CN106327573B - 一种针对城市建筑的实景三维建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及三维建模技术领域，公开了一种针对城市建筑的实景三维建模方法。通过将航空倾斜摄影测量与地面车载移动测量进行有机的结合，进行空地一体化地全方位空间信息的提取和处理，从而可快速建立城市建筑实景三维模型，最大限度地弥补航空倾斜摄影在近地面的不足，充分发挥车载移动测量在近地面的优势。

Description

一种针对城市建筑的实景三维建模方法

技术领域

本发明涉及三维建模技术领域，具体地，涉及一种针对城市建筑的实景三维建模方法。

背景技术

随着“数字城市”、“智慧城市”、城市规划与管理、建筑景观设计、三维导航以及旅游开发等对城市真三维模型的需求，快速建立有真实纹理的真实感城市三维景观日益突显出较高的经济价值和应用前景。目前，数字城市三维景观模型中最为重要的模型包括地形和建筑三维模型，其中建筑物三维模型的建立是“数字城市”建设的一项基础内容。建筑物三维建模最重要的两个步骤就是建立建筑物几何模型(白模)和给建筑物添加纹理信息。

根据采用的技术手段和表现形式不同，建筑物三维建模方法主要分为模拟建模、半模拟建模和测量建模三大类。前两种方法是将地物的平面轮廓模型与高程模型相结合，依靠人工建立几何模型、采集以及粘贴模型纹理等工作来建立建筑物三维模型，该方法虽然简单，但是对于城市内数千乃至数万的建筑物而言，该方法耗时耗力、工作量大、周期长、成本高以及建立的模型与实际模型相差较大，显然不适用于城市大场景实景三维建模。

目前，大范围三维数字城市模型的生产还是采用测量建模法，该方法主要通过传统的航空摄影测量方法来实现，由于是基于垂直摄影的成像方式，只能获取地物的空间位置信息和顶部纹理信息，地物的立面纹理信息还需要通过费时费力的实地摄影采集方式获取，这就造成了影像数据的获取方式存在差异以及地物信息获取的时间不同步,该方法虽然满足大批量数据处理，也能够真实的获取建筑物信息，但是生产流程复杂、成本高、工作强度大以及需要整合的信息量巨大，目前应用较为困难。

随着空间成像观测技术的出现，传统的航空摄影测量在一定程度上，正被越来越多的高分辨率遥感卫星图像所代替。现在部分高分辨率的卫星影像已经可以得到比航空成像设备更详细的地面信息影像。尽管如此，卫星图像仍具有与正射影像观测和解译中相同的问题，即仅有地表顶部信息，应用于建筑物三维建模仍缺失建筑物侧面信息，建筑物侧面纹理信息仍需要借助实地耗时耗力的摄影采集方式，这致使建模数据和纹理数据的获取时相不一致，从而严重影响模型的表现效果。

在测绘仪器领域，倾斜摄影技术和移动测量系统(mobile mapping system， MSS)是两项正在快速发展的新型信息采集技术。航空倾斜摄影测量技术颠覆了传统航空摄影模式只从单一垂直角度进行拍摄的局限，通过在一个飞行平台上同时搭载多个各成角度的传感器，分别从垂直和倾斜角度获取地面多方向的立体图像信息，配合机身携带的高精度导航卫星定位接收机和惯性测量单元(inertial measurement unit，IMU)，航摄仪所拍摄图像的绝对位置可以通过地理参考直接计算获得，避免了传统空中三角测量的后处理工作。倾斜摄影测量获得的多视角倾斜航空影像，不仅能够真实地反映地物，高精度地获取建筑物顶面及侧面纹理信息，还可通过先进的定位、融合、建模等技术，生成真实的三维数字城市模型。倾斜摄影技术不仅可以大大提高地表特征的航摄解译和三维模型生产效率，还能够提供多种直接的测量手段，如对距离、高度、面积以及坡度等的测量。

而另一项面向三维数字城市模型构建的技术解决方案是移动测量系统。通常情况下，MMS集成设备安装在被改装过的运载车辆平台上，其上配备有多种传感器，如CCD照相和摄像机、卫星定位接收机、惯性测量单元以及移动激光雷达扫描仪等。通过这些设备与车载计算机和存储设备连接，MMS可以借由主动发送扫描信号扫描运动经过的周边环境并记录各种信号，这些获取的信息通过IMU 反算可得到扫描时所处的即时位置。该系统不仅能在移动中拍摄图像，还使这些图像具有精确的空间位置和相对位置关系，可以将拍摄相片转化为可以实际量测的数字可量测影像(digital measurable image，DMI)，使其成为一种新的基础地理测绘产品形态，作为传统4D基础测绘产品的补充。车载MMS能够获得具备高位置精度和高分辨率的街景影像，这些影像提供了丰富的立面信息，而这些信息可以用来加快城市复杂真三维模型的生成，但由于成像原理的问题，使得MMS 缺乏采集对象的顶部数据和纹理。

城市建筑物大多高而密集，仅用倾斜摄影测量建立的三维模型有一定的局限性，主要表现在：(1)近地面细节不清晰，少数模型的房角与地面结合处变形较大，这主要集中在建筑物密集和楼间距狭小区域，由于建筑物的遮挡，倾斜摄影获取的同名像点数过少，造成影像匹配的有效检核数据不足，导致地面低处模型空洞，影响模型的精度；(2)近地面数据丢失：建筑物低层侧面的纹理信息往往难采集到，而且对于侧面属于玻璃幕墙或具有较强光反射效果材料的建筑物，容易造成侧面纹理缺失。

然而，车载移动测量系统能够方便快捷地穿梭于建筑物高而且密集的地区，由于具有高精度定位定姿系统，车载移动测量系统所获得的影像数据，每张影像都具有定向元素，利用摄影测量原理共线条件方程，可计算每个像素点对应地物的地理空间坐标信息，使得处理后的影像精度能够满足倾斜摄影测量三维建模的需要。

航空倾斜摄影测量虽然存在近地面数据丢失、近地面细节不清晰和地面模型空洞等不足之处，但是其具有较好的全局性和完整准确的高层数据信息；相反，车载地面移动测量技术作为一种发展较为成熟的技术，其车载移动测量影像可最真实的表现近地面景物信息。其近地面数据完整、细节清晰，但是其在全局上呈现不足，高层信息存在缺失。因此，为了最大限度地弥补航空倾斜摄影在近地面的不足，充分发挥车载移动测量在近地面的优势，将航空倾斜摄影测量与地面车载移动测量进行有机的结合，建立空地全方位信息一体化可量测模型来进行全方位空间信息的提取，从而进行城市建筑实景三维模型的快速生产。该方法工作量小、成本低且周期短，可广泛应用于城市大场景实景三维模型的建立。

发明内容

针对前述城市大场景实景三维建模的需求以及目前常规建模方法存在的问题，本发明提供了一种针对城市建筑的实景三维建模方法，通过将航空倾斜摄影测量与地面车载移动测量进行有机的结合，进行空地一体化地全方位空间信息的提取和处理，从而可快速建立城市建筑实景三维模型，最大限度地弥补航空倾斜摄影在近地面的不足，充分发挥车载移动测量在近地面的优势。

本发明采用的技术方案,提供了一种针对城市建筑的实景三维建模方法，包括如下步骤：S101.获取建模数据：一方面利用航空倾斜摄影系统获取待建模区域的多视角倾斜航空影像和同步记录的机载POS数据，所述多视角倾斜航空影像包括正视角航空影像和侧视角倾斜航空影像，另一方面利用车载移动测量系统获取待建模区域的车载移动测量影像和同步记录的车载POS数据，所述车载移动测量影像包括车载数字相机在车辆行驶过程中获取的影像；S102.对建模数据进行预处理：一方面对所述多视角倾斜航空影像和所述机载POS数据进行处理，依次获取待建模区域的数字表面模型数据、数字高程模型数据和数字正射影像数据，另一方面对所述车载移动测量影像和所述车载POS数据进行处理，获取所述车载移动测量影像的定向元素；S103.构建建筑物几何模型：先获取待建模区域的建筑物几何边框，然后将所述建筑物几何边框与所述数字表面模型数据和所述数字正射影像数据进行配准和套合，完成建筑物几何模型的构建；S104.提取建筑物纹理：针对各个建筑物，一方面将该建筑物的各个顶点投影至正视角航带影像中，获取建筑物顶面纹理，所述正视角航带影像为倾斜摄影飞行航带中所有正视角航空影像的影像集合，另一方面从所有侧视角倾斜航空影像中选取成像角度最佳且无遮挡的影像作为建筑物侧面纹理；S105.建筑物实景三维模型建立：针对各个建筑物，先将对应的建筑物顶面纹理和建筑物侧面纹理映射到该建筑物的几何模型上，然后判断该建筑物侧面是否存在细节不清晰或纹理模糊的待修正区域，若存在，则截取与该建筑物几何模型侧面相对应的且具有定向元素的车载移动测量影像，来对所述待修正区域进行修正，得到具有精细纹理信息的建筑物实景三维模型。

优化的，在所述步骤S101之前还包括如下步骤：S100.导入建模数据获取技术参数：针对多视角倾斜航空影像的获取，向所述航空倾斜摄影系统导入第一建模数据获取技术参数，针对车载移动测量影像的获取，向所述车载移动测量系统导入第二建模数据获取技术参数。

优化的，在所述步骤S102中，对所述多视角倾斜航空影像和所述机载 POS数据进行处理的步骤包括如下：S201.对所述多视角倾斜航空影像依次进行畸变差校正、影像旋转和匀光匀色处理，并选出正视角航空影像和侧视角倾斜航空影像；S202.对所述机载POS数据进行解算处理，然后结合地面控制点数据、所述正视角航空影像和所述侧视角倾斜航空影像进行空中三角测量，得到与每张所述多视角倾斜航空影像相对应的外方位元素；S203.根据所述空中三角测量的加密成果，并结合所述正视角航空影像和所述侧视角倾斜航空影像，运用影像密集匹配技术依次获取待建模区域的数字表面模型数据、数字高程模型数据和数字正射影像数据。

优化的，在所述步骤S102中，对所述车载移动测量影像和所述车载POS 数据进行处理的步骤包括如下：S301.对所述车载POS数据进行解算处理，得到移动测量车在行进过程中的位置坐标、姿态、加速度和角速率信息；S302.将POS 数据解算处理成果与车载数字相机的定位定姿参数和内方位元素相结合，获取所述车载测量影像数据的定向元素。进一步优化的，在所述步骤S301中还包括如下步骤：对所述车载POS数据和静态基站GNSS数据进行融合处理，解算出移动测量车在行进过程中的位置坐标，所述静态基站GNSS数据为利用静态GNSS观测基站获取的数据。

优化的，在所述步骤S103中，所述获取待建模区域的建筑物几何边框的步骤如下：若存在待建模区域的数字线划图，则直接从所述数字线划图中提取出建筑物几何边框；若不存在待建模区域的数字线划图，则从所述数字正射影像数据中提取建筑物几何边框，或者以倾斜航空影像的立体像对为基础，分别从左、右侧视角倾斜航空影像中提取建筑物的顶部轮廓点，组成建筑物几何边框。

优化的，在所述步骤S103中，各个建筑物的构建步骤包括如下：S501.从所述建筑物几何边框中提取建筑矢量边界的角点坐标，对每个角点分别在所述数字表面模型数据和所述数字高程模型数据中提取对应该点平面坐标位置的高程值，即得到该角点的底点和顶点；S502.有序连接相邻两角点的底点和顶点，得到建筑物侧面，有序连接所有的底点，得到建筑物底面，有序连接所有角点的顶点，得到建筑物顶面，最终构成建筑物几何模型。

优化的，在所述步骤S104中，从所有侧视角倾斜航空影像中选取成像角度最佳且无遮挡的影像作为建筑物侧面纹理的步骤包括如下：S601.采用视角法从侧视角倾斜航空影像集中选出成像角度最佳的影像；S602.利用深度缓存算法判断在所选影像中的建筑物是否被遮挡，如被遮挡，则在所述侧视角倾斜航空影像集中删除所选影像，并返回执行步骤S601,否则将所选影像作为建筑物侧面纹理。

优化的，在所述步骤S105中，先将对应的建筑物顶面纹理和建筑物侧面纹理映射到该建筑物的几何模型上的步骤包括如下：S701.利用最小二乘法修正与建筑物侧面纹理相对应的多视角倾斜航空影像的外方位元素；S702.将建筑物的几何模型侧面投影到与建筑物侧面纹理相对应的且带有修正后的外方位元素的多视角倾斜航空影像上，然后将边缘吻合的纹理部分添加到该建筑物的几何模型上。

优化的，在所述步骤S105中，通过截取该车载移动测量影像来对所述待修正区域进行修正的步骤包括如下：S801.截取与建筑物几何模型侧面相对应的所有车载移动测量影像，然后对所述车载移动测量影像定位定向，再然后将其转换至多视角倾斜航空影像的物方空间坐标系中；S802.选取建筑物几何模型侧面，并获取模型面角点的物方坐标(X1、Y1、Z1)，根据已知车载移动测量影像的内、外方位元素及其本身的投影框物方坐标(X2、Y2、Z2)，判断每张车载移动测量影像与该建筑物几何模型侧面是否空间相交，筛选出与该建筑物几何模型侧面空间相交的所有车载移动测量影像，构成车载移动测量影像集；S803.利用共线条件方程，计算出所选建筑物 几何模型侧面在所述车载移动测量影像集中每张影像上的投影像点坐标(x,y)，通过筛选算法并按照影像质量及影像投影面最优原则对所述车载移动测量影像集进行影像排序，选择最优车载移动测量影像的纹理，并计算出纹理坐标，最后将计算出的纹理坐标映射到所选建筑物几何模型侧面上，实现对所述待修正区域的修正。

综上，采用本发明所提供的一种针对城市建筑的实景三维建模方法，具有如下有益效果：(1)该方法基于倾斜摄影数据和车载移动测量影像数据，可得到地面建筑精确的几何模型以及顶面和侧面真实的纹理信息，结合三维模型制作，能够得到真实的三维场景；(2)该方法效率高、工作量小、成本低且周期短，建立的建筑物几何模型真实、精度高且能表现细部特征，解决了传统三维建模效率低、不能够很好地反映真实地物以及真实纹理采集困难的问题；(3)解决了建立的实景三维模型精细度和纹理不够理想而需要事后处理加工等问题，为快速建立高精度、低成本的三维数字城市模型提供了一个有效途径，非常适合于大规模区域的城市实景三维建模。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的针对城市建筑的实景三维建模方法的工作流程示意图。

图2是本发明提供的目标区域多视角航空拍摄示意图。

图3是本发明提供的中心投影与倾斜投影原理的对比示意图。

图4是本发明提供的倾斜影像的选择示意图。

图5是本发明提供的共线条件方程的定义示意图。

具体实施方式

以下将参照附图，通过实施例方式详细地描述本发明提供的针对城市建筑的实景三维建模方法。在此需要说明的是，对于这些实施例方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。

本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，单独存在B，同时存在A和B三种情况，本文中术语“/和”是描述另一种关联对象关系，表示可以存在两种关系，例如，A/和B，可以表示：单独存在A，单独存在A和B两种情况，另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”关系。

实施例一

图1示出了本发明提供的针对城市建筑的实景三维建模方法的工作流程示意图，图2示出了本发明提供的目标区域多视角航空拍摄示意图，图3示出了本发明提供的中心投影与倾斜投影原理的对比示意图，图4示出了本发明提供的倾斜影像的选择示意图，图5示出了本发明提供的共线条件方程的定义示意图。本实施例提供的所述针对城市建筑的实景三维建模方法，包括如下步骤。

S101.获取建模数据：一方面利用航空倾斜摄影系统获取待建模区域的多视角倾斜航空影像和同步记录的机载POS数据，所述多视角倾斜航空影像包括正视角航空影像和侧视角倾斜航空影像，另一方面利用车载移动测量系统获取待建模区域的车载移动测量影像和同步记录的车载POS数据，所述车载移动测量影像包括车载数字相机在车辆行驶过程中获取的影像。

在步骤S101之前，优化的，还包括步骤：S100.导入建模数据获取技术参数：针对多视角倾斜航空影像的获取，向所述航空倾斜摄影系统导入第一建模数据获取技术参数，针对车载测量影像的获取，向所述车载移动测量系统导入第二建模数据获取技术参数。在所述步骤S101中，所述第一建模数据获取技术参数和所述第二建模数据获取技术参数关系着获取对应建模数据的数据质量、数据覆盖范围等，是后续影像成果制作的基础，其中，所述第一建模数据获取技术参数可以但不限于包括航线敷设、重叠率、分辨率、航向以及航高等方面的技术参数。这些技术参数的导入通常在人工设定后导入到对应的系统中，例如由人工根据目标区域(即待建模区域)的地形走势，来规划出合适的航线敷设，然后应用计算机技术导入到所述航空倾斜摄影系统中。由于实景三维模型的制作对航片重叠率的要求很高，且航片重叠率越大，航片拼接时同名点数越多，相对定向中误差越小，因此为确保获取建模数据的数据质量，在数据获取时应采用大重叠率敷设方案。同时在航线侧方向的目标区域外侧，应相应地多敷设两条航线，以保证前后视镜头和侧视镜头均完整覆盖摄区。

在所述步骤S101中，建模数据获取包括两个部分：其一，进行基站架设，利用航空倾斜摄影系统获取待建模区域的多视角倾斜航空影像和同步记录的机载POS数据，所述多视角倾斜航空影像包括正视角航空影像和侧视角倾斜航空影像：将不同视角的摄影相机搭载在同一飞行平台上，以5拼相机为例，由竖直向下、前视、后视、左视以及右视5个视角在飞行时对目标区域进行拍摄，其中，竖直向下的相机获取底部区域范围的影像(即正视角航空影像)，其余四个视角的相机获取东南西北方向的倾斜影像(即侧视角倾斜航空影像)。对于同步记录的机载POS(positioning and orientation system，测姿定位系统)数据，由机身携带的高精度导航卫星定位接收机和惯性测量单元(inertial measurement unit，IMU)组成的POS组件获取，用于确定精确位置，以及获取倾斜镜头采集时的时间、位置、高程、航向和速度等状态信息。由此通过机载POS系统 (positioning and orientation system，测姿定位系统)，可以获取每张影像精确的位置及姿态信息(使每张获取的影像都带有高精度地理位置信息)，同时在拍摄影像时记录航高、曝光时间、经纬度坐标、大地高以及姿态等信息，以便于后续对多视角航空倾斜影像进行分析与整理。目标区多视角航空拍摄的示意图如图2所示，中心投影与倾斜投影原理对比图如图3所示。对于获取的所述多视角倾斜航空影像，一方面用于摄影测量处理，另一方面用于作为后续三维模型所用的纹理数据，获取建筑物的表面纹理，满足实景三维建模需要。其二，利用车载移动测量系统获取待建模区域的车载移动测量影像和同步记录的车载POS数据，所述车载移动测量影像包括车载数字相机在车辆行驶过程中获取的影像。通过搭载在移动测量车上的车载数字照相机获取所经路径的街景影像，其用于作为后续建筑物侧面纹理的修正素材。对于同步记录的车载POS数据，由惯性测量系统(IMU)、距离测量仪(DMI)和GNSS(Global Navigation Satellite System，即全球导航卫星系统的简称)接收机等设备获取，用于精确定位车辆在行驶过程中的位置。

S102.对建模数据进行预处理：一方面对所述多视角倾斜航空影像和所述机载POS数据进行处理，依次获取待建模区域的数字表面模型数据、数字高程模型数据和数字正射影像数据，另一方面对所述车载移动测量影像和所述车载POS 数据进行处理，获取所述车载移动测量影像的定向元素。

在步骤S102中，建模数据预处理包括两部分：其一，对所述多视角倾斜航空影像和所述机载POS数据进行处理，其步骤包括如下：S S201.对所述多视角倾斜航空影像依次进行畸变差校正、影像旋转和匀光匀色处理，并选出正视角航空影像和侧视角倾斜航空影像；S202.对所述机载POS数据进行解算处理，然后结合地面控制点数据、所述正视角航空影像和所述侧视角倾斜航空影像进行空中三角测量，得到与每张所述多视角倾斜航空影像相对应的外方位元素；S203. 根据所述空中三角测量的加密成果，并结合所述正视角航空影像和所述侧视角倾斜航空影像，运用影像密集匹配技术依次获取待建模区域的数字表面模型数据、数字高程模型数据和数字正射影像数据。其二，对所述车载测量影像和所述车载 POS数据进行处理，其步骤包括如下：S301.对所述车载POS数据进行解算处理，得到移动测量车在行进过程中的位置坐标、姿态、加速度和角速率信息；S302. 将POS数据解算处理成果与车载数字相机的定位定姿参数和内方位元素相结合，获取所述车载测量影像数据的定向元素。此外，还可以利用摄影测量原理共线条件方程，计算每个像素点对应地物的地理空间坐标信息。优化的，在所述步骤 S301中还包括如下步骤：对所述车载POS数据和静态基站GNSS数据进行融合处理，解算出移动测量车在行进过程中的位置坐标，所述静态基站GNSS数据为利用静态GNSS观测基站获取的数据。所述静态GNSS观测基站为在采集工作附近或待建模区域中布置的静态GNSS观测基站，以便车载移动测量系统中GNSS接收机能够获取静态基站GNSS数据。最后根据解算出来的坐标成果(即位置坐标)处理车载测量影像数据。

S103.构建建筑物几何模型：先获取待建模区域的建筑物几何边框，然后将所述建筑物几何边框与所述数字表面模型数据和所述数字正射影像数据进行配准和套合，完成建筑物几何模型的构建。

在步骤S103中，建筑物几何模型包括建筑物的空间位置及建筑物各部分三维信息。所述获取待建模区域的建筑物几何边框的步骤如下：若存在待建模区域的数字线划图，则直接从所述数字线划图中提取出建筑物几何边框；若不存在待建模区域的数字线划图，则从所述数字正射影像数据中提取建筑物几何边框，或者以倾斜航空影像的立体像对为基础，分别从左、右侧视角倾斜航空影像中提取建筑物的顶部轮廓点，组成建筑物几何边框。本实施例以倾斜航空影像的立体像对为基础，分别从左、右侧视角倾斜航空影像中提取建筑物的顶部轮廓点，组成建筑物几何边框。然后将以上提取的几何边框与经预处理得到的产品(即所述数字表面模型数据和所述数字正射影像数据等)进行配准和套合，继而完成建筑物几何模型的构建。

以单栋建筑物为例，说明各个建筑物的构建步骤包括如下：S501.从所述建筑物几何边框中提取建筑矢量边界的角点坐标，对每个角点分别在所述数字表面模型数据和所述数字高程模型数据中提取对应该点平面坐标位置的高程值，即得到该角点的底点和顶点；S502.有序连接相邻两角点的底点和顶点，得到建筑物侧面，有序连接所有的底点，得到建筑物底面，有序连接所有角点的顶点，得到建筑物顶面，最终构成建筑物几何模型。

S104.提取建筑物纹理：针对各个建筑物，一方面将该建筑物的各个顶点投影至正视角航带影像中，获取建筑物顶面纹理，所述正视角航带影像为倾斜摄影飞行航带中所有正视角航空影像的影像集合，另一方面从所有侧视角倾斜航空影像中选取成像角度最佳且无遮挡的影像作为建筑物侧面纹理。

在步骤S104中，建筑物纹理提取的好坏直接影响到建筑三维建模的视觉效果，为了建立更为真实的城市三维景观，必须选择最合理、信息含量最丰富的影像进行提取。本发明将多视角倾斜航空影像和车载移动测量影像相结合，最大限度地获取建筑物最佳的表面纹理信息。首要进行纹理的最佳选择，然后进行纹理提取。

对多视角倾斜航空影像而言，建筑物纹理最佳选择思路为：由于相机有畸变，越靠近相机中心点的影像部分畸变差越小，故取建筑物纹理时应当选择该栋建筑物在最靠近中心点的相应影像中的纹理。理论上，应当取此片纹理离中心点最近的影像，但实际过程中，涉及到遮挡，影像较多，计算复杂等问题，而且建模以建筑物为单位，如果每个面的纹理都取理论最优，则数据过于混乱。因此，实际操作过程中采用了一种近似的方式，取建筑物顶面中心点坐标，投影计算该点与各影像中心点的距离，将距离最小的影像定为畸变最小纹理影像。此外，建筑物各面纹理，在每条航带中均选择一幅成像效果最佳的影像，但在倾斜航带中，建筑物的侧面可能在几条倾斜航带中均有成像，而这些成像都可能不是正对建筑物侧面拍摄，因此，必须选择该侧面在几条航带中成像面积最大的影像，来防止纹理的变形过度。

建筑物最佳纹理提取：建筑物三维建模需要的纹理包括建筑顶面纹理与侧面纹理。其中，对于建筑物的侧面纹理，可以将多视角倾斜影像和车载移动测量影像相结合进行提取，弥补倾斜影像在建筑物低层侧面的纹理缺失。优化的，从所有侧视角倾斜航空影像中选取成像角度最佳且无遮挡的影像作为建筑物侧面纹理的步骤包括如下：S601.采用视角法从侧视角倾斜航空影像集中选出成像角度最佳的影像；S602.利用深度缓存算法判断在所选影像中的建筑物是否被遮挡，如被遮挡，则在所述侧视角倾斜航空影像集中删除所选影像，并返回执行步骤 S601,否则将所选影像作为建筑物侧面纹理。所述的深度缓存算法(depth-buffer method)是一种判定对象表面可见性的物空间算法，它在投影面上的每一像素位置比较场景中所有面的深度(depth)。通常沿着观察系统的三维立体空间中的 z轴来计算各对象距观察平面的深度，该算法也称为z缓存(z-buffer)算法。深度缓存算法是通过两个缓存来实现的,其中的一个是用来存放颜色的颜色缓存器, 而另一个是用来存放深度的深度缓存器。利用深度缓存器,可以进行可见性的判断,消除隐藏多边形。对于侧视角倾斜航空影像而言，部分侧面可能存在遮挡，需要将遮挡面排除，选择没有遮挡的影像作为纹理信息。不同摄站下不同角度的影像，导致建筑模型每个侧面对应着其中的多幅影像，因此，需要确定一定的最优判断准则，为每个侧面从采集到的序列影像中选出质量最好、遮挡最小的影像作为建筑物侧面的纹理。对于该最优判断准则，可采用视角法优选出成像角度好的倾斜影像，并用深度缓存算法判断该影像中建筑物是否被遮挡，如被遮挡，则选择成像角度次之的影像判断该影像中建筑物是否存在遮挡，最终选出最佳影像作为建筑物几何模型纹理。

采用视角法优选出成像角度好的倾斜影像，该思想为：依据倾斜相机中心到建筑物表面中心的连线与建筑物表面中心的通常视角之间的夹角给相关的倾斜影像进行评分，然后选择最高得分的影像为建筑物表面贴上纹理。因为倾斜影像都是在某个特定角度获取的，所以我们不选择通常视角，而是选择包含在穿越通常视角的垂直飞机下的某个特定倾角的连线作为参考线(如图4所示)，然后依据倾斜相机中心与建筑物表面中心的连线与参考线之间的夹角给相关倾斜影像评分。

S105.建筑物实景三维模型建立：针对各个建筑物，先将对应的建筑物顶面纹理和建筑物侧面纹理映射到该建筑物的几何模型上，然后判断该建筑物侧面是否存在细节不清晰或纹理模糊的待修正区域，若存在，则截取与该建筑物几何模型侧面相对应的且具有定向元素的车载移动测量影像，来对所述待修正区域进行修正，得到具有精细纹理信息的建筑物实景三维模型。

在步骤S106中，所谓建筑物真实模型建立，即为纹理匹配，即将建筑物的纹理以像素级别的分辨率正确的映射到建筑物的几何模型上。根据上述选择的最佳倾斜影像，接下来要做的就是挑出正确的影像部分然后把它添加到建筑物表面。为了保证所挑出的影像部分是匹配的，有必要检查将建筑物表面投影到倾斜影像上时是否与倾斜影像上的建筑物边缘吻合。投影后的建筑物边缘必须要和带有外方位元素的倾斜影像上的边缘保持吻合。然而，当直接使用POS数据解算影像的外方位元素时，会出现投影后的建筑物边缘与影像上的建筑物边缘并没有完全吻合的情况。为了生成精确的三维城市模型，我们必须使用高精度的影像外方位元素。通常情况下，可以通过自动空三解算以得到准确的外方位元素。但是大多数的商业空三软件并不能处理倾斜影像。

本实施例引用了最小二乘法。利用此方法，可以利用从倾斜影像上提取出来的建筑物表面的边缘与相对应的投影建筑物边缘的差别来改正外方位元素。边缘终点的x坐标和y坐标的差值被作为下式里的观测值，外方位元素的改正值视作未知值。

式中，x_i，y_i为倾斜影像上第i个终点的坐标，x_i'，y_i'为对应投影的终点的坐标。

从POS数据解算得到的外方位元素可以作为粗略值，利用最小二乘法计算出改正值。一旦有了精确的外方位元素，我们就可以通过把建筑物表面投影到带有改正后的外方位元素的倾斜影像上，从而选出正确的影像纹理部分并把它添加到建筑三维几何模型上。即在所述步骤S106中，先将对应的建筑物顶面纹理和建筑物侧面纹理映射到该建筑物的几何模型上的步骤包括如下：S701.利用最小二乘法修正与建筑物侧面纹理相对应的多视角倾斜航空影像的外方位元素； S702.将建筑物的几何模型侧面投影到与带修正后的外方位元素的建筑物侧面纹理相对应的多视角倾斜航空影像上，然后将边缘吻合的纹理部分添加到该建筑物的几何模型上。

纹理匹配的理论基础是共线条件方程。共线条件方程是表达物点、像点和投影中心(即镜头中心)三点位于一条直线的数学关系式，是摄影测量学中最基本的公式之一，方程定义如图5，其数学公式如下：

式中，x,y为影像像点坐标值，f为相机焦距，X、Y、Z为相对影像像素坐标点对应的地面物方坐标。X_S、Y_S、Z_S为相机拍摄航片时的空间位置线元素，a、b、c的系数则表示航片的角元素。

利用倾斜影像进行模型纹理匹配的基本原理：(1)基于倾斜影像本身的优点，在进行数据采集并制作出高精度的实体白模型后，裁取与模型纹理面相对应的倾斜影像作为模型的纹理；(2)在对倾斜影像定向定位后，结合数字三维及空间几何投影技术，选取模型面获得模型面角点的物方坐标(X1、Y1、Z1)，已知倾斜影像航片的内、外方位元素及倾斜影像本身的投影物方坐标(X2、Y2、 Z2)，通过判断每张影像与该模型面是否空间相交筛选出与模型面相对应的所有影像集，以便于挑选最佳的影像面作为模型面的纹理；(3)利用共线条件方程，已知航片的方位元素，以及物点的物方坐标(X2、Y2、Z2)，由共线方程式计算出所选模型面在每张航片上的投影像点坐标(x，y)，通过筛选算法按照影像质量及影像投影面最优原则将相应影像集排序，选择最优航片纹理并计算出纹理坐标，自动映射到模型上，从而实现实景三维模型的纹理匹配。

当建筑底部存在遮挡以及建筑侧面凹进去时，基于多视角倾斜航空影像建立的模型精细度和纹理不够理想，此外，基于多视角倾斜航空影像建立的建筑物三维模型还存在近地面细节不清晰和近地面侧面纹理缺失的问题，还需截取模型纹理面相应的车载移动测量影像来对由倾斜摄影影像建立的三维模型进行修正，弥补倾斜摄影测量在三维建模方面应用的建筑物低层侧面的纹理缺失。

通过截取该车载移动测量影像来对所述待修正区域进行修正的步骤包括如下：S801.截取与建筑物几何模型侧面相对应的所有车载移动测量影像，然后对所述车载移动测量影像定位定向，再然后将其转换至多视角倾斜航空影像的物方空间坐标系中；S802.选取建筑物几何模型侧面，并获取模型面角点的物方坐标(X1、Y1、Z1)，根据已知车载移动测量影像的内、外方位元素及其本身的投影框物方坐标(X2、Y2、Z2)，判断每张车载移动测量影像与该建筑物几何模型侧面是否空间相交，筛选出与该建筑物几何模型侧面空间相交的所有车载移动测量影像，构成车载移动测量影像集；S803.利用共线条件方程，计算出所选建筑几何物模型侧面在所述车载移动测量影像集中每张影像上的投影像点坐标(x,y)，通过筛选算法并按照影像质量及影像投影面最优原则对所述车载移动测量影像集进行影像排序，选择最优车载移动测量影像的纹理，并计算出纹理坐标，最后将计算出的纹理坐标映射到所选建筑物几何模型侧面上，实现对所述待修正区域的修正。由此可以弥补倾斜摄影测量在三维建模方面应用的建筑物低层侧面的纹理缺失。

根据得到的建筑物表面的最佳纹理数据，将其映射到建筑物的几何框架模型完成纹理贴图，就生成了建筑物的实景三维模型。最后将建好的地表物三维模型与建筑物三维模型叠加就可以得到整个场景的三维景观模型。

在步骤S106之后，还可能需要对所建实景三维模型进行建模精度检测与评价：即在三维建模数据生产完成之后，对成果的精度和质量进行检测和评价。三维建模数据主要检查三维建模数据的完整性、位置精度、表现精度、属性精度、现势性和逻辑一致性等。

主要检查方法有如下几种:(1)采用人机交互检查，需借助软件系统环境将要检查的数据可视化，以图形、图像和文件等形式显示在计算机的屏幕上，通过人工判断其完整性、模型纹理的协调性、场景表现效果、属性的准确性与完整性、数据存储格式和空间位置的一致性等；(2)通过外业实地抽样巡查的方法，检查模型要素的完整性，检查模型精细度和纹理的准确性、协调性，检查场景效果的符合性、现势性；使用全站仪极坐标法对建筑物高度进行套合检测，检查模型高度精度的准确性；使用同精度地形图比较的方法和GPS RTK接收机动态观测法进行套合检测，检查模型平面和地形精度的准确性。使用GPS RTK接收机动态观测法进行套合检测，检查模型平面和地形精度的准确性，具体实施方式为：利用GPSRTK在测区外业实地测量一定数量的特征点，并记录WGS84坐标、椭球高及需要拍摄的每个点对应的实地位置。将从实景三维模型中提取每个检查点对应位置的模型坐标与检查点的测量坐标作对比进行精度评估，即可对生成的三维模型的平面精度和高程精度进行准确的评价。综合模型的平面精度、高度精度、地形精度、影像分辨率、模型精细度以及纹理精细度等各项技术指标达到的等级，可对城市建筑三维场景制作成果的质量进行准确地评价。

本实施例中所提供的针对城市建筑的实景三维建模方法，具有如下有益效果：(1)通过将航空倾斜摄影测量与地面车载移动测量进行有机的结合：在基于倾斜摄影数据采集并制作出高精度的实体模型后，截取模型纹理面相应的车载移动测量影像，在对车载移动测量影像定位定向后，将多视角倾斜航空影像和地面车载移动测量影像统一转换到同一个物方空间坐标系中；选取模型面获得模型面角点的物方坐标，已知车载移动测量影像的方位元素及其本身的投影框物方坐标，通过判断每张影像与该模型面是否空间相交筛选出与之模型面相对应的所有影像集；然后，利用共线条件方程的应用，计算出所选模型面在每张相片上的投影像点坐标，通过筛选算法按将计算出的纹理坐标映射到模型面上，以弥补倾斜摄影测量在三维建模方面应用的建筑物低层侧面的纹理缺失，由此最大限度地弥补航空倾斜摄影在近地面的不足，充分发挥车载移动测量在近地面的优势，可快速建立城市建筑实景三维模型；(2)该方法效率高、工作量小、成本低且周期短，建立的建筑物几何模型真实、精度高且能表现细部特征，解决了传统三维建模效率低、不能够很好地反映真实地物以及真实纹理采集困难的问题；(3)解决了建立的实景三维模型精细度和纹理不够理想而需要事后处理加工等问题，为快速建立高精度、低成本的三维数字城市模型提供了一个有效途径，非常适合于大规模区域的城市实景三维建模。

如上所述，可较好地实现本发明。对于本领域的技术人员而言，根据本发明的教导，设计出不同形式的针对城市建筑的实景三维建模方法并不需要创造性的劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对这些实施例进行变化、修改、替换、整合和变型仍落入本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种针对城市建筑的实景三维建模方法，其特征在于，包括如下步骤：

S101.获取建模数据：一方面利用航空倾斜摄影系统获取待建模区域的多视角倾斜航空影像和同步记录的机载POS数据，所述多视角倾斜航空影像包括正视角航空影像和侧视角倾斜航空影像，另一方面利用车载移动测量系统获取待建模区域的车载移动测量影像和同步记录的车载POS数据，所述车载移动测量影像包括车载数字相机在车辆行驶过程中获取的影像；

S102.对建模数据进行预处理：一方面对所述多视角倾斜航空影像和所述机载POS数据进行处理，依次获取待建模区域的数字表面模型数据、数字高程模型数据和数字正射影像数据，另一方面对所述车载移动测量影像和所述车载POS数据进行处理，获取所述车载移动测量影像的定向元素；

S103.构建建筑物几何模型：先获取待建模区域的建筑物几何边框，然后将所述建筑物几何边框与所述数字表面模型数据和所述数字正射影像数据进行配准和套合，完成建筑物几何模型的构建；

S104.提取建筑物纹理：针对各个建筑物，一方面将该建筑物的各个顶点投影至正视角航带影像中，获取建筑物顶面纹理，所述正视角航带影像为倾斜摄影飞行航带中所有正视角航空影像的影像集合，另一方面从所有侧视角倾斜航空影像中选取成像角度最佳且无遮挡的影像作为建筑物侧面纹理；

S105.建筑物实景三维模型建立：针对各个建筑物，先将对应的建筑物顶面纹理和建筑物侧面纹理映射到该建筑物的几何模型上，然后判断该建筑物侧面是否存在细节不清晰或纹理模糊的待修正区域，若存在，则截取与该建筑物几何模型侧面相对应的且具有定向元素的车载移动测量影像，来对所述待修正区域进行修正，得到具有精细纹理信息的建筑物实景三维模型；

在所述步骤S105中，通过截取该车载移动测量影像来对所述待修正区域进行修正的步骤包括如下S801～S803：

S801.截取与建筑物几何模型侧面相对应的所有车载移动测量影像，然后对所述车载移动测量影像定位定向，再然后将其转换至多视角倾斜航空影像的物方空间坐标系中；

S802.选取建筑物几何模型侧面，并获取模型面角点的物方坐标(X1、Y1、Z1)，根据已知车载移动测量影像的内、外方位元素及其本身的投影框物方坐标(X2、Y2、Z2)，判断每张车载移动测量影像与该建筑物几何模型侧面是否空间相交，筛选出与该建筑物几何模型侧面空间相交的所有车载移动测量影像，构成车载移动测量影像集；

S803.利用共线条件方程，计算出所选建筑物 几何模型侧面在所述车载移动测量影像集中每张影像上的投影像点坐标(x,y)，通过筛选算法并按照影像质量及影像投影面最优原则对所述车载移动测量影像集进行影像排序，选择最优车载移动测量影像的纹理，并计算出纹理坐标，最后将计算出的纹理坐标映射到所选建筑物几何模型侧面上，实现对所述待修正区域的修正。

2.如权利要求1所述的一种针对城市建筑的实景三维建模方法，其特征在于，在所述步骤S101之前还包括如下步骤：

S100.导入建模数据获取技术参数：针对多视角倾斜航空影像的获取，向所述航空倾斜摄影系统导入第一建模数据获取技术参数，针对车载移动测量影像的获取，向所述车载移动测量系统导入第二建模数据获取技术参数。

3.如权利要求1所述的一种针对城市建筑的实景三维建模方法，其特征在于，在所述步骤S102中，对所述多视角倾斜航空影像和所述机载POS数据进行处理的步骤包括如下：

S201.对所述多视角倾斜航空影像依次进行畸变差校正、影像旋转和匀光匀色处理，并选出正视角航空影像和侧视角倾斜航空影像；

S202.对所述机载POS数据进行解算处理，然后结合地面控制点数据、所述正视角航空影像和所述侧视角倾斜航空影像进行空中三角测量，得到与每张所述多视角倾斜航空影像相对应的外方位元素；

S203.根据所述空中三角测量的加密成果，并结合所述正视角航空影像和所述侧视角倾斜航空影像，运用影像密集匹配技术依次获取待建模区域的数字表面模型数据、数字高程模型数据和数字正射影像数据。

4.如权利要求1所述的一种针对城市建筑的实景三维建模方法，其特征在于，在所述步骤S102中，对所述车载移动测量影像和所述车载POS数据进行处理的步骤包括如下：

S301.对所述车载POS数据进行解算处理，得到移动测量车在行进过程中的位置坐标、姿态、加速度和角速率信息；

S302.将POS数据解算处理成果与车载数字相机的定位定姿参数和内方位元素相结合，获取所述车载移动测量影像数据的定向元素。

5.如权利要求4所述的一种针对城市建筑的实景三维建模方法，其特征在于，在所述步骤S301中还包括如下步骤：

对所述车载POS数据和静态基站GNSS数据进行融合处理，解算出移动测量车在行进过程中的位置坐标，所述静态基站GNSS数据为利用静态GNSS观测基站获取的数据。

6.如权利要求1所述的一种针对城市建筑的实景三维建模方法，其特征在于，在所述步骤S103中，所述获取待建模区域的建筑物几何边框的步骤如下：

若存在待建模区域的数字线划图，则直接从所述数字线划图中提取出建筑物几何边框；

若不存在待建模区域的数字线划图，则从所述数字正射影像数据中提取建筑物几何边框，或者以倾斜航空影像的立体像对为基础，分别从左、右侧视角倾斜航空影像中提取建筑物的顶部轮廓点，组成建筑物几何边框。

7.如权利要求1所述的一种针对城市建筑的实景三维建模方法，其特征在于，在所述步骤S103中，各个建筑物的构建步骤包括如下：

S501.从所述建筑物几何边框中提取建筑矢量边界的角点坐标，对每个角点分别在所述数字表面模型数据和所述数字高程模型数据中提取对应该点平面坐标位置的高程值，并得到该角点的底点和顶点；

S502.有序连接相邻两角点的底点和顶点，得到建筑物侧面，有序连接所有的底点，得到建筑物底面，有序连接所有角点的顶点，得到建筑物顶面，最终构成建筑物几何模型。

8.如权利要求1所述的一种针对城市建筑的实景三维建模方法，其特征在于，在所述步骤S104中，从所有侧视角倾斜航空影像中选取成像角度最佳且无遮挡的影像作为建筑物侧面纹理的步骤包括如下：

S601.采用视角法从侧视角倾斜航空影像集中选出成像角度最佳的影像；

S602.利用深度缓存算法判断在所选影像中的建筑物是否被遮挡，如被遮挡，则在所述侧视角倾斜航空影像集中删除所选影像，并返回执行步骤S601,否则将所选影像作为建筑物侧面纹理。

9.如权利要求1所述的一种针对城市建筑的实景三维建模方法，其特征在于，在所述步骤S105中，先将对应的建筑物顶面纹理和建筑物侧面纹理映射到该建筑物的几何模型上的步骤包括如下：

S701.利用最小二乘法修正与建筑物侧面纹理相对应的多视角倾斜航空影像的外方位元素；

S702.将建筑物的几何模型侧面投影到与建筑物侧面纹理相对应的且带有修正后的外方位元素的多视角倾斜航空影像上，然后将边缘吻合的纹理部分添加到该建筑物的几何模型上。