基于多角度倾斜影像的复杂建筑精细化重建应用

段政明

摘要：在城市建设和自然变化等多种因素的叠加作用下，各类复杂多样、对历史研究具有重要意义的古建筑在损坏后因缺少资料而极难修复，因此，对其进行数字化保护，为后续修缮提供数据支撑意义重大。文章主要在倾斜摄影测量技术基础上，进行多角度影像间特征匹配能力分析，验证空中航线规划的倾斜摄影和自由航飞采集近景摄影测量结合的精细化三维重建方法可行性。

关键词：复杂建筑；倾斜摄影测量；多角度影像；精细化重建

中图分类号：P231  文献标志码：A

0 引言

在城市建设和自然变迁等多方面的作用下，我国存世的各类古建筑一直面临破坏的风险，这些建筑具有悠久历史和文化意义，对历史研究具有重要作用，因此，对其进行数字化保护，为后续可能的修缮提供数据支撑意义重大［1］。

随着测绘地理信息行业的技术发展，一些能够进行三维实景重建的技术得到了实验应用，此类三维数据具有可视化更直观、纹理信息更清晰、测量精度更准确等特性，能够真实地还原所构建的模型外貌，为建筑物的数字化提供了新方法［1-2］。常见的实景三维重建方法主要有三维激光扫描和倾斜摄影测量两种，两种方法在三维重建上各自具有不同的优势，适合不同场景的三维重建工作［3］。

本文在對两种方法进行对比后，选择在倾斜摄影测量技术的基础上开展复杂建筑的三维重建研究工作。探索多角度影像特征匹配问题，实现空中航线规划的倾斜摄影和自由采集近景摄影结合的，精度可达毫米级的精细化三维重建技术方案。

1 三维建模方法

1.1 实验设备仪器

经过探讨研究后，选择大疆精灵4Pro无人机作为倾斜摄影测量采集设备，该款无人机具有价格低廉、操作简洁和小巧灵活等诸多优势，能够更好地兼具经济性和适用性。该无人机搭载一台有效像素2 000万的相机和具有较好防抖效果的云台。

1.2 倾斜摄影测量技术

倾斜摄影测量的主要技术原理是通过采集同一物体多角度的、具有重叠的纹理特征影像，提取影像间的同名特征点，利用共线方程等计算方法恢复影像位置姿态信息［4］；继而通过像素获取物体表面三维点的坐标，构建出点云数据［5］；将三维密集点云连接成三角网组成白模模型后，映射相应的纹理即可得到实景三维模型［6］，此模型具有真实的纹理和坐标数据，可视化、可量测效果好（见图1）。

相较于三维激光扫描技术，基于影像数据的倾斜摄影测量技术具有数据量小、采集数据角度多样化、设备经济低廉等特点，能够更快速、高效的采集数据信息构建大范围的实景三维模型［7-8］。

2.3 多角度影像特征匹配分析

影像采集相机位置姿态的变化会使影像间产生不同的角度差异，在航线规划采集数据时差异变化较小，但在进行自由采集获取复杂建筑近景多角度影像时，角度的多样化、差异化会增大影像空三解算难度，甚至导致解算失败［9］。

因此，通过实验验证多角度影像匹配问题十分必要，本实验主要用良好匹配点对这一指标评价不同倾斜角度影像间匹配效果，良好的匹配点对可被认为是正确的特征匹配，其数量越多可以认为匹配效果越好（见图2）。

实验主要选取一处复杂仿古建筑作为研究对象，对其进行自由影像采集，通过环绕飞行间隔4度采集建筑影像90张，提取多张角度间隔连续变大的影像，将具有代表性、广泛使用的A-SIFT算法作为同名点对特征匹配算法，对不同角度间隔的影像进行特征的提取和特征点的匹配，比较不同角度间隔影像间的同名特征点匹配效果，分析角度变化对倾斜影像匹配的影响（见图3）。

多角度影像间匹配结果统计汇总如表1所示。

分析表格数据可知，匹配到的点对数量和两张影像间的倾斜角度呈负相关，角度间隔越大，匹配算法的匹配效果越差，这一结果与实践经验是具有一致性的；在此基础上，对角度间隔4°～64°的影像对间进行匹配，获得不同相对倾斜角度的良好匹配结果，构建相对倾斜角度与良好匹配点对数之间的关系曲线，如图4所示。

在影像间相对倾斜角度增加到10°周围时，良好匹配的点对数量会大幅度减少，因此，可以分析认为影像间相对倾斜角度10°～12°作为一个分界区，超过此分界的影像只能匹配到很少的同名特征点对数量，这会直接影响倾斜摄影测量得到的多角度影像整体进行空中三角测量解算效果，最终影响三维模型重建的成果质量。

3 复杂古建筑精细化重建应用

3.1 区域基本情况

多角度倾斜影像进行复杂古建筑三维重建实验场地选择一处仿古建筑，该建筑周围无其他大型建筑整体，较为独立，侧面墙体纹理较为丰富，适合作为技术应用验证场地。该仿古建筑整体呈规则矩形，长约为14 m，宽约为10 m，高度约为10 m。

3.2 多角度影像数据采集

3.2.1 空中航线规划的倾斜摄影

使用精灵4Pro进行固定航高影像采集，根据现场情况，航线飞行高度为45 m，航向和旁向重叠度设置不低于70%，共采集到270张倾斜影像数据。

3.2.2 自由采集近景摄影

固定航高采集影像因为分辨率较低、影像角度固定，无法较好的采集到复杂建筑侧面精细纹理，此时使用无人机进行自由角度影像采集，采集建筑侧面精细纹理信息，采集时要确保相邻倾斜影像相对倾斜角度不大于10°，从而保证多角度影像间能够匹配到足够的特征，进行空三解算，最终采集到600张影像。

3.3 模型构建效果分析

通过将固定航线规划采集影像与自由角度采集影像进行联合空三解算［10］，在空三解算的基础上进行密集点云生成、三角网白膜构建、纹理映射，最终得到复杂古建筑精细化的外部模型（见图5），对模型整体表现效果进行分析，截取模型细节进行比对（见图6），多角度倾斜影像联合构建复杂建筑模型在重复纹理特征、侧面精细纹理细节方面具有更完整的表达和展示。

4 结语

本文在对多角度倾斜影像间的特征匹配问题进行探讨后，利用空中航线规划的常规倾斜摄影和自由采集近景摄影测量结合，进行多角度倾斜影像间的联合空中三角测量解算，恢复影像间的姿态和位置，最终构建实景三维模型，经过实验分析后证实模型整体精度、纹理细节具有大幅度提升，能够较好地实现精细化三维重建。该方法具有整体操作简单，技术设备要求较低等特点，适合进行灵活的复杂建筑精细化建模工作。

参考文献

［1］尚涛，孔黎明.古代建筑保护方法的数字化研究［J］.武汉大学学报（工学版），2006（1）：72-75.

［2］杨晓波，李欣亮，赵青，等.基于多源数据的西藏传统古建筑三维精细化重建——以布达拉宫为例［J］.实验室研究与探索，2019（8）：4-8.

［3］索俊锋，刘勇，蒋志勇，等.基于三维激光扫描点云数据的古建筑建模［J］.测绘科学，2017（3）：179-185.

［4］袁修孝，蔡楊，史俊波，等.北斗辅助无人机航摄影像的空中三角测量［J］.武汉大学学报（信息科学版），2017（11）：1573-1579.

［5］吴军，姚泽鑫，程门门.融合SIFT与SGM的倾斜航空影像密集匹配［J］.遥感学报，2015（3）：431-442.

［6］范冲，王学.三维城市建筑物的纹理映射综述［J］.测绘与空间地理信息，2014（7）：1-4.

［7］龚健雅，季顺平.从摄影测量到计算机视觉［J］.武汉大学学报（信息科学版），2017（11）：1518-1522.

［8］龚健雅，季顺平.摄影测量与深度学习［J］.测绘学报，2018（6）：693-704.

［9］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（5）：537-543.

［10］袁修孝，朱武，武军郦，等.无地面控制GPS辅助光束法区域网平差［J］.武汉大学学报（信息科学版），2004（10）：852-857.

（编辑 何 琳）

Application of complex building fine reconstruction based on multi-angle tilt image

Duan  Zhengming

（Yangling Vocational and Technical College， Yangling 712100， China）

Abstract：  Under the superposition of various factors such as urban construction and natural change， it is extremely difficult to repair various complex and diverse ancient buildings of great significance to historical research due to lack of data after damage. Therefore， it is of great significance to carry out digital protection for them and provide data support for subsequent repair. Based on the tilt photogrammetry technology， this paper analyzes the feature matching ability between multi-angle images， and verifies the feasibility of the refined 3D reconstruction method combining the tilt photogrammetry of air route planning and the free-flight close-range photogrammetry.

Key words： complex building; tilt photogrammetry; multi-angle image; refined reconstruction