基于摄影测量的高精度三维城市建筑物建模技术

24测绘信息与工程　JournalofGeomaticsOct.2007;32(5)

中图分类号:P231　　　文献标志码:B

文章编号:100723817(2007)0520024203

基于摄影测量的高精度三维城市建筑物建模技术

赖玲莉1　许妙忠1　李　明2

(1武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室;2武汉大学国际软件学院,武汉市珞喻路129号,430079)

摘　要　分析了摄影测量三维城市建筑物建模的需求和摄影测量方法在建筑物三维重建和三维城市建筑物数据更新方面的优势,讨论了基于摄影测量的三维城市建筑物建模的方法、流程和技术,实现了大范围城市建筑物和单个复杂建筑物的高精度三维重建。

关键词　数字城市;摄影测量;三维城市建筑物重建;数据更新　　全球化、信息化是未来城市经济发展的总趋势,实现城市信息化是一个城市融入全球化浪潮的必要条件,而城市信息化的最显著特征就是数字城市的建立[1]。数字城市的表现形式主要是三维模拟和虚拟现实两种。这两种表现形式在建筑物上都要求建立三维模型,其建立模型的对象主要有两种:一种是对整体建筑群进行三维建模,需要快速、高精度的重建大范围的城市建筑物;另一种是对单体建筑进行三维建模,可以是对城市建筑物更新区域的三维重建,下,其作业速度特别是在数据。对于变化区域或较复杂的建筑物,可结合地面近景摄影测量获取其数据,采用相应建模技术重建其三维模型。建筑物模型的可视化效果对于整个三维城市模型的逼真表达具有其他地物类型不可替代的作用,针对基于摄影测量的建筑物建模技术研究是必要的。

化等,极大地推动了数字摄影测量的实用化进程。目前,关于直接在立体航空影像上进行自动或半自动的提取屋顶数据,无论是计算机界还是摄影测量界都进行了大量的研究[4],但是在这方面的进展并不理,,经过解析摄影测量阶。目前,数字近景摄影测量己经突破了传统的近景摄影测量理论,能快速对变化区域建筑物进行三维重建,实现三维城市模型数据的及时更新,还可对航测方法无法重建的城市建筑物对象进行快速三维重建。随着数码相机的广泛应用,价格愈来愈低廉,利用数码相机所获取的影像进行建筑物的三维重建与量测是数字近景摄影测量发展的必然趋势,也是其研究热点与难点之一。

2　大范围建筑物的数据获取

基于摄影测量的三维城市建筑物模型重建,主要采用遥感影像以及基于数字摄影测量平台的数据采集方式采集大范围内的一般建筑物,对于较复杂的建筑物可将其三维数据导出,根据实际调研测量,利用其他建模策略获得其真实的三维模型,再追加到整个范围的三维模型中。

基于摄影测量工作站的特征数据获取,一方面需要遵循摄影测量的一般原则与流程,另一方面需要按照建立三维几何模型所制定的一系列规范与流程进行操作。基于数字摄影测量工作站特征编码数据获取的基本流程,包括数字摄影测量工作站的编码设置、测区分区划分、建筑物辨识与数据采集、数据导出与三维建筑物模型的编辑与检查等。三维建筑物数据采集的具体操作一般包括以下几个方面:

1)辨别建筑物类型,并将建筑物的结构进行恰当分解。2)在摄影测量工作站中选择相应特征编码。

3)按照该特征编码的相应采集方法进行特征点采集,

1　数据的获取方法

在数字城市建设中,建筑物除了表达其基本平面位置及高度信息外,还需表达其色彩纹理与几何外形特征,这些几何外形特征往往体现三维对象特别是建筑物对象的独特风格。但由于城市环境中建筑物之多,如果采用传统测量方法,其工作量之大令人难以忍受[2]。因而有许多学者对如何获取建筑物的几何外形特征(或要素方面)进行了深入研究。摄影测量技术由于其自身特点和优势,使用越来越普遍。

摄影测量主要是在像片上进行量测和解释,无需接触物体本身,较少受自然和地理条件限制,且能同时获取大量复杂的三维城市模型之几何信息与表面纹理信息。在数码城市中,建筑物的三维重建是一项很重要的工作。航空影像是建筑物重建的主要数据源,特别是数字摄影测量技术为三维城市数据的获取提供了最经济、快捷的方法,还可及时检测城市建筑物的变化并进行更新[3]。

随着影像匹配等理论与实践的发展,对摄影测量的自动化与半自动化起到了非常关键的作用,特别是影像定向的自动化、空中三角测量的自动化、DEM与正射影像生成的自动

项目来源:国家“863计划”资助项目(2006AA12A115)。

按采集顺序自动记录其用户码。

4)结束此特征码相关的所有特征码。5)进入下一建筑物的特征点采集。

测绘信息与工程　JournalofGeomaticsOct.2007;32(5)

三维特征编码数据的采集过程应遵循预先定义的特征编码及其相应量测方法,以尽量少的特征点表达地物的完整特征。在建筑物三维建模中,建筑物分类和编码是一个关键的问题。一方面在建筑物数据获取时要对建筑物进行分类,同时结合摄影测量工作站所提供的建筑物编码进行选择;另一方面在后续建模过程中,利用这些编码对建筑物进行分类。

在所需采集的地物实体的特征数据量测完成后,将特征编码数据导出,供后续自动建立三维几何模型使用。

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1)利用相机检校模板和PhotoModeler自带的相机检校

程序,对所用相机进行检校并建立其参数信息。

2)在目标上标定特殊点、线和面,然后利用数码相机在

作业现场摄取目标和控制点的数字像片。

3)将所获取的像片输入计算机。

4)识别并标记像片上控制点和同名特征点,进行影像

匹配。

5)利用PhotoModeler摄影测量模块生成目标点3D数

3　建筑物的三维建模

建筑物三维特征编码数据只是表达三维模型几何结构的特征点,各特征点间以及表面与表面间的相互关系隐含在编码数据文件中的特征码与用户码中。地物的三维表面模型还要通过建模软件才能真正自动地建立起来[5]。建立三维城市建筑物模型的数据处理流程如下:

1)将特征编码数据文件转换成建模软件可用的格式。

据流。

6)对简单建筑物直接建立建筑物含贴图的三维模型,

对复杂建筑物转入AutoCAD软件建模[7]。

如果采用高精度数码相机,严格控制数据,会取得更好的效果,并且可用于其他领域复杂表面构件的高精度三维测量。

5　应用实例

1)航测法重建大范围建筑物三维模型实例。主要以CyberCity项目巴黎测区为实例,在转换过程中,系统将自动进行基本的拓扑检查并提示错误。通过编码数据可返回数字摄影测量工作站,对照相应地物立体模型重测或进行修改。

2)利用建模软件进行自动或手动建模。对于较简单的

物重建技术,,CC2,,其城市建筑,大部分保持着法国十八、十九世纪哥特式的传统造型,密集且相互连接,一般高度在5～8层。项目工程量较大,要求测量和重建项目范围内的房屋(基本房),以及面积大于4m2或高度大于0.5m的房上房。

测量精度:按照1∶2000的制图精度。

模型要求:连接的房屋不能相交或分离;房上房必须经过编辑落在相应的大房顶上;模型在编辑后应满足共面、等高、平行或垂直。不能同时满足以上条件时,约束条件的优先顺序为共面、等高、平行或垂直。

试验内容。数据准备、数据采集、三维建模与编辑以及后续检查。

数据准备。收集相关资料,数据源是彩色航空影像,利用全数字摄影测量系统VirtuoZo进行内定向、相对定向、绝对定向和生成水平核线等工作,建立测区模型,然后统一规划人员,进行工作区的合理划分并命名编号,在此基础上就能较准确地进行工作量估计、时间进度计划和成本核算等。

数据采集。根据建筑物相应编码和测量方法,按工作区进行建筑物三维几何数据采集,获取建筑物的三维编码点云数据。这一过程需要耐心和经验,特别是巴黎建筑物一般较复杂且相互连接,需要采集人员很好地把握建筑物的结构并进行拆分和组合,构建建筑物较精确的模型。

三维建模与编辑。根据编码点云数据,利用瑞士建模软件

CC2Modeler建立建筑物的三维模型。对于简单的规则建筑物,

建筑物,一般自动建模即可;对于复杂建筑物,换法建模。

3)。4),,需在数字摄影测量平台中重新采集并按前面步骤建立模型,再追加到编辑工作区。

5)对所有建筑物边缘执行接边、平行、共面、垂直等处

理,完成三维几何模型的检查与编辑。

以上过程都需要根据应用目的和成本,按规范要求和经验在每个生产过程中进行严格检查,控制其质量,以获得满足应用要求的三维城市建筑物模型。

4　单体建筑物的三维重建

随着城市的快速发展,建筑物的变化也越来越明显,三维城市建筑物模型的重建还需要进行部分重测和补测;而且由于航测拍摄过程中不可避免的遮挡、拍摄死角产生的建筑物遗漏,以及该方法无法重建的复杂建筑物,在大范围建筑物三维重建中也面临建筑物的大量补测,这些情况用航测方法是行不通的。本节讨论一种简捷可行的方法,用数码照相机对建筑物摄影获取其数字影像,用摄影测量软件Photo2

Modeler获取构件特征点的三维坐标,对简单规则建筑物可

直接建立建筑物的三维模型,对复杂不规则的建筑物可导入

AutoCAD等进行建模。将数码相机应用于数字近景摄影测

量,是摄影测量发展的必然趋势,也为单体建筑物的三维数据获取与建模提供了一种快速、廉价且方便的方法。

PhotoModeler软件包由美国EOSSystem公司出品,是

可实现自动建模;对于复杂的不规则建筑物,则需采用人工干预。然后利用CC2Edit进行编辑检查,包括拓扑结构检查、建筑物同高检查、建筑物边缘垂直与平行检查以及建筑物共面检查等,完成后需满足项目要求,尽量保证模型精度。

图1是巴黎埃菲尔铁塔的拆分组合建模图,其中图1(a)为建筑物的左右影像,图1(b)为建筑物拆分组合并编辑完成

一个基于Windows平台的软件,利用数字近景摄影测量的原理与方法,从最简单的数据获取设备数码相机所获取的建筑物影像中,迅速捕获大量细节,提取三维测量数据,并建立建筑物含贴图的三维模型[6],其作业流程如下:

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后的模型效果图

。

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装图。莲花构件上的莲花中座,主体为圆形,底面内径为

756.9mm、上圆直径为1080mm、高288.2mm,由8个莲花

瓣组成。利用PhotoModeler摄影测量软件,结合AutoCAD建立其三维表面模型的实际做法如下:

在莲花构件的表面建一些标志,选择较好的天气,用数码相机(预先检校)在不同位置摄取100%重叠的6～8张像片(摄影距离1m左右,用不用脚架都行),同时用钢尺在莲

图1　巴黎埃菲尔铁塔的拆分组合建模图

花构件上准确量取至少一个长度;像片质量在现场立即检查,如果不满意则重新拍摄。

把影像数据转入计算机,先用图像处理软件,如目前流行的AdobePhotoshop软件对影像进行编辑和处理,主要是影像分割、边缘增强、色彩增强,然后存入工程影像目录。

用PhotoModeler软件进行摄影测量处理,方法及过程类似于摄影测量中的光束法平差。首先从工程影像目录中选择4～6张影像,给出相机参数信息,单独或相关标定像片上的所有待定点,至少给出一个距离相对控制,进行影像匹配,获取像片同名点坐标,DXF格式文件存入,如图3()所示。

中,,,利用

,建立宝顶莲花构件的三维

后续检查。所有工作区建筑物编辑完成后,需满足测区规范和要求,将各工作区所有建筑物叠加到该区域的DEM上,使基本房落在DEM上,这时也可检查出个别没落在基本房上的房上房,并需对其进行修正。最后将所有数据加载到一起,并对模型间所有建筑物接边情况进行严格检查。图

2

图2　巴黎测区建筑物某个区域三维重建成果图

。

2),3(b)所示。图3(c)为莲花与宝顶分构件组装图,图3(d)为宝顶与钟楼总体组装图。

图3　宝顶莲花构件及其三维模型与组装图

6　结束语

摄影测量给三维城市建筑物模型数据的获取提供了一个很好的途径,随着数字摄影测量工作站技术水平的提高,以及数码相机在摄影测量中的广泛使用,我们可以获得更丰富、更精确的三维城市模型数据,摄影测量必将在建设中国数字城市工程中独占一隅,发挥其更大的优势

[8]

[3]李德仁,朱庆,李霞飞.数码城市:概念、技术支撑和典型应用

[J].武汉测绘科技大学学报,2000,25(4):2832288

[4]张祖勋,张剑清.城市建模的途径与关键技术[C].世界科技研究

与发展院士论坛,2003

[5]朱庆,林珲.数码城市地理信息系统———虚拟城市环境中的三维

城市模型初探[M].武汉:武汉大学出版社,2004

[6]LynnerupN,AndersenM,LauritsenHP.FacialImageIdentifica2

tionUsingPhotomodeler[J].LegalMedicine,2003(5):1562160[7]EosSystemsInc.PhotoModelerPro5.0UserManual[M].

American:EosSystemsInc.,2004

[8]李新召.基于摄影测量与遥感的数据获取[J].北京测绘,2003

(4):47249

[9]向浩,杜志强,林苏靖.三维城市模型小品的建模方法[J].测绘

。

三维城市建筑物建模已经成为国内外建立数字城市的热点,但是我们必须清晰地认识到,城市建筑物建模仍然还有不少关键问题有待进一步解决,迫切需要关于对三维城市建筑物建模技术更全面、更深入的研究,以建立更逼真、更精确的三维城市建筑物模型。参考文献

[1]朱庆,李德仁,龚健雅,等.数码城市GIS的设计与实现[J].武

信息与工程,2006,31(1):47249

[10]朱宜萱,黎景良,宁晓刚,等.应用GeoStar建立数字佛像三维模

型的研究[J].测绘信息与工程,2004,29(4):729　收稿日期:2007204218。

第一作者简介:赖玲莉,硕士研究生,现研究摄影测量与三维建模。E2mail:xiaoli19820@

汉大学学报 信息科学版,2001,26(1):37240

[2]ZhuYixuan,XuMiaozhong.ATechniqueofDigitalSurface

ModelGeneration[J].Geo2spatialInformationScience,2001,4(4):61265

测绘信息与工程　JournalofGeomaticsOct.2007;32(5)

文章编号:100723817(2007)0520027203

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中图分类号:P231.5　　　文献标志码:B

基于Photomod3.11制作数字正射影像

HabibAzizSalim　陈晓玲　江万寿　郝中豫　吴忠宜

(武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室,武汉市珞喻路129号,430079)

摘　要　介绍了俄罗斯的数字摄影测量系统Photomod3.11,分析了采用比例尺为1∶20000的航片制作数字正射影像的流程,试验表明其能满足1∶5000地形图的精度要求。关键词　数字摄影测量;空中三角测量;数字正射影像;数字地面模型　　在过去10年间,数字摄影测量系统在地形测量中得到了广泛的应用。与模拟和解析摄影测量系统相比,数字摄影测量系统更加高效,更加适应GIS和CAD系统的需求,还可与传统的地形和地籍制图相结合,这也是综合各种技术生成数字地图和管理不同部门和机构的文件所必需的。航片是地形测量中采用的主要数字摄影产品,摄影测量处理中最重要的一步是按照不同的应用需求对航片进行转换,制作地图

[1]

AT模块用于航带数字空中三角测量。将地面控制点或GPS观测点作为输入参数,确定扫描数字化影像和数字影像

的内外方位元素,为其他模块提供数据。其中的节点采集程序提供了与三维立体测量类似的自动和半自动工具。

Solver模块用于航带平差,DTM的工具,如创建数

。介绍了俄罗斯的数字摄影测量系统Photomod3.11,

以及采用该系统制作数字正射影像的技术。中的不规则三角网(TIN)、点、断裂线以。支持好几种自动创建TIN的方法,断裂线可以和TIN链接,以提高连续地形的测量精度。TIN既可以在立体模型中编辑,也可以在特定的3D窗口中编辑。DTM模块包括若干功能,如简化或组合TIN节点的编辑,编辑断裂线、编辑和平滑等高线等。

StereoDraw模块用于提取三维地貌。在平面模式和立

1　Photomod简介

PhotomodРакурс公司

公开发布,以PC,可处理由硬拷贝航片和地面近景摄影像片扫描的数字影像,直接由数字测量系统获取的航空航天数字影像等多种数据。通过互补色眼镜直接在显示器上进行数字影像的立体像对观测。其主要功能模块包括:MontageDesktop、AT、Solver、DTM、StereoDraw、Mosaic和Vector[2]。

MontageDesktop模块是该系统的核心部分,用来新建、

体模式下都可以新建、编辑、量测三维矢量对象。Stereo2

Draw提供了一系列有用的功能,如自动地形跟踪,固定鼠标

的Z坐标轴,捕捉二维、三维矢量元素,复制、移动矢量对象,生成缓冲区等。

Mosaic模块用于生成正射镶嵌图。支持由DTM模块

删除、复制工程,输入相机参数以及启动其他系统模块,为视图加载所支持类型(TIN、GRID、等高线和3D矢量图)的对象等,同时能创建TIN、GRID、等高线和输入输出不同类型的对象。

得到的DEM或导入的其他格式DEM做正射校正,易于使用的图例编辑可将多幅影像拼接成镶嵌图,亮度调整和隙缝羽化算法,保证了镶嵌时的辐射均衡。

项目来源:教育部长江学者和创新团队发展计划基金资助项目(IRT043);国家自然科学基金资助项目(40523005)。

3DMODELINGOFBUILDINGWITHHIGHPRECISIONBASED

ONPHOTOGRAMMETRY

LAILingli1　XUMiaozhong1　LIMing2

(1StateKeyLaboratoryofInformationEngineeringinSurveying,MappingandRemoteSensing;2InternationalSchoolofSoftware,WuhanUniversity,129LuoyuRoad,Wuhan430079,China)

ABSTRACT　Thedemandof3DModelingofBuildingandthepredominanceofphotogrammetry

inreconstructionthe3Dbuildingsand3Dbuildingmodeldataupdatingisanalyzed,themethodandtechnologyof3Dmodelingofbuildingbaseduponphotogrammetryarediscussed.Thenthebigarea’sbuildingsandthesinglecomplexitybuildingswithhighprecisionaresetup.KEYWORDS　cybercity;photogrammetry;3Dmodelingofbuilding;dataupdating

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/bo2m.html