倾斜航空摄影主要应用于城市区域三维建模,其能从多个角度获取完整的地物信息。传统的航空摄影只从垂直方向获取信息,能够用于4D产品的生产,但是不能满足城市区域的建模需求。倾斜航空影像弥补了垂直摄影的不足,能够获取更多的地物信息,并构建完整逼真的三维模型。倾斜影像在大比例尺测图、三维模型纹理采集和数字城市快速三维建模等方面得到了广泛的应用。区别于传统的竖直航空摄影方式,倾斜航空摄影从多个角度获取地物信息,其成像方式可以分为:固定倾斜角度成像,例如SWDC-5相机;摆扫式成像,例如A3相机。从单幅影像的角度来看,倾斜影像具有如下特点:①从多个视角倾斜成像,从而获取更多的建筑物立面信息;②具有较高的空间分辨率,且一幅影像内的分辨率不相同;③覆盖同一地物的多张影像的空间分辨率差异较大;④倾斜成像使地物遮挡现象较突出。从摄影方式的角度看,倾斜摄影具有如下特点:①获取数据速度快,时间分辨率高,能够反映测区的动态变化,利于数据实时更新;②倾斜航空摄影的重叠度比航空摄影的重叠度要高,多镜头和高重叠度使得像片数量庞大;③地物信息丰富,能够观测建筑物的每个立面的结构特征和纹理特征,尽量减少视角的盲点,提供完整的三维模型数据。目前,国外已有多家公司能够提供从影像空三到城市三维模型的技术。例如,瑞典的C3 Technology、法国的Smart3D、瑞士的Pixel4D和法国的街景工厂Street Factory等。虽然Smart3D已在国内大量应用,并能生成逼真的三维模型,但是还存在一些问题。倾斜影像三维重建存在的问题有:①密集匹配数据不够精确且不够完整;②密集匹配数据中建筑物的棱角特征不够突出;③建筑物表面变形;④三维模型有孔洞等问题。因此,基于倾斜影像自动构建三维Mesh模型仍然是一个难点,本文把基于影像的重建问题转化为基于密集点云的重建问题,克服倾斜影像透视变形对密集匹配的影响,构建高质量的流形三角网模型,适用于大区域、复杂场景的三维重建。本文的主要工作如下:1)本文围绕倾斜影像的特点,讨论了倾斜影像三维重建的难点,介绍了倾斜影像三维重建的基础知识,探讨了倾斜影像三维重建的关键技,深入分析了现有三维重建算法存在的问题。2)本文提出最小透视变形核线影像改正算法,在此基础上实现顾及物方平面的密集匹配策略,克服了倾斜影像的透视变形对密集匹配的影响。核线改正是三维重建中必要的初始步骤,针对倾斜影像变形大的特点,本文研究如何生成透视变形最小的核线影像,最大程度降低对密集匹配的影响。城市区域存在大量的水平面和竖直面,可以分别生成水平核线影像、竖直核线影像和相对于原始影像的像平面变形最小的核线影像。最后,融合以上三种核线影像的密集匹配结果,突出各自最有利的一部分区域,集成一幅最优的密集匹配深度图。3)本文提出虚拟视角法深度图融合,将相互重叠的深度图融合成一个非冗余的点云并提高点云的精度。倾斜影像数据量大且数据冗余大,直接利用密集匹配的点云构建Mesh模型存在计算量大且耗内存等问题;物体表面被多层点云覆盖且多层点云之间存在偏差,即存在深度图之间不一致的问题。通过深度图融合可以去除点云噪声,增强深度图之间的一致性,以及提高点云精度。常用的深度图融合方法,例如SURE和OpenMVS,是将每一张原始影像作为基准影像,虽然能够消除深度图之间的不一致,但是不能够去除冗余且计算量大。因此,合理选择基准影像是一个重要问题,既要避免冗余计算,还要保证基准影像覆盖所有的场景。本文通过定义有限数量的虚拟视角,尽可能地减少冗余并覆盖全部场景,在虚拟视角上融合深度图并实现三维重建。4)本文提出法向单参数法Mesh优化,利用原始图像信息优化Mesh模型,提高Mesh模型的精度。图割法构建Mesh模型具有抗噪声能力强,适应大场景、复杂区域的特点,但是构建的Mesh模型表面不满足二维流形特性。在图割法构网的基础上,本文通过顶点重标记实现二维流形Mesh的构建,为后续的Mesh简化和优化提供初始模型。由点云构建的Mesh模型,通常是重建了一个近似的表面,重建的Mesh模型存在局部变形、棱角不突出和三角网密度不一致等现象。因此,构建的Mesh需要再次利用原始影像信息弥补重建过程中的信息损失,依据匹配代价值最小原理利用原始影像和投影几何关系优化重建的Mesh。本文对Mesh顶点进行优化,并将其演化方向约束在法向量上,使其自由度降为1,减少了变量;用高斯曲率作为正则约束项,具有各向异性的特点,在优化过程中保留了建筑物的边缘特征。