CN104463969A - 一种对航空倾斜拍摄的地理照片的模型的建立方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种对航空倾斜拍摄的地理照片的模型的建立方法，包括在内存中还原每张照片的虚拟相机模型，查询与定位粗略三维空间坐标对应的照片，为照片上勾勒的每个顶点寻找像素同名点、反算得到像素同名点的三维空间坐标，拟合计算每个顶点精确三维空间坐标，在航拍照片上勾勒建筑外形轮廓，和生成三维建筑模型。本发明所述建立方法对操作人员专业技术水平要求低、操作少，整个流程生产成本低、生产期短，得到的模型精度高、与地形高度吻合、视觉效果好，能够有效真实地反应现场。

Description

一种对航空倾斜拍摄的地理照片的模型的建立方法

技术领域

本发明涉及建筑的三维建模领域，具体涉及一种对航空倾斜拍摄的地理照片的模型的建立方法。

背景技术

快速三维城市建模、农村住宅建模，可以广泛应用于应急指挥、国土安全、城市管理、农村住宅管理等行业。传统手工建模工作效率低、成本高、工作难度大，只适合小范围局部建模；无法解决大范围城市建模的需求。由于传统手工建模工作效率低耗时长，很多对时效性要求高的行业应用无法能够及时得到三维模型数据，在一定程度上限制了三维模型数据的应用与推广。

倾斜测量属于摄影模拟测量，计算得到三维空间坐标误差较大，通常会有很多死角无法拍摄到或没有足够的重叠度照片，导致最终得到的三维模型扭曲变形严重。如果想得到更真实、效果更佳的三维建筑模型，就必须重新建模还原现场。目前三维建模的方法主要流程是：首先，手工画线条建立建筑模型的基本框架，简称“白模”；然后，通过查找航拍照片或人工现场拍摄照片；最后，通过辅助软件为每个多边形面片找到对应的图片，为每个顶点找到对应的图片纹理坐标。通常一栋建筑会有几千个顶点或上万个顶点组成，不管是建立“白模”还是为顶点找纹理坐标都是很耗时的作业，所以导致整个流程生产周期长、成本非常高、操作员技术水平要求高。另一方面，对于高层建筑物很难准确测量到每个坐标点的高度和相关尺寸，所以导致提交的模型精度较差、甚至尺寸与现实偏离甚远。如果模型的纹理图片是来自现场拍摄采集，采集的时间和设备与航拍三维地形的都不同会导致模型建好后，摆放到三维地形上，与地形严重不吻合、视觉效果差、不能有效反映真实现场。

发明内容

本发明设计开发了一种对航空倾斜拍摄的地理照片的模型的建立方法，通过在三维地形空间确定建模目标建筑位置，勾勒目标建筑每个面的轮廓多边形，计算机自动反算三维空间坐标和纹理坐标匹配生成三维建筑模型，整个建模过程，用户操作少、作业效率高。

本发明提供的技术方案为：

一种对航空倾斜拍摄的地理照片的模型的建立方法，包括以下步骤：

步骤一、对地形进行航空倾斜拍摄，获得一系列照片以及每张照片的外方位元素和内方位元素，在内存中还原每张照片的虚拟相机模型；

步骤二、在三维地形场景中，鼠标点击需要三维建模的目标建筑的第一顶点，由鼠标投影射线与地表求交，可以计算得到所述第一顶点的粗略三维空间坐标；

步骤三、将步骤二得到的粗略三维空间坐标在步骤一获得的所有照片的虚拟相机模型中投影，并计算在每张照片中的投影坐标，选择投影坐标落在底片范围内的所有照片，并分别标记对应的投影位置，即像素点；

步骤四、在步骤三得到的照片中，可以计算从拍摄照片的相机位置到对应照片的所有像素点的射线簇，在所述的射线簇中，每条射线对应的像素点，即为该射线对应的核点；

步骤五、选择第一相机位置点拍摄的所述目标建筑的一张目标照片，得到所述目标照片的虚拟相机模型，取所述目标照片上的一个像素在所述虚拟相机模型中进行投影计算，落在底片上的投影点，标记为第一投影点，连接所述第一相机位置点和所述第一投影点得到第一射线，第一射线对应的第一像素点，标记为第一核点；

步骤六、截取所述第一射线在所述目标建筑的高程值范围内的部分，得到第一核点对应的空间线段，标记为第一核点空间线段，将所述第一核点空间线段在步骤三得到的所有照片上投影，得到多条核线；

步骤七、选取所述第一核点一定范围内的像素，计算颜色梯度差，形成所述第一核点的像素匹配模板，在所述多条核线中的任意一条核线上移动匹配模板，寻找梯度差最接近的点作为像素同名点；

步骤八、通过所述像素同名点所在照片的相机信息和照片信息，反算得到拍摄所述像素同名点的第二相机位置点出发到所述像素同名点的一条射线，标记为第二射线；

步骤九、计算所述第一射线和所述第二射线的交点的三维空间坐标，即为所述第一顶点的三维空间坐标；

步骤十、重复步骤七至步骤九，分别对所述步骤六得到的多条核线处理，得到所述第一顶点的多个三维空间坐标，进行去除噪声、平差拟合处理得到所述第一顶点的精确三维空间坐标；

步骤十一、在步骤三得到所有照片中，挑选拍摄有目标建筑的视觉较好的照片，用多边形勾勒出所述目标建筑的每个平面的轮廓；

步骤十二、重复步骤二至步骤十，分别对步骤十一勾勒的所述目标建筑的每个顶点处理，计算所述目标建筑的所有顶点的精确三维空间坐标，得到这些顶点构成的平面对应的纹理图片三维坐标；

步骤十三、对步骤十一勾勒的多边形封闭区域提取对应的像素，并存储为新图片作为所述目标建筑的纹理资源，以此方法将每栋建筑的纹理资源与三维空间的多边形合成独立的模型。

优选的是，所述的对航空倾斜拍摄的地理照片的模型的建立方法，所述目标建筑的每个平面挑选三个距离较远的像素点作为控制点，对所述三个像素点分别寻找像素同名点，并计算其三维空间坐标，确定唯一的三维空间平面。

优选的是，所述的对航空倾斜拍摄的地理照片的模型的建立方法，步骤十一中，所述目标建筑的平面为弧形平面时，可以分解为很多三角形勾勒。

优选的是，所述的对航空倾斜拍摄的地理照片的模型的建立方法，所述外方位元素包括相机中心位置、XYZ三个方向的旋转角，所述内方位元素包括相机的焦距、底片大小、成像扭曲畸变参数。

本发明的有益效果是：

第一、整个建模过程，用户操作少、作业效率高，用户只需在三维地形空间中对着建模目标建筑位置双击一下鼠标，系统即可查找出目标区域对应的所有照片并且定位到对应的照片位置；接下来，只需在照片上做简单的二 维画图，勾勒出建筑每个面的轮廓多边形，计算机自动反算三维空间坐标和纹理坐标匹配生成三维建筑模型，相对传统手工建模比较，效率可提高数倍以上；

第二、对作业人员专业技术要求低，不需要经过3D建模专业培训，只要学习过建模相关知识，即时可以上岗作业；几乎所有的操作都是在二维图片上完成，操作步骤少、简易方便。

本发明所述建立方法对操作人员专业技术水平要求低、操作少，整个流程生产成本低、生产期短，得到的模型精度高、与地形高度吻合、视觉效果好，能够有效真实地反应现场。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

本发明提供一种对航空倾斜拍摄的地理照片的模型的建立方法，包括以下步骤：

步骤一、对地形进行航空倾斜拍摄，获得一系列照片以及每张照片的外方位元素(相机中心位置、XYZ三个方向的旋转角)和内方位元素(相机的焦距、底片大小、成像扭曲畸变参数)，在内存中还原每张照片的虚拟相机模型；

步骤二、在三维地形场景中，鼠标点击需要三维建模的目标建筑的第一顶点，由鼠标投影射线与地表求交，可以计算得到所述第一顶点的粗略三维空间坐标；

步骤三、将步骤二得到的粗略三维空间坐标在步骤一获得的所有照片的虚拟相机模型中投影，并计算在每张照片中的投影坐标，选择投影坐标落在底片范围内的所有照片，并分别标记对应的投影位置，即像素点；

步骤四、在步骤三得到的照片中，可以计算从拍摄照片的相机位置到对应照片的所有像素点的射线簇，在所述的射线簇中，每条射线对应的像素点，即为该射线对应的核点；

步骤五、选择第一相机位置点拍摄的所述目标建筑的一张目标照片，得到所述目标照片的虚拟相机模型，取所述目标照片上的一个像素在所述虚拟相机模型中进行投影计算，落在底片上的投影点，标记为第一投影点，连接所述第一相机位置点和所述第一投影点得到第一射线，第一射线对应的第一像素点，标记为第一核点；

步骤六、截取所述第一射线在所述目标建筑的高程值范围内的部分，得到第一核点对应的空间线段，标记为第一核点空间线段，将所述第一核点空间线段在步骤三得到的所有照片上投影，得到多条核线；

步骤七、选取所述第一核点一定范围内的像素，计算颜色梯度差，形成所述第一核点的像素匹配模板，在所述多条核线中的任意一条核线上移动匹配模板，寻找梯度差最接近的点作为像素同名点；

步骤八、通过所述像素同名点所在照片的相机信息和照片信息，反算得到拍摄所述像素同名点的第二相机位置点出发到所述像素同名点的一条射线，标记为第二射线；

步骤九、计算所述第一射线和所述第二射线的交点的三维空间坐标，即为所述第一顶点的三维空间坐标；

步骤十、重复步骤七至步骤九，分别对所述步骤六得到的多条核线处理，得到所述第一顶点的多个三维空间坐标，进行去除噪声、平差拟合处理得到所述第一顶点的精确三维空间坐标；

步骤十一、在步骤三得到所有照片中，挑选拍摄有目标建筑的视觉较好的照片，用多边形勾勒出所述目标建筑的每个平面的轮廓，所述目标建筑的平面为弧形平面时，可以分解为很多三角形勾勒；

步骤十二、重复步骤二至步骤十，分别对步骤十一勾勒的所述目标建筑的每个顶点处理，计算所述目标建筑的所有顶点的精确三维空间坐标，得到这些顶点构成的平面对应的纹理图片三维坐标；

步骤十三、对步骤十一勾勒的多边形封闭区域提取对应的像素，并存储为新图片作为所述目标建筑的纹理资源，以此方法将每栋建筑的纹理资源与三维空间的多边形合成独立的模型。

在上述技术方案中，即可实现模型的建立，但要对每个平面的每个顶点 计算像素同名点会造成工作量大，效率低下等弊端，故在一个新的方案中，所述目标建筑的每个平面挑选三个距离较远的像素点作为控制点，对所述三个像素点分别寻找像素同名点，并计算其三维空间坐标，确定唯一的三维空间平面。因为在勾勒多边形的时候用户已经假设所有点都是在同一个平面内，所以其余的点可以直接用射线与空间平面相交计算得到三维空间坐标，减少像素同名点匹配计算的次数，可以有效提高计算效率。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的实施例。

Claims (4)

1.一种对航空倾斜拍摄的地理照片的模型的建立方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、对地形进行航空倾斜拍摄，获得一系列照片以及每张照片的外方位元素和内方位元素，在内存中还原每张照片的虚拟相机模型；

步骤二、在三维地形场景中，鼠标点击需要三维建模的目标建筑的第一顶点，由鼠标投影射线与地表求交，可以计算得到所述第一顶点的粗略三维空间坐标；

步骤三、将步骤二得到的粗略三维空间坐标在步骤一获得的所有照片的虚拟相机模型中投影，并计算在每张照片中的投影坐标，选择投影坐标落在底片范围内的所有照片，并分别标记对应的投影位置，即像素点；

步骤四、在步骤三得到的照片中，可以计算从拍摄照片的相机位置到对应照片的所有像素点的射线簇，在所述的射线簇中，每条射线对应的像素点，即为该射线对应的核点；

步骤五、选择第一相机位置点拍摄的所述目标建筑的一张目标照片，得到所述目标照片的虚拟相机模型，取所述目标照片上的一个像素在所述虚拟相机模型中进行投影计算，落在底片上的投影点，标记为第一投影点，连接所述第一相机位置点和所述第一投影点得到第一射线，第一射线对应的第一像素点，标记为第一核点；

步骤六、截取所述第一射线在所述目标建筑的高程值范围内的部分，得到第一核点对应的空间线段，标记为第一核点空间线段，将所述第一核点空间线段在步骤三得到的所有照片上投影，得到多条核线；

步骤七、选取所述第一核点一定范围内的像素，计算颜色梯度差，形成所述第一核点的像素匹配模板，在所述多条核线中的任意一条核线上移动匹配模板，寻找梯度差最接近的点作为像素同名点；

步骤八、通过所述像素同名点所在照片的相机信息和照片信息，反算得到拍摄所述像素同名点的第二相机位置点出发到所述像素同名点的一条射线，标记为第二射线；

步骤九、计算所述第一射线和所述第二射线的交点的三维空间坐标，即为所述第一顶点的三维空间坐标；

步骤十、重复步骤七至步骤九，分别对所述步骤六得到的多条核线处理，得到所述第一顶点的多个三维空间坐标，进行去除噪声、平差拟合处理得到所述第一顶点的精确三维空间坐标；

步骤十一、在步骤三得到所有照片中，挑选拍摄有目标建筑的视觉较好的照片，用多边形勾勒出所述目标建筑的每个平面的轮廓；

步骤十二、重复步骤二至步骤十，分别对步骤十一勾勒的所述目标建筑的每个顶点处理，计算所述目标建筑的所有顶点的精确三维空间坐标，得到这些顶点构成的平面对应的纹理图片三维坐标；

步骤十三、对步骤十一勾勒的多边形封闭区域提取对应的像素，并存储为新图片作为所述目标建筑的纹理资源，以此方法将每栋建筑的纹理资源与三维空间的多边形合成独立的模型。

2.如权利要求1所述的对航空倾斜拍摄的地理照片的模型的建立方法，其特征在于，所述目标建筑的每个平面挑选三个距离较远的像素点作为控制点，对所述三个像素点分别寻找像素同名点，并计算其三维空间坐标，确定唯一的三维空间平面。

3.如权利要求1所述的对航空倾斜拍摄的地理照片的模型的建立方法，其特征在于，步骤十一中，所述目标建筑的平面为弧形平面时，可以分解为很多三角形勾勒。

4.如权利要求1所述的对航空倾斜拍摄的地理照片的模型的建立方法，其特征在于，所述外方位元素包括相机中心位置、XYZ三个方向的旋转角，所述内方位元素包括相机的焦距、底片大小、成像扭曲畸变参数。