倾斜摄影测量三维重建在城市规划管理中的应用

赵京银 王梦梦

摘要：传统的手工建模方法需要大量的人力，采集的数据受仪器放置位置的限制，难以对结构复杂的场景进行精确建模，成本高，效率低。三维激光扫描技术的引入有效地改善了手工方法的缺点，大大提高了精度和准确度。但扫描点云数据冗余，处理效率低，算法复杂。同时，激光扫描设备价格昂贵，不适合获取大规模城市三维数据。斜摄影测量技术的发展解决了上述方法的缺点，具有人工干预少、范围广、纹理图像真实度高的优点。它能够快速、高效、准确地获取城市三维模型，是城市规划管理中不可缺少的重要技术手段。本文主要分析了斜摄影测量三维重建在城市规划管理中的应用。

关键词：倾斜摄影；三维重建；规划管理；影像匹配

引言

随着计算机技术和传感器的不断发展，城市的数字化表达逐渐从二维过渡到三维，城市的发展和建设也逐渐趋向大型化和立体化。与二维数据相比，三维数据具有信息丰富、真实感强的优势，使得动态交互成为可能，在城市规划建设和应急管理中具有重要意义。如何建立高效、准确的城市数字三维模型是一个重要的研究方向。

1、倾斜摄影测量

1.1技术简介

垂直摄影是最常用的传统航空摄影方法，其中目标物体的主轴和顶点相互垂直，以获取图像信息。但是，这种摄影方法无法获得目标对象的横向状态。使用倾斜摄影可以更好地反映侧面的状态，包括光轴和垂直线的角度可以更好、更直观地反映目标对象的真实视觉效果，并提高建模效率。倾斜摄影测量是国际领域的一种新的高质量机制，用于创建三维模型和获取有关目标物体状态的实时信息。图像处理技术有助于更好地了解目标对象的实际效果和应用效果。

1.2系统组成

与传统的垂直空中摄影相比，倾斜摄影大不相同，后处理效果与传统摄影完全不同。当倾斜摄影技术与地理信息系统相结合时，用户可以更方便和直观地浏览目标物体的具体情况，并获得他们想要的信息。一般来说，倾斜摄影采集系统有三个主要组成部分。第一部分是无人驾驶小型飞机和飞行器的驾驶，第二部分是图像和姿态传感器，第三部分是飞行规划软件，劳动者需要设计特殊航线，因此倾斜摄影在高重叠和分辨率等数据方面表现良好，并且满足使用者的需求。

2、倾斜摄影测量关键技术

2.1倾斜影像匹配

三维建模有两种类型的倾斜图像，一种与方向不匹配，另一种与三维重建紧密匹配。清晰匹配需要均匀分布相应的点，并减少不充分性。提高匹配精度的方法是一个重要的研究方向。由于灯光平台、气流不稳定以及其他原因，特别是图像的几何变形和复杂地形中物体的大规模变化，姿态信息不稳定。为了获得与图像相同的名称，传统方法使用ready-made feature matching算法(如SIF算法)，该算法不考虑由于倾斜角度的变化而导致的比例不一致。固定窗口中的功能描述无法反映地面对象的真实信息，这容易导致不准确和不准确。为解决这一问题，提出了几种算法，基于端稳定的最大区域，提出了一种具有互补仿射不变器件的倾斜图像高精度匹配方法，对低地倾斜立体图像和无人机倾斜立体图像的测试结果良好。近年来，随着计算机硬件的发展，建立深层神经网络得到了大力支持，在二维图像领域应用深度学习取得了巨大成功。

2.2多视影像区域网平差

多视倾斜影像进行联合平差时需要考虑由视角变化引起的几何变形和地物遮挡问题，先通过影像匹配算法找到倾斜影像的初始特征点，再利用最小二乘、相似性测度、核线约束等约束条件匹配特征点，最后进行光束发区域联合平差。目前倾斜航摄系统一般配备POS系统用来获取姿态的多相机系统，区域网平差有三种方式：（1）无约束联合定向法：每幅影像使用独立的外方位元素，同一相机拍摄的影像使用共同的内方位元素。这种方法未知数较多，计算量较大。（2）附加相对约束定向法：同一摄站的多个相机整体作为一个单元进行平差，相机之间的相互关系作为约束信息加入光束法平差中。这类方法的优势在于降低了未知数的数量且网型更加稳定。（3）直接定向法：空三解算出下视影像的方位元素，利用已检校过的倾斜相机与下视相机之间的旋转平移参数解算出倾斜影像的方位元素。这种方式最为简单，但精度较低，没有充分利用多传感器的信息。根据这些平差方法的特点，在实际应用中一般采取组合的方式以达到更好的效果。

3、三维重建关键技术

点云纹理映射、3D网面模型无法表示真实的地面物件，且无法识别。纹理映射是指对由纹理图像和曲面参数组成的3D模型的空间意义进行映射，即在3D网格模型上进行纹理映射，以提高模型的识别度，同时还可以有效地复盖模型中存在的微小缺陷在纹理映射过程中，主要解决了两个问题:第一，保存问题，即选择最佳照片，通常是通过一定的测量指标来完成的，而适当的照片则是通过模型曲面上每个三角形面片的法线方程与二维图像之间的角度关系来测量的包含的角度越小，纹理质量越高，目前广泛用于根据具体情况计算每张照片的分数，并拍摄纹理候选人得分最高的照片。另一个问题是颜色过渡问题。一般而言，采用标准的鱼融合方法，不需要大面积重叠，效果良好。

4、三维模型在城市规划管理中的应用

4.1城市交通设计

三维城市模型打破了以往二维交通图的限制，对于城市交通路线规划意义重大，如一些大型城市人口数量多，交通流量大，存在高架桥、立交桥等交通要素，传统的二维模型无法进行具有空间结构的交通要素规划，同时可将二维三维数据联合使用，优化城市道路交通网的设计，避免不协调，提高规划设计的科学性。

4.2城市管理及竣工核实

精确的三维模型对城市管理同样具有巨大的帮助，比如对于违章建筑物搭建排查、危险地区三维形变监测等。采用传统人工调查、人工量测的方式耗时耗力，倾斜摄影测量三维重建在效率上远超人工手段，便于管理人员及时了解城市的变化情况并制定相应的举措，如组织人力物力拆除违章搭建，排除风险隐患，安排三维形变较大的危险区附近居民转移等。对于城市建设的竣工核实，传统提交的成果多为平面图、文档等资料，对于非规则性人工建筑物无法有效核实，采用倾斜摄影测量三维重建，可将规划阶段的三维模型与竣工后的三维模型进行比对，精确得出城市建设情况，大幅度减少竣工核实的工作量。

4.3空间检测

一旦操作员使用计算机准确输入了三维场景的空间测量信息和说明，则仅在删除后才能渲染系统，结果包括空间间距、目标范围、目标高程等。主要检测过程是使用水平方向上的线间距自由检测水平距离，并快速自动显示结果，例如三维显示窗口中两点和多个点之间的间距。探测空间距离；任意使用3d场景中的两个位置会检测它们的间距并生成相应的结果。

4.4提获建筑体信息

嵌入高分辨率遥感图像数据、倾斜照片检测过程中获得的三维模型数据等。，可以及时智能地获取有关建筑主体的空间信息。生成的信息包括各种空间和属性信息，例如建筑的方向、面积和高程，并存储在仓库中以供公司分析和进一步使用。

结束语

基于倾斜摄影测量的三维重建技术是城市三维可视化的主流途径，在倾斜影像匹配、三维模型重建等关键技术领域的研究已取得了良好的进展，计算机视觉领域的深度学习影像匹配方法属于前沿技术的融合，其智能化、高精度、高效率的处理方式将是倾斜摄影测量领域的发展趋势。利用倾斜摄影测量技术实现城市的三维自动化建模，其生产周期短、具备测绘级精度、高效率、高真实感、低成本的特点为获取城市多层次基础地理信息数据并实现规划建设管理带来了便利。

参考文献：

1. 张力，张继贤.基于多基线影像匹配的高分辨率遥感影像DEM的自动生成[J].武汉大学学报：信息科学版，2008（9）：943-946，989.

2. 姚国标，邓喀中，张力，等.融合互补仿射不变特征的倾斜立体影像高精度自动配准方法[J].测绘学报，2013，42（6）：869-876，883.

3. 杨化超，姚国标，王永波.基于SIFT的宽基线立体影像密集匹配[J].测绘学报，2011，40（5）：537-543.

4. 何海清.低空摄影测量航带重构及数据处理方法研究[D].武汉：武汉大学，2013.

5. 南轲，齐华，叶沅鑫.深度卷积特征表达的多模态遥感影像模板匹配方法[J].测绘学报，2019，48（6）：727-736.

姓名：赵京银，出生年月：1990年12月29日，性别：男，籍贯：山东省平邑县白彦镇，民族：汉族，最高学历：大学本科，职称：经济师，研究方向：城乡规划，邮编：273300，单位：平邑县城乡规划编制研究中心

姓名：王梦梦，出生年月：19880210，性别：女，籍贯：山东平邑，民族：汉族，最高学历：大学本科，职称：中级经济师，研究方向：城乡规划，邮编：273300，单位：平邑县城乡规划编制研究中心