机载倾斜摄影数据在三维建模及单斜片测量中的应用

机载倾斜摄影数据在三维建模及单斜片测量中的应用目录第一章摘要02第二章引言2.1线阵相机系统032.2倾斜摄影测量应用及前景04第三章3.1倾斜摄影测量关键技术073.1.1倾斜摄影测量的基本原理073.1.2倾斜影像测量的关键技术073.2三维建模技术093.3单斜片测量技术103.4单斜片测量的思路103.5倾斜影像外方位元素解算11第四章总结4.1加载DOMEDM影像114.2计算斜片覆盖范围114.3斜片测量12第五章参考文献12第六章致谢14第一章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ThreeDimensionalModelingandSingle-obliquePhotoMeasureForAirborneObliquePhotogrammetryDataAbstract:airborneobliquephotogrammetricsystemistheimprovementofthetraditionalphotogrammetricsystem,whichcangetthefacadetextureandgeometryinformationthatcannotbeobtainedbyconventionalphotography,anditisofgreatsignificanceintheconstructionofdigitalcity.Inthispaper,theairborneobliquephotogrammetrydatawereusedforthreedimensionalmodelingandsingle-obliquephotomeasure.Preliminaryexperimentsshowedthegoodapplicationprospects.Keywords:obliquephotogrammetry;threedimensionalmodeling;single-obliquephotomeasure.第二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1。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35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ADS40/80SWDC-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。1多角度相机及处理系统1.1多角度相机40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，基金项目：高等学校博士学科点专项科研基金资助课题（20090141110030）作者简介：朱庆，（1966-），男，教授，主要研究方向：数字摄影测量与三维地理信息系统。E-mail:zhuq66263.net-1-提供地物前视，正视和后视3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。这些典型多角度相机系统的参数和性能对比如表1所示：45表1典型多角度相机系统参数和特点相机类型相机名称主要参数特点三个全色线阵CCD，每个三线阵ADS40/80212000像元，四个多光谱线阵推扫式成像；前视后视可获得较好的倾斜影CCD，每个12000像元；像元大像；需集成POS系统小6.8μ；焦距62.77mm单机幅面72285428；像元大小一台相机获取垂直影像，两台获取倾斜影3镜头AOS6.8μ；焦距47mm；倾角30°-40像；镜头在曝光一次后自动旋转°单机幅面54127216；像元大小一台相机获取垂直影像，四台获取倾斜影SWDC-56.8μ；焦距100mm/80mm；倾像；集成测量型GPS和POS5镜头角40°-45°单机幅面40082672；像元大小一台相机获取垂直影像，四台获取倾斜影；焦距65mm/85mm；倾角像；产品包含两级影像40°-60°2.1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50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。2三线阵相机系统55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。3五相机系统60SWDC-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。Pictometry相机系统由5台数码相机组成，一台获取垂直影像，另外四台从前后左右四个方向同时获取地物的侧视影像。相机倾斜角度在40度到60度之间，因此可以较为完整地65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13。1.2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Pictometry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70等处理功能。法国Infoterra公司的像素工厂PixelFactory作为新一代遥感影像自动化处理系统，StreetFactory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-2-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46、匹配7、提取8、建模912等模块。Pictometry系Pictometry倾斜影像处理软件提供了倾斜影像管理工具EFSElectronicFieldStudy，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VirtualEarth中得到应用。2StreetFactory系统StreetFactory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80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PixelFactory的影像解译和并行处理能力，StreetFactory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。2.2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、高精度、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135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GPSIMU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。GoggleEarth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10cm~12cm，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