倾斜摄影测量在三维建模中的应用毕业论文

毕 业 设 计题 目： 倾斜摄影测量在三维建模中的应用 学 院： 测绘工程学院 专 业： 测绘工程 姓 名： 学 号： 0650 指导老师： 完成时间： 2014年 5月 25日 河南城建学院本科毕业设计 摘要I摘 要 机载倾斜摄影测量系统是对常规摄影测量系统的改进和发展，它能够获取常规摄影无法得到的地物立面的纹理信息和几何信息，在数字城市构建中具有重要的意义。本文应用机载倾斜摄影数据进行了三维建模和单斜片测量的应用研究与实验，初步实验表明：倾斜摄影数据应用三维建模单斜片测量是可行的并且具有较好的应用前景。关键词：倾斜摄影测量，三维建模，单斜片测量河南城建学院本科毕业设计 英文摘要IIAbstractAirborne oblique photogrammetric system is the improvement of the traditional photogrammetric system ,which can get the facade texture and geometry information that cannot be obtained by conventional photography ,and it is of great significance in the construction of digital city .In this paper,the airborne oblique photogrammetry data were used for three dimensional modeling and single-oblique photo measure.Preliminary experiments showed the good application prospects.Key words:oblique photogrammetry ;three dimensional modeling;single-oblique photo measure. 河南城建学院本科毕业设计 目录III目 录第一章 引言 011.1 传统建立城市三维模型的方法 021.2 传统建立城市三维模型的弊端 021.3 倾斜摄影测量的技术特点 021.4 倾斜摄影测量的意义 02 1.5 线阵相机系统 03 1.6 倾斜摄影测量应用及前景 04第二章 基于倾斜摄影数据的三维测量技术2.1 倾斜摄影测量关键技术 072.1.1 倾斜摄影测量的基本原理 072.1.2 倾斜影像的特点 07 2.1.3 倾斜影像测量的关键技术 072.1.4 倾斜摄影测量三维建模的目标及内容 082.2 三维建模技术 092.3 城市三维模型建立方法 122.3.1 城市基础信息搜集 122.3.2 建筑模型细部分析 132.3.3 模型纹理制作 132.3.4 模型归位与合并 132.4 单斜片测量技术 142.5 单斜片测量的思路 14第 3 章 总结3.1 加载 DOM DEM 影像 153.2 计算斜片覆盖范围 153.3 斜片测量 15参考文献 17致谢 18河南城建学院本科毕业设计 第一章 引言1第一章 引言近年来国际地理信息领域将传统航空摄影技术和数字地面采集技术结合起来发展了一种称为机载多角度倾斜摄影的高新技术，简称倾斜摄影技术。通过在同一飞行平台上搭载多台或多种传感器同时从多个角度采集地面影像从而克服了传统航空摄影技术只能从垂直角度进行拍摄的局限性，能够更加真实地反映地物的实际情况，弥补了正射影像的不足。通过整合及矢量等数据进行基于影像的各种三维测量，基于人眼视觉适合于观察倾斜透视像片的特点倾斜影像测量技术更适合于网络环境应用。针对倾斜摄影数据的特点人们进行了多方面的研究探讨。传统的航空航天摄影测量技术主要针对地形地物顶部进行测量，对起伏明显的地形，地物侧面的纹理和三维几何结构等信息获取一直十分有限，倾斜摄影测量因此成为近年来国际上发展十分迅速的一项高新技术。本文简要评述了几种典型的倾斜摄影测量软硬件系统，分析了倾斜摄影测量的关键技术，总结提炼了倾斜摄影测量技术发展的主要趋势和研究要点。 倾斜影像是指由一定倾斜角度的航摄相机所获取的影像。倾斜摄影技术是国际测绘遥感领域近年发展起来的一项高新技术，通过在同一飞行平台上搭载多台传感器，同时从垂直、倾斜等不同的角度采集影像，获取地面物体更为完整准确的信息。常用的影像数据主要来源于垂直角度或倾角很小的航空或卫星影像，这些影像大多只有地物顶部的信息特征，缺乏地物侧面详细的轮廓及纹理信息，不利于全方位的模型重建和场景感知。并且，这些影像上建筑物容易产生墙面倾斜、屋顶位移和遮挡压盖等问题，不利于后续的几何纠正和辐射处理。 2008 年第 21 届 ISPRS 大会和 2011 年第 53 届德国摄影测量周，倾斜摄影测量技术都是大会的主要议题之一。新型多线面阵、多角度数码相机的应用如 ADS40/80、SWDC-5 等为多视影像和大角度倾斜影像的获取提供了可能；高性能倾斜摄影测量处理系统等的不断改进也使得倾斜影像的处理更加便利。 多角度相机及处理系统 多角度相机世界上较早的倾斜摄影相机被认为是徕卡公司 2000 年推出的 ADS40 三线阵数码相机，提供地物前视，正视和后视 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、93 个视角方向的影像。外国的一些先进公司专门研制了倾斜摄影用的多角度相机，可以同时获取一个地区多个角度的影像；我国的四维远见公司也研制了自主知识产权的多角度相机。河南城建学院本科毕业设计 第一章 引言21.1 传统建立城市三 维模型的方法传统建立城市三维模型的方法是，先要将需要建立模型的区域划分为若干个测区，采用外业人员手工拍照的方法，结合正摄影像，得到建筑物的结构和纹理，然后通过内业人员的处理，测区平面矢量图，屋顶矢量图等数据，建立白模，通过拍摄的纹理分析模型的细部结构，最后将拍摄的纹理处理后贴在白模上。1.2 传统建立城市三维模型的弊端传统建立三维城市模型的弊端在于，外业人员工作量大，拍摄时间长，存在漏拍等问题，导致内业人员只能靠猜测来分析部分建筑物的细部结构; 由于拍摄角度的原因，内业人员往往看不清屋顶的细节，照片的拍摄顺序也不一定符合内业人员的观察习惯，照片顺序凌乱，浪费了很多建模的时间，纹理拍摄的倾角不同，导致内业人员制作纹理时遇到困难。1.3 倾斜摄影测量的技术特点相对于正射影像，倾斜影像能让用户从多个角度观察被制作建筑，更加真实地反映地物的实际情况，极大地弥补了基于正射影像分析应用的不足，通过配套软件的应用，可直接利用成果影像进行包括高度 长度 面积 角度 坡度等属性的量测，扩展了倾斜摄影技术在行业中的应用， 针对各种三维数字城市应用，利用航空摄影大规模成图的特点，加上从倾斜影像批量提取及贴纹理的方式，能够有效地降低城市三维建模成本。1.4 倾斜摄影测量的意义倾斜摄影测量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，极大地提高了航摄影像处理的速度。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。河南城建学院本科毕业设计 第一章 引言31.5 线阵相机系统 三线阵 ADS40/80 相机系统可以获取高分辨率的影像，通过连续推扫式成像，其前视和后视相机可以提供同一航带上地物的倾斜影像。相机的前视倾角约为 28 度，后视倾角约为 14 度，获取的多视影像可以较为清晰地反映出地物的侧面纹理特征。此类影像处理很复杂， 需要伴随高精度的 POS 数据，生成多级影像产品，但前后视倾角难以获取地物完整的侧面轮廓。三线阵相机系统天宝 AOS 倾斜相机系统由 3 台大幅面数码相机组成，一台下视获取垂直影像，另外两台获取倾斜角度在 30 度到 40 度之间的倾斜影像。通过旋转型架构结构，实现前后左右倾斜和垂直五个方向的摄影。整个镜头在曝光一次后自动旋转 90 度，以此获取地物四个方向上的侧视影像。 五相机系统 SWDC-5 倾斜摄影相机由 5 台哈苏 H3D 相机组成，中间一台垂直摄影，其余四台分别向四个方向进行倾斜摄影，其倾斜角在 40 度到 45 度之间，相机上方安置有 IMU 导航系统， 同时集成 GPS 定位系统，可以在曝光瞬间准确获取相机倾角及外方位元素。因此可以较为完整地获取地物侧面的轮廓和纹理信息。其产品包含两级影像：具有一般分辨率的“Community” 级影像和基于其分割得到的较高分辨率的“Neighborhood”级影像。倾斜影像处理系统伴随多角度相机的是倾斜影像处理系统的快速发展。美国公司推出的倾斜影像处理软件，能够较好地实现倾斜影像的定位量测、轮廓提取、纹理聚类等处理功能。法国 Infoterra 公司的像素工厂 Pixel Factory 作为新一代遥感影像自动化处理系统，Street Factory 子系统可以对倾斜影像进行精确的三维重建和快速的并行处理。此外，徕卡公司的 LPS 工作站、AeroMap 公司的 MultiVision 系统、Intergraph 公司的 DMC 系统等， 都陆续开发了针对倾斜影像的量测、匹配、提取、建模等模块。 Pictometry 倾斜影像处理软件提供了倾斜影像管理工具 EFSElectronic Field Study，可以结合地理信息数据，对影像进行量测、定位、提取等操作，并对基于影像建立的模型做出一定的分析和可视化。其产品目前已在微软的 Virtual Earth 中得到应用。Street Factory 系统 Street Factory 系统通过对获得的倾斜影像进行几何处理、多视匹配、三角网构建，提取出典型地物的纹理特征，并对该纹理进行可视化处理，最终得到三维模型。依托 Pixel Factory 的影像解译和并行处理能力，Street Factory 仅依靠倾斜影像，无需 LIDAR 等辅助设备，便 可以提供逼真的建模场景和智能的处理流程，构建不同层次细节度下的三角网模型， 在精度、自动化、适应性及简洁性等方面都有着一定的优势。 河南城建学院本科毕业设计 第一章 引言41.6 倾斜摄影测量应用及前景倾斜摄影技术是国际测绘领域近些年发展起来的一项高新技术，颠覆了以往正射影像只能从垂直角度拍摄的局限。其通过在同一飞行平台上搭载多台传感器，同时从 1 个垂直 4 个倾斜等 5 个不同的角度采集影像，将用户引入到符合人眼视觉的真实直观世界，倾斜摄影成为建设数据城市中三维城市生产的新的高效的技术手段。倾斜摄影测量技术以大范围、 、高清晰的方式全面感知复杂场景，系统具备高性能的协同并行处理能力，在新一代城市空间数据基础设施建设中有着巨大的发展潜力。随着我国城市化进程的快速推进，精细化的三维城市模型作为城市规划、建设、管理和信息化的基础数据，得到了日益广泛的应用并逐渐成为城市空间数据框架的重要内容。然而，传统的航空和卫星遥感手段主要针对城市建筑顶部进行模型重建，而对侧面的三维重建一直缺少有效的解决手段。倾斜摄影技术的发展，可以有效解决这一难题，将静态的，基于立体像对和点特征的传统摄影测量技术推向了一个新的高度，即动态的，基于多视影像和对象特征的实时摄影测量技术。因此，诸如高分辨率 DSM、逼真的真正射影像和精细的三维城市模型等倾斜摄影测量产品需求尤为迫切，而发展基于多平台多传感器的倾斜影像自动化、智能化的处理技术，已经成为新一代数字摄影测量的主导。 该技术可广泛应用于测绘，国土安全，城市管理等领域。机载多角度倾斜摄影测量系统是新一代摄影测量系统，其主要内容包括倾斜摄影数据获取技术和相应的数据处理技术，该系统数据获取部分一般由 5 个数码相机组成，包括 1 个垂直摄影相机和 4 个倾斜摄影相机，系统还可将摄影相机与机载 GPS 接收机(高精度 IMU 进行高度集成。摄影相机用来提供影像信息，而 GPS IMU 则分别提供位置和状态信息。通过在系统中集成定位定姿设备或进行空中三角测量处理可为每张拍摄的影像提供位置姿态信息用于后续的数据处理。倾斜摄影测量系统是数字制图方面的一个重要突破，它使得非现场测量和分析不仅可在模型上进行而且也可在倾斜航片上进行。通过摄影测量方式获得的垂直正射像片和倾斜正射像片被整合到一个所谓的场景文件中而场景文件则提供了对任一地块建筑物构筑物及特征物的多维度多视向的观察。国外在上世纪 90 年代就开始了对倾斜摄影测量系统的研究，目前该技术正成为研究的热点和市场的应用方向，美国 pictometry 公司是世界上最早研究倾斜摄影技河南城建学院本科毕业设计 第一章 引言5术的公司。目前 pictometry 公司的倾斜摄影系统已在北美，欧洲得到广泛的应用。该类系统所具有的特点对人们使用地理空间信息的方式产生着很大的影响，它在美国的早期成功是用于突发事件方面的应用。而真正的发展始自于与微软的合作，并被集成进微软公司开发的 BingMaps。Goggle Earth 也可能集成大角度的倾斜影像。在欧洲市场，2005 年欧洲的布姆集团与 pictometry 公司签署了一份独家协议，利用 pictometry 公司系统进行 12 个国家的倾斜摄影应用。该项目覆盖西欧人口超过5 万的所有城镇 80%的人口，大约 1000 个城市，公司的欧洲项目图像分辨率为10cm12cm，位置精度约 0.5m。在倾斜摄影数据获取方面国内测绘行业在 2010 年首次引进倾斜摄影技术。倾斜摄影技术的引进和应用将开辟遥感影像应用的新领域提高我国数字城市建设的基础数据获取效率。在倾斜摄影数据处理方面华正空间（武汉）软件技术有限公司自主研发了基于航空倾斜影像的地理空间信息和应用平台系统，该系统软件所具有的影像三维量测技术能为公共安全及应急指挥，城市规划与管理，通讯，城市工程，军事等行业和领域提供真实实时，可量测的三维空间信息服务。经过地理参考定位的倾斜影像拓展了传统垂直影像的特性，提供了独特的透视观测方式，基于影像的三维测量系统具有如下的作用：1 直接观测到建筑物的立体，垂直影像上是很困难或不可能的；2 能够在影像上直接测量物体的高度 长度 面积等；3 改善了对电杆，灯杆等物体的识别，而要在正射影像上进行这些识别是很困难的；4 改善了非地图专业人员对地理信息的可读性；扩展了以倾斜影像的 3D 观测GIS 数据的方式。倾斜影像资料可以用于进行三维建模。常规的使用摄影测量技术 3D 建模是基于垂直摄影像片的，能够解决地面纹理，屋顶纹理和部分立面纹理，大部分的立面纹理需要依赖地面摄影来提供。地面摄影取立面纹理是一项耗费人力的繁琐工作。建筑物的几何模型可以用数字摄影测量技术来建立，或通过激光雷达获取的DSM 来建立。经过地理参考几何定位的倾斜像片可以用于给建筑物的几何模型提供纹理。如 Blom3D 可提供 4 种不同细节的 3D 模型：具有屋顶细节的 3D 块状模型；具有模板纹理细节及屋顶细节的块状模型；具有真实图像纹理细节的 3D 建筑物模