，存在著很多弊端。
相比之下，傾斜攝影技術(shù)進(jìn)一步將這種“自動(dòng)化”推向了后續(xù)的房屋、植被等的精細(xì)建模。也就是說(shuō)，整個(gè)城市景觀都采用自動(dòng)化的方式。從中，傾斜攝影技術(shù)可以獲得三種表現(xiàn)形式的數(shù)據(jù)：實(shí)體模型文件、TIN三角網(wǎng)數(shù)據(jù)和點(diǎn)云數(shù)據(jù)。
其中，點(diǎn)云數(shù)據(jù)是傾斜攝影獲取的最基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)，點(diǎn)簇在空間中的分布代表了具有變化特征的位置，一般變化越劇烈的位置，點(diǎn)云越密集。點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獲取，正是利用了多角度拍攝地物所蘊(yùn)含的三維空間信息，是航空影像最直接的解算結(jié)果。那么，傾斜攝影究竟是什么樣的形式呢？如圖所示，在傾斜攝影航空拍攝中，五個(gè)鏡頭所拍攝影像需要有一部分重疊，一般采取30%旁向重疊度和66%航向重疊度。三維點(diǎn)的坐標(biāo)通過(guò)多視影像聯(lián)合平差和多視影像密集匹配等方法解算得到。
圖6 傾斜攝影航拍效果圖
獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)之后，類似于地形地貌建模，通過(guò)點(diǎn)云可以構(gòu)建出TIN，在TIN的基礎(chǔ)上通過(guò)三角面片的組合可生成白模，然后通過(guò)紋理圖片投影映射，就可以得到我們看到的實(shí)體模型文件了。
圖7 由點(diǎn)云到真實(shí)三維模型的構(gòu)建過(guò)程
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傾斜攝影數(shù)據(jù)應(yīng)用的難題
那么，傾斜攝影技術(shù)如此快速的建模方法為什么沒(méi)有普及應(yīng)用呢？雖然相對(duì)于人工建模，傾斜攝影技術(shù)無(wú)論在建模速度，還是在建模精度上都已經(jīng)取得了很大優(yōu)勢(shì)。但在模型后續(xù)的應(yīng)用上，傾斜攝影模型還存在一個(gè)很大的弊端：它的建模原理決定了所建三維模型的整體性。
傾斜攝影三維模型是由影像解算出點(diǎn)云、迅速構(gòu)建三角網(wǎng)、之后貼上紋理生成，構(gòu)建的是一個(gè)連續(xù)的不規(guī)則三角網(wǎng)。因此，整個(gè)模型是一個(gè)整體，雖然人眼可以迅速通過(guò)紋理辨別樓棟、樹(shù)木、車輛等物體，但對(duì)于計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)，把物體分開(kāi)確是一件很難的事兒。
傳統(tǒng)的人工建模，通過(guò)對(duì)每個(gè)或每類物體進(jìn)行獨(dú)立的建模，之后疊加到一起形成三維場(chǎng)景，從建模開(kāi)始就是“物體獨(dú)立”的，不存在連在一起的現(xiàn)象。而傾斜攝影技術(shù)獲取的三維模型數(shù)據(jù)在初期只能用于簡(jiǎn)單的場(chǎng)景漫游，無(wú)法分離出物體對(duì)象，因此自然也不能記錄每個(gè)物體的屬性信息，無(wú)法進(jìn)行單獨(dú)管理。
在智慧城市的應(yīng)用中，大數(shù)據(jù)、多屬性是一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，三維立體城市不僅是視覺(jué)上的立體化，更應(yīng)該是數(shù)據(jù)的載體，讓每個(gè)物體都可以“活起來(lái)”。因此，在對(duì)傾斜數(shù)據(jù)進(jìn)行應(yīng)用之前，“單體化”成了必不可少的預(yù)處理過(guò)程。
“單體化”的目標(biāo)旨在讓傾斜攝影數(shù)據(jù)的每個(gè)物體分離開(kāi)來(lái)，能夠在整個(gè)模型中進(jìn)行單獨(dú)選中、賦予屬性、查詢屬性等基礎(chǔ)GIS操作。“單體化”研究也吸引了很多學(xué)者的關(guān)注。
從目前來(lái)看，單體化主要有三種方法：
種是利用三角面片中每個(gè)頂點(diǎn)的額外存儲(chǔ)空間，把建筑物（或其他物體）的ID存儲(chǔ)起來(lái)，一個(gè)建筑物對(duì)應(yīng)的三角形存儲(chǔ)的是共同ID值。
第二種是在三維渲染時(shí)，動(dòng)態(tài)地把對(duì)應(yīng)的矢量面疊加到傾斜攝影模型上，達(dá)到單體效果。
第三種對(duì)三角形進(jìn)行切割，把連續(xù)的三角網(wǎng)從物理上切割開(kāi)來(lái)。
三種單體化中，切割單體化實(shí)現(xiàn)了真正意義上的分離，也成為了很多學(xué)者的研究重點(diǎn)。目前，基于點(diǎn)集的切割方法運(yùn)用已比較成熟（圖8），但同時(shí)也存在一個(gè)很大的問(wèn)題：切割后的模型具有明顯的“鋸齒”，未達(dá)到良好的視覺(jué)效果，而基于三角形的切割技術(shù)有效的解決了這一問(wèn)題（圖9）。
不過(guò)，這種切割單體化的方法，目前還處在人工切割的階段，也就是說(shuō)，切割線還僅僅是人工繪制的。可喜的是，隨著圖像識(shí)別與機(jī)器學(xué)習(xí)的發(fā)展熱潮，基于圖像識(shí)別算法對(duì)傾斜攝影數(shù)據(jù)紋理的識(shí)別與特征線的識(shí)別能夠推動(dòng)切割單體化的自動(dòng)實(shí)現(xiàn)，從而真正實(shí)現(xiàn)傾斜攝影數(shù)據(jù)的應(yīng)用普及。
圖8 基于點(diǎn)集的切割單體化
圖9 基于三角形的切割單體化
當(dāng)我們抬頭看天，無(wú)意中看到無(wú)人機(jī)時(shí)，也許它就正在執(zhí)行著傾斜攝影的任務(wù)。當(dāng)傾斜攝影逐漸普及，有意中我們將發(fā)現(xiàn)，智慧城市的發(fā)展更加迅速，城市視界變得更加絢麗多彩且炫酷非凡。
