分析基于倾斜摄影测量的建筑物三维模型自动纹理映射方法

    赵云静

    摘 要：本文基于DLC与3Dmax共同生成的建筑物模型，联合SWDC-5多角度倾斜影像，历经智能化选择，编辑，映射等流程，自动生成大范围建筑体三维实景数字模型，并以实验研究为支撑，检测该计算方法的可靠性，试验结果表明该系统数字化程度偏高。

    关键词：倾斜摄影;纹理映射;SWDC-5;方法研究

    文章编号：2095-4085（2020）05-0010-02

    倾斜摄影测量是近些年发展起来的一种测绘遥感技术，能以此获得场景的多角度影像，历经空中三角测量，纹理映射等过程，智能化形成规模较大的三角网模型，有精准度高，纹理信息丰富及智能化水平高等优势。本文介绍了采用倾斜影像构建三维城市模型自动纹理映射的原理，对研究中的一些技术难点进行阐述，以供同行参考。

    1 模型面与成像面的匹配

    航飞期间存在着航向，旁向重叠问题，模型中同一面与数个影像内的成像面对应，各张影像的内外方位元素存在差异，模型内任何一点A（X，Y，Z）对应的像坐标依次是ai（xi，yi），故而在不同航片上建筑物侧面的影像效果存在一定差异。以上关系可采用物点，投影中心与像点三点共线的基本关系式表示，结合如上原理即可知各张航片持有的方位元素相关性，就可以确定各张影像的姿态信息，此时就可以建筑体侧面各顶点组成的平面为基础，以中心投影的构像方程为支撑，测得和各模型面相对应的像点坐标，随即就能探寻出三维模型内各侧面相应的二维成像面[1]。

    2 自动获取大规模建筑纹理

    2.1 解除遮挡面问题

    密集型是现代建筑体的典型特征，这也是航空拍摄建筑物侧面形成的映像存在遮挡关系的主要原因之一，在采集纹理时，该类纹理被看成是错误纹理，其影响着观测到的建筑体自身纹理的真实度。故而，解除遮挡面的纹理是获取纹理的首要步骤，应以航空摄像时航拍的空间关系去判断遮挡关系。

    比如，某住宅小区1，2栋建筑体距离偏近，该区域地面类似于一个水平面，第1栋建筑体的侧面ABCD于地面某一高层面的投影均是线段CD，衔接线段SA，SB并拓展至较地面高层面依次是A1，B1，则地面上CDA1B1即为第1栋建筑体形成的遮挡范畴[2]。

    2.2 检索最佳航片及自动纠正纹理

    因影像成像的内外方位元素存在差异性，以致模型纹理匹配期间存有一对多的选取问题没选择适宜的纹理，是建模期间需重点分析的问题。先从视角层面上分析，结合观测角的判断结果，和面拍摄影像成角90°，能获得最大的成像面积，所呈现出的纹理信息最为丰富，可将其作为最适宜的纹理信息。结合建筑体侧面各顶点测算出的像点坐标，把其衔接成多边形，进而能测算出多边形的面积（Si），筛选出（Simax），就能检索出最佳航片（Pi）。

    航空影像或卫星影像能直观的呈现出丰富的景物信息，当下在数字化成像领域中有较广泛应用。但以上影像的形成并不是简单式垂直投影，这是造成影像存在多种几何变形的主要原因之一。三维模型为具备现实的纹理信息，不仅保证地理位置的精确性，也涵盖了多种信息的正射影像。故而，在对三维模型贴图前，应先把中心投影的影像转型为正射投影影像，此时就引入了数字微分纠正这一概念，结合区域DEM数据与影像的内外方位元素，采用投影的构像方程式，或以一定的数字模型为支撑用控制点测算，最后转化成正射投影影像。

    2.3 编辑侧面纹理

    自动构建的三维模型建筑纹理与倾斜航片间存在一一对应关系，在多种中间误差的作用下，可能会造成模型面映射于航片上出现偏移等多种改变，主要的影响因素有，（1）倾斜航片外方位元素的精确度。（2）三维模型的精确度与精细度。

    历经人工编辑处理后获得的建筑体侧面纹理，因影像的角点被人工强制性拉伸，以致相片形体出现不同程度改变。故而，一定要对影像实施纠正处理，以二次多项式模型为支撑，有益于解除以上形变，促使相片能歸化至预定的比例，这样方能获得成像逼真的场景数据。

    2.4 纹理映射

    Catmull是纹理映射的首位提出者，在对航片实施系列化处理后获得的纹理图像，把中心投影构像方程设为映射关系，对纹理图像与三维模型两者实施配准，贴图过程。纹理空间至模型空间的过程等同于读取纹理对应像素的过程，进而达成纹理映射目标。对航片实施预处理后，还需应对如下两个问题。（1）在获取航片纹理后，随即要对纹理实施区域性裁剪，等同于读写像素。在对区域进行批量性裁剪环节中，还需考虑到自动调整文件名的问题，进而规划出能自动清除已形成的文件名，为后续裁剪工作的开展创造便利条件。（2）逐一对单一建筑体面的纹理映射操作在提高建筑建模效率方面并没有体现出良好效能，故而应考虑设计出一种以某区域纹理为基础的智能映射流程。可以在某一区段中规划出某一水平或垂直扫描线，若确定某个建筑体坐落在扫描线上，测算与该实物各侧面相对应的航片纹理，就能实现纹理映射，并利用布尔型变量判断该模型是否真正历经了映射过程。

    3 实验和结果分析

    本实验研究中利用SWDC-5搭载运-5飞机获得影像，用DLC与3Dmax生成建筑物模型，区域中建筑体样式，分布均匀，可以用作三维模型纹理映射实验研究。

    已知本实验区域大概有310个建筑物模型，采用该软件进行纹理映射进行统计历时145min，一个模型从选择纹理，编辑纹理至纹理映射大概需要30s，用于实践活动中有益于提升三维建模效率，并且使用航空摄影形式取得建筑体侧面纹理数据信息，有益于压缩运营成本。

    4 结 语

    结合本文研究过程及结果，认为所设计的方法能较好的满足自动纹理映射空间分析的现实需求。但实践中，可能会因为建筑物过于密集化或区域边缘时，取得的纹理影像存在较大遮挡且消除难度较大，增加错误纹理出现的概率。另外因为航拍角度的限制，可能拍摄建筑物时出现死角。面对以上情况，应对系统做出适度的人工干预，这是后续研究的重要方向之一。参考文献：

    [1]徐庆贺，王珉，陈文亮，等.面向壁板变形预测的局部位移场分层映射方法[J].中国机械工程，2019，30（23）：2870-2876，2883.

    [2]李煜东.无人机倾斜摄影技术在大型水利桥闸除险加固工程中的应用[J].水利规划与设计，2019，17（11）：133-136.