基于数字摄影测量技术的三维建模

收稿日期:2003-09-08

作者简介:程效军(1964-),男,江西乐平人,教授,博士生导师,工学博士.E 2mail :CX J @https://www.360docs.net/doc/8d7638789.html,

基于数字摄影测量技术的三维建模

程效军1,2,朱　鲤1,刘俊领3

(1.同济大学测量与国土信息工程系,上海　200092;2.国家测绘局现代工程测量重点实验室,上海　200092;

3.天津市大港区规划和国土资源局,天津　300270)

摘要:以数字航空遥感立体像对为基础,辅以地面数字近景摄影测量的方法,建立城市三维景观模型.根据遥感像对之间的相互关系建立一个交会模型,得到地物点坐标,建立数字表面模型(DSM ),然后通过纹理映射描述细部.实践证明,这一方法具有精度高和速度快等特点,能有效地实现速度和逼真度的兼顾,特别是对于大范围区域的三维建模更能显示其优越性.

关键词:数字摄影测量;三维建模;纹理映射;影像匹配

中图分类号:P 232 文献标识码:A 文章编号:0253-374X (2005)01-0037-05

Three Dimension M odeling Based on Digital Photogrammetry Method

CHEN G Xiao 2j un

1,2

,ZHU L i 1,L IU J un 2li ng

3

(1.Department of Surveying and G eo 2Informatics ,Tongji University ,Shanghai 200092,China ;

2.K ey Laboratory of Modern Engneering Surveying ,State Bureau of Surveying and Mapping ,Shanghai 200092,China ;

3.Planning and Landresouce Bureau of Dagang ,Tianjin 300270,China )

Abstract :The digital photogrammetry method of s olid modeling based on remote sensing image pair is intro 2duced.By this method the intersection model can be easily built ,and the exact coordinate and digitcal surface

modeling (DSM )were gained ,lastly texture mapping was realized and the s olid model of city was constructed.It is proved that the method of modeling has the characteristics of high precision and s peed ,and realizes great balance of demand of s peed and fidelity.It shows great advantages especially for large areas.

Key words :digital photogrammetry ;3dimension modeling ;texture mapping ;image matching

三维城市模型(three dimensional city model ,3DCM ),又称城市三维景观模型.它的构建与应用是目前国际遥感(RS ),地理信息系统(GIS )及相关学科研究的热点.目前三维建模大致有如下解决方法:一是直接使用三维制作软件,比如计算机辅助绘图设计软件(AU TOCAD )、三维动画设计软件(3DMAX )等建模,这种方法能逼真地表示城市的精

细结构和材质特征,基本上能够满足虚拟现实技术

的3I (immersion ,interactivity ,imagination ,即沉浸、交互、构想)的要求.特别是对于那些自然物(如树

木)和不规则的建筑物(如凉亭、拱顶、圆顶、路灯、桥

等)等效果会比较好,但对于大范围的区域,如果每个模型都这样建立,不仅费时费力,而且也不经济;二是直接利用传统GIS 的二维线划数据及其相应的高度属性进行三维建模,各建筑物表面还可以加上相应的纹理,但采用此种方法只局限于较规则建筑物的三维建模.此外还有一种方法就是利用数字摄影测量技术进行三维建模,这种方法具有自动化程度高、建模速度快、易于实时更新等特点.利用数字摄影测量技术能方便快捷地进行数字线划矢量图

第33卷第1期2005年1月

同济大学学报(自然科学版)

JOURNAL OF TON G J I UN IVERSITY (NATURAL SCIENCE )Vol.33No.1

　Jan.2005

(DL G )的测绘、数字高程模型(DEM )的建立、数字

正射影像图(DOM )的制作、3DCM 的建立,甚至还可以提取建筑物的纹理,建立纹理库等.

1　数字摄影测量技术三维建模主要内容

采用数字摄影测量技术进行三维建模[1,2]的过程为:

(1)首先获取航空像对和必要的参数数据(包括地面控制点坐标和相机参数),航空像对可以是数字摄影得到的影像文件,也可以是航片,如果是航片需先扫描成影像文件,然后导入影像文件.

(2)模型的初始化并设置各种参数,每个模型即为一个航空像对.

(3)模型定向:内定向、相对定向和绝对定向.

内定向的目的就是确定扫描坐标系与像片坐标系之间的关系以及数字影像可能存在的变形.数字影像之变形主要是在影像数字化过程中产生的,主要是仿射变形.扫描坐标系与像片坐标系之间的关系为

x =(m 0+m 1I +m 2J )Δy =(n 0+n 1I +n 2J )Δ

(1)

式中:x

,y 是像片坐标系的坐标;m 0,m 1,m 2,n 0,

n 1,n 2为6个仿射变形参数;I ,J 是扫描坐标系的

坐标;Δ为采样间隔.

相对定向的目的是为了恢复构成立体像对的2张像片的相对方位,建立被摄物体的几何模型.其数字模型是相应的摄影光线与基线应满足共面条件:

B X B Y B Z U

V

W

U ′V ′W ′

=0

(2)

式中:B X ,B Y ,B Z 分别为X ,Y ,Z 方向的基线分量;

U ,V ,W 和U ′,

V ′,W ′分别为左右影像正直像空

间坐标系中的坐标.

模型的绝对定向就是将模型点在像空间辅助坐标系的坐标变换为地面参考坐标系中,实质上就是2个坐标系的空间相似变换问题,由式(3)表示:

X φ

Y φZ φ

=λa 1a 2a 3b 1b 2b 3c 1

c 2

c 3

X p Y p Z p

+ΔX

ΔY

ΔZ

(3)

式中:λ为缩放系数;a i ,bi ,c i 为由角元素Φ,Ω,κ

的函数组成的方向余弦;ΔX ,ΔY ,ΔZ 为坐标原点平移值;下标φ为地面坐标;下标p 为摄测坐标.

如果测区内包含有多个像对则可采用区域模型

空中三角测量的方法一次性对连续像对进行内定向、相对定向和绝对定向,然后进行一次性平差,这样可以大大减少必要的控制点.

(4)影像匹配预处理.影像匹配预处理主要用于自动影像匹配前的预处理,主要是针对某些匹配比较困难的地区所作的一些处理.例如:山脊、沟谷,被黑影遮盖地区、大片居民区、水域等,还有一些影像质量较差、色彩或灰度不一致的影像等,这些地方匹配结果可能不好,在影像匹配之前作预处理,以获得更好的匹配结果,从而可减少匹配编辑的大量工作

,提高效率.处理的主要方法就是在立体模型上针对这些地区,测出一些特征点、线、面.

(5)形成按核线方向排列的立体影像.按同名核线将影像的灰度予以重新排列,形成核线影像.

(6)影像匹配.沿核线进行一维影像匹配,确定同名点,考虑结果的可靠性与精度,应合理地选用影像匹配方法.

(7)当自动匹配工作完成后,应对匹配结果进行编辑,剔除不可靠点.

(8)三维模型的生成以及纹理编辑.

采用数字摄影测量技术进行三维建模的整个过程可由图1来表示.

图1　数字摄影测量技术三维建模的框图

Fig.1　Framew ork of three demension modeling b ased on

digital photogrammetry method

8

3 同济大学学报(自然科学版)第33卷　

2　地形及地物的三维建模

地形模型及地物模型的建立采用两个结合:一是几何建模和纹理建模的结合,二是采用对地面模型及大部分地物利用数字摄影测量技术直接三维建模,对复杂地物采用三维建模软件进行单个建模的结合.

2.1　几何形态建模

2.1.1　地形模型

建立数字地面模型(D TM).按定向元素计算同名点的地面坐标(X,Y,Z),然后内插D TM网格点高程,建立D TM,由此可生成DEM和等高线.

2.1.2　地物模型

(1)建筑物自动生成.用立体匹配生成的DEM 数据对检测出的建筑物轮廓范围进行插值,如果某匹配点对应于候选建筑物轮廓内的某点,则把匹配点DEM信息赋值给轮廓内的点.通过这种简单的二维建筑物轮廓信息和三维高度信息的融合可得到城市航空影像中建筑物的三维信息.对于遮挡而不能获得的建筑物信息通过建筑物的对称性和边缘的直线性可计算求得.如建筑物形状由简单的形状如三角形、长方形、棱形、锥形和圆屋顶组成,可按此方法实现城市建筑物的全自动三维建模.

(2)直接使用三维制作软件,比如AU TOCAD, 3DMAX,用它们可以直接作出比较逼真的三维模型,特别是对于那些不规则的建筑物(如拱顶、圆顶、桥、门、路灯、凉亭、塔型建筑物等)和自然物(如树木等),效果会比较好.但对于大范围区域如果每个模型都这样建模,不仅费时,而且也不现实.

(3)利用模型参数库的建模技术[3]是近年来大场景中具有相同基本特征事物建模的重要技术,它的基本原理是将特征相同的模型的基本三维数据参数化,用户直接通过设置特征参数、调整参数修改三维数据等建立所需的模型,而不需繁琐的几何建模.模型库包括道路、桥梁、植被、树木、河流及湖泊等,操作简便,建模效率高.这类工具软件如三维地形数据库形成系统等.

(4)直接利用传统GIS的二维线划数据及其相应的高度属性进行三维建模[4].高分辨率的遥感数据在城市信息获取方面有着巨大价值.随着数字城市的发展,建立三维城市模型已经成为越来越重要的任务.国内外的学者也提出了很多方法,如Aru2 ba,Tobago的研究小组提出的基于航空遥感数据的方法;国内的何国金等利用全色SPO T数据进行建筑物高度估算的方法.提取建筑物高度的方法通常有三种:利用单幅影像方法,利用专家分类系统,对高分辨率的遥感影像数据中建筑物阴影信息进行提取和分析,进而确定建筑物的高度信息;利用数字高程模型方法;结合影像和DEM方法.

2.1.3　复杂实体模型

为了更准确、美观地把景观显示出来,还需要考虑影像上难以获取的比较复杂的地物.这些复杂地物可以先单个建好模型,然后再把单个模型插入建好的三维模型即可.这些复杂地物包括广告牌、桥、路灯、凉亭、拱顶、圆顶建筑物和自然物(如树木等).对于比较成熟的AU TOCAD,3DMAX,实时三维模型创建软件(Multi G en)等三维制作软件来说,能把单个模型建立得非常逼真.缺点是工作量大,而且这些软件通常为了实物的美观其数据量也是非常大,严重地影响到了速度.另外有一种值得提倡的方法是直接采用三维可视化地理信息系统3D GIS软件来进行建模.这类软件一般还具有转换和输入3ds, .dxf,.x,.dwg等常用三维制作软件的文件格式、文件的功能,有的甚至具有比较丰富的模型库,如影像地理信息系统(IMA GIS).这样能方便和快速地把单个模型建立起来.对于自然物和路灯等不规则建筑物的建立可采用纹理建模方式来进行,通过透明度的调整即可实现其三维效果,可以是一个纹理,也可是两个交叉纹理.这样就较好地实现了速度和逼真度的结合,可在几乎不减少真实度的前提下,大大提高建模速度.借助影像上信息以及其他详细数据资料,通过上述方法,就可以较好地实现复杂地物的建模.

2.1.4　地物模型与地形模型的匹配[3]

在实际三维场景的构建中,由于种种原因可能出现地物没有与地形相匹配,造成诸如地物飘在空中或陷入地下的情景.通常地物、地形模型的数据结构和组织方式有很大差别(如通过不同的建模软件生成的),另外地形是起伏的,而地物的基准面是水平的,很可能出现地物所覆盖的区域横跨在2个或多个高度不同的地形三角形面片上等.地物模型与地形模型的匹配包括房屋模型与地形的匹配、道路和地形的匹配等.

以最为普遍的房屋模型与地形的匹配为例:解决方法有两种:①改变房屋模型.在与地形的合成中,首先寻找出房屋覆盖的地形面片中的最高点和最低点,然后将模型的水平基准面放在最高点,最后

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　第1期程效军,等:基于数字摄影测量技术的三维建模

构造房屋基准面之下的模型,这种方法适用于相对分散的点状特征物与地形匹配上.②改变地形模型.如果大片的居民区,其水平基准面相同,可以通过对地形模型的改造完成.可将多边形内的网格点高程置平,将多边形剖分,并将多边形经过的网格进行重新剖分.

2.2　纹理映射建模

纹理的意义可简单归纳为:用图像来替代物体模型中的可模拟或不可模拟细节,提高模拟逼真度和显示速度.模型建立以后,下一步工作就是将遥感影像作为纹理数据映射在DSM上,真实地模拟城市三维景观.

2.2.1　建筑物模型表面的纹理映射

建筑物的表面并不是一个简单的平面,有时也可能不是平面,而是具有门窗和框架结构的复杂图案表面,这些建筑物模型的细节如果也采用三维模型来表示将大大增加数据量和模型的复杂度,对于速度也是非常不利的.通过纹理映射的方法来模拟出这些细节,则很好地解决了这个问题,兼顾了系统对速度和逼真度的要求.

2.2.2　不规则物体的模拟

如广告牌、栏杆、树木、花草、路灯、桥梁等,它们是构成地形环境、提高模拟逼真度必不可少的部分.可采用纹理映射技术较好地模拟这类物体,实现逼真度和运行速度的平衡.

2.2.3　天空和远景模型[3]

如天空的晴阴等天气效果和海洋山脉等远景等等.这种模型特点是与视点距离很远,只强调表现效果.一种比较可行的方法是在三维景观建模中,对天空的模拟,可采用一个四边形或棱形作为“屋顶”,在表面上映射相应天气效果的纹理.另外值得一提的是可以采用纹理变换的方法实现动态移动的天空云彩,从而增加画面动态感.同样,通过在地形的边缘构造一组闭合的、由若干多边形组成的“围墙”,可在四边形内映射相应的纹理,实现该方向上远景的模拟.这样,当视点在这个由地形表面、边界远景立面、天空顶面组成的空间内移动时,加上适当的光照效果,整个景观就可以产生强烈纵深感.

3　试验分析

3.1　试验数据

3.1.1　试验场地

试验场地选定在某校园附近约4km2的地区内,整个试验区有大量的实测资料可供参考利用和分析对比.区内相对高度在5m左右,其间水系、道路、建筑物、林木等各种地物地貌现象比较齐全.

3.1.2　航片资料

选取覆盖试验区航片9036,9037两张航测影像,为2002年航摄的彩红外航片,航片比例尺为1∶6000,焦距为303.883mm,像主点坐标为(-0.0081mm,0.0251mm).

3.1.3　数字影像的获取

利用专业扫描仪(摄影扫描仪),扫描分辨率每英寸1200点(约每厘米472.4点),得到了对应两张假彩色航片的两幅影像,以标签图像格式(tif)存取,其数据量为363Mbit.建筑物立面影像采用数码相机Olymbus(奥林巴斯)C21400L拍摄.

3.1.4　控制点数据采集

控制点数据通过野外采用电子全站仪观测而得,均匀分布于校区内,这些点能较好地控制这一区

域.其精度高,可作为纠正、双像空间后方交会的控制.

3.2

　部分试验成果

采用第1,2节步骤和方法对该校园进行三维建模,图2为试验区的航空遥感立体像对,图3为采用综合建模方法建立的某复杂建筑物的三维模型,图4为最后建立的该校园三维模型图.

图2　试验遥感像对

Fig.2　Experimentation remote sensing pair

图3　某复杂建筑物的三维模型

Fig.3　Three demension modeling of complex building

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同济大学学报(自然科学版)第33卷　

图4　某校园三维模型图

Fig.4　Three demension model map of a campus

4　结语

在当今数字化程度越来越高的时代,地理信息系统中包含的信息再也不能只局限在二维或二维半,,这是“数字地球”时代的必然,也是传统GIS的一次飞跃.实践证明,采用数字摄影测量技术进行三维建模方法具有以下优点:①数据源信息丰富,航空像片或遥感影像不仅含有大量的空间数据,而且含有图像数据;②建模速度快,自动化程度高,三维建模的规模越大,此种建模方法越能显示其优越性;③易于实时更新,不论是地物的变化还是地形的变化都能及时反映出来.鉴于数字摄影测量技术进行三维建模的诸多优点,采用这种方法进行大范围的三维建模是十分理想的.

参考文献:

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(编辑:王东静)

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土工格栅加筋砂土的二维等价有限元解析方法

彭芳乐,龙冈文夫,廖少明,朱合华

通过试验以及解析结果的分析与比较,针对土工格栅加筋砂土提出了一种简单的二维等价有限元解析方法.有限元解析中砂土的本构关系采用了应变硬软化弹塑性模型,同时也考虑了砂土强度的异方性以及应力状态的依存性,土工格栅加筋材则简化为板状弹性材料.通过对一组实验结果以及解析结果的分析,合理地得出了土工格栅的配置密度与等价有限解析中加筋材与砂土接触面摩擦角的定量关系.结果表明,在土工格栅的配置形状以及刚性已知的情况下,利用提案的二维等价有限元方法可以较为精确地模拟加筋土的变形与强度的特性.14

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