基于LeicaRCD30倾斜航摄仪和Smart3D技术快速进行城市三维实景生产

摘 要：利用倾斜航空摄影测量技术进行城市三维实景建模是近年来国内测绘热点高新技术之一。相比较传 统常规三维建模技术工艺，该技术具有工期短、成本低、精度高、多数据源、成果类型多，三维场景真实、 建模过程自动化等无可比拟的优势，结合具体生产项目，详细地阐述了利用 Leica RCD30 倾斜航摄仪及 Smart 3D 软件进行三维实景生产过程。

关键词：倾斜航测  城市三维  建模

1引言

随着我国城市信息化进程的快速推进，“智慧城 市”是城市信息化发展的高级阶段，而精细化的城 市三维实景模型作为城市规划、建设、管理和信息 化建设的基础数据得到了日益广泛的应用并逐渐成为“智慧城市”空间数据体系的重要内容。然而， 在城市三维实景模型建设解决方案中，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，而对起伏明显的地形、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，而倾斜航空摄 影测量因此成为近年来国际上发展十分迅速的一项 高新三维建模技术。相比较利用大比例尺地形图人工建模、机载 Lidar 建模和地面数据采集车建模等 传统建模方案，采用倾斜航空摄影测量技术进行城市三维实景建模具有工期短、成本低、精度高、多数据源、成果类型多，三维场景真实、建模过程自动化等无可比拟的优点。

陕西测绘地理信息局测绘开发服务中心自 2013 年装Leica RCD30 倾斜航摄仪以来，先后合作完 成了国内多个倾斜航空摄影及城市三维实景建模的项目，对倾斜摄影测量及城市三维实景建模的技术 流程和解决方案有了一定的生产实践经验。

2倾斜航空摄影技术介绍

倾斜航空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，它颠覆了以往正射影像只能 从垂直角度拍摄的局限，通过在同一飞行平台上搭 载多台传感器，同时从前、后、左、右和下视等多 个不同的角度对地观测，采集航空影像(图 1 所示)。 在建立建筑物表面模型的过程中，相比垂直影像， 倾斜影像有着显著的优点，因为它能提供更好的视 角去观察建筑物侧面。倾斜航摄有如下特点：

1.反映地物周边真实情况，相对于正射影像， 倾斜影像能让用户从多个角度观察地物，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 像应用的不足。

2.倾斜影像可实现单张影像量测，通过配套软 件的应用，可直接基于成果影像进行包括高度、长度、面积、角度、坡度等的量测。

3.建筑物侧面纹理可采集，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。

4.数据量小易于互联网络发布。

图 1

国内目前主流倾斜航摄仪种类有 Leica RCD 30 Oblique、SWDC-5、AMC580、TOPDC-5、微软 UCO 等， 均为一个下视镜头、4 个前、后、左、右侧视镜头。 为保证下视和测视获取影像的分辨率一致，下视镜 头的焦距较侧视镜头的焦距短。

3Leica RCD 30 Oblique 倾斜航摄系统与 Smart 3D 建模软件

1. Leica RCD30 倾斜航摄系统包括硬件设备和 软件系统。

硬件系统含 RCD30 倾斜航摄仪、POS 系统等；软 件系统含有设计软件 Leica  MissionPro 、飞行控制软件 FlightPro、数据处理软件FramePro 、POS 数据解算软件 IPAS TC 和 IPAS CO+等。Leica RCD 30 如图 2 所示。

图 2

2. 法国的 Smart 3D 是基于图形运算单元 GPU 的快速三维场景运算软件，它能无需人工干预地从 简单连续影像中生成最逼真的实景真三维场景模 型。具有快速、简单、全自动的建模特点，并具有广泛的数据源兼容性和优化的数据输出格式。

4西安曲江地区三维实景生产

西安曲江地区倾斜航摄及建模生产是试验性生 产项目，面积约 39km2。该区域属于城市新建设区域， 道路规划整齐，高层建筑和仿唐建筑较多，且有大 面积水系，极具有城市代表性。

4.1 倾斜影像数据获取、数据预处理阶段

（1）倾斜航摄飞行

航线设计采用 MissionPro 设计软件进行，测区 航线条数为 41 条，影像地面分辨率为 8cm。由于倾斜设计的重叠度均以下视影像的重叠度来计算，在 计算时，航向重叠度为 70%，旁向重叠度为 70%。摄 区覆盖保证：在重叠满足范围线范围制作要求的前提下，航向外延 20 条基线，旁向外扩 4 条航线。由于航摄仪带有 POS 系统，设计检校场。检校场为四 根交叉的航带呈“井”字形，用来对所获取的影 像做 POS 数据检校使用。测区共有 41 条航线，使用运五飞机共作业 2 架次，飞行 11小时共获取 11790 张像片。由于配有高精度 POS 设备，航摄飞行作业时要 求飞机进入首条航线和离开末条航线时，均应先平飞 5 分钟，然后做 8 字形或 S 形飞行，再平飞 5 分 钟，为避免误差积累，进入摄区航线时，宜采用左转弯和右转弯交替方式飞行，且每次直线飞行时间不宜大于 30 分钟；

（2）倾斜影像数据预处理及 POS 解算 由于倾斜航摄仪有 5 个镜头的子相机同时曝光，一个飞行架次所以获取的像片数量非常大。使用 Leica FramePro 软件按进行影像下载与数据检查、 生成 TIFF 影像数据，同时使用 IPASTC 和 IPASCO+ 软件进行 POS 数据处理解算。

（3）倾斜航空摄影生产流程（图 3 所示）

图 3

4.2 城市三维实景生产阶段

本项目三维建模采用法国的 Smart 3D 建模软件进行全自动快速三维建模生产，生产流程过程如下：

（1）倾斜影像、POS 成果、像控成果等数据导入首先需要创建 photo 文件，将航摄获取的倾斜 影像五个镜头的数据，解算好的 POS 数据、像片控 制点成果均按要求设置好格式和路径，导入加密模块，然后创建 camera 文件，设置好相机的像素、像幅、焦距、主点和各个相机的相机方向等参数信息， 最后根据创建好的 photo 文件和 camera 文件生成一 个 block.xml 文件，软件自动根据 block 文件创建工程。导入block 文件后，检查影像排序和相机旋 转方向是否正确。确认正确后设置坐标系统、测区参数。

（2）空三加密在数据准备就绪后进行空三加密。首先进行大量特征点的提取，然后对获取的特征点采用多视匹 配和密集匹配等技术进行同名点匹配，然后进行迭代平差优化、畸变差校正等步骤获取精确的外方位元素，得到每一幅影像精确的空间位置和旋转角度，以确定各个影像间的投影关系为下一步三维重建做好准备。

（3）三维重建 经过空三加密后获取了大量高密度的点云数据，对于这种海量数据需要对其进行切块分割，按照设置的优先等级对分割的区块内的密集点云构建不规则三角网 TIN（图 4），并生成带白膜的三维模型（图5）。

图 4

图 5

最后对三维模型自动赋予纹理，由于所有影像 均具有精确定位信息，该过程可自动快速将影像贴 在对应位置的三维模型（图 6）面上，最后输出模型纹理清晰逼真的三维瓦片。

图 6

（4）模型修复与编辑 对于城市三维模型中水面及玻璃墙面等容易造成反射漏洞的地方，可以将生成的三维模型瓦块导入到第三方软件 3d max 等进行编辑加工，对破面进行修复。

（5）城市三维实景模型生成 城市三维实景模型生产最后也是工作量最大的是为建好的三维模型贴纹理，由于贴的是具有定位 信息的影像，将其贴在经纹理修复和人工编辑后的 模型面上，模型纹理清晰逼真，完成了城市实景三维模型（图 7-图 9）生产。

图 7

图 8

图 9

（6）城市三维实景生产流程如图 10：

图 10

5结束语

本次试验生产利用 Leica RCD30 倾斜航摄仪和 Smart3D 的三维建模技术耗时 7 天，完成了面积约 10km2 城市三维实景的生产。通过城市三维实景模型展示，整体效果较好，场景色彩平衡，立体感强。 与传统三维建模技术方法相比较，采用基于 Leica RCD30 倾斜航摄仪和 Smart3D 软件进行城市三维实景 生产的路线在三维模型的建筑物立面细节部分，尤其是能将曲江新区典型的仿唐建筑物的悬挂镂空部分、挑檐、房角等细小突出部分等真实地构建出来， 对桥梁、立交桥等能够逼真反映，并且解决了采集真实纹理困难、效率低下的难题，真正地实现了全自动快速三维实景城市的生产。

目前，利用此方法构建的三维模型是通过影像 匹配生成密集点云，基于点云构建 TIN三角网模型， 基于不规则 TIN 三角网的模型，将道路、建筑物、 树木等构建出来，整个成果是一个三维大场景。为了真正地实现“智慧城市”的信息化管理，下一步工作是通过对 2 维 GIS 数据或大比例地形图结合 GIS 平台对三维大场景进行单体建筑物分割、提取，挂接属性库后，可对单个建筑模型进行具体分析和管理，最终达到城市三维实景 GIS 系统有效地服务于 “智慧城市”综合管理目的。

作者：张骥 高钊 陈容

(陕西测绘地理信息局测绘开发服务中心 陕西西安 710054)

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