多視角影像自動(dòng)化實(shí)景三維建模的生產(chǎn)與應(yīng)用

黃　健，王　繼

(江蘇省測繪工程院，江蘇 南京 210013)

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多視角影像自動(dòng)化實(shí)景三維建模的生產(chǎn)與應(yīng)用

黃健，王繼

(江蘇省測繪工程院，江蘇 南京 210013)

Production and Application of Automatic Real 3D Modeling of Multi-view Images

HUANG Jian,WANG Ji

摘要：多視角攝影是近年國際上新興發(fā)展的航空攝影技術(shù)。本文依托項(xiàng)目介紹了以多視角航攝獲取的多視影像數(shù)據(jù)采用基于圖像的自動(dòng)化建模技術(shù)進(jìn)行數(shù)字城市實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)生產(chǎn)的技術(shù)和流程；進(jìn)行了數(shù)據(jù)成果的質(zhì)量檢測及評定，并據(jù)此對數(shù)據(jù)成果進(jìn)行了相應(yīng)的分析；最后結(jié)合該技術(shù)陳述了筆者的觀點(diǎn)，對于多視角攝影測量技術(shù)的應(yīng)用和實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)的自動(dòng)化生產(chǎn)具有較好的參考作用。

關(guān)鍵詞：多視角航空攝影；傾斜攝影；多視影像；實(shí)景三維模型

快速、高效地獲取并更新維護(hù)數(shù)字城市三維模型數(shù)據(jù)一直是三維建模技術(shù)研究的熱點(diǎn)。按數(shù)據(jù)采集方式和建模手段，城市三維建模技術(shù)可分為以下幾類[1-2]：①基于CAD的建模技術(shù)；②三維組件式自動(dòng)建模技術(shù)；③基于攝影測量的城市三維建模技術(shù)；④全景照片建模技術(shù)；⑤移動(dòng)測量建模技術(shù)；⑥激光掃描建模技術(shù)等。

在常規(guī)建模方法中，方法①使用3ds Max等模型設(shè)計(jì)軟件，以現(xiàn)有大比例尺地形圖矢量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行三維建模，在建立逼真、高精度的三維建筑模型方面具有優(yōu)勢，但是其建模生產(chǎn)存在成本高、效率低等問題。方法②將按照一定規(guī)則建好的如建筑物盒子、地下管線、交通設(shè)施、市政設(shè)施等具有一定的相似性或可描述性的三維模型組件存儲(chǔ)起來，以供在三維場景中進(jìn)行調(diào)用，其特點(diǎn)是效率高、成本低，但是其一般只應(yīng)用于模型精度要求不高的環(huán)境。方法③利用航空攝影測量技術(shù)采集測量獲取最新DLG二維或三維矢量數(shù)據(jù)，再進(jìn)行建模，其優(yōu)點(diǎn)是可高精度構(gòu)建測區(qū)范圍內(nèi)所有垂直方向可視的地物模型和地形地貌三維景觀等，但是垂直方向不可見的建筑物側(cè)面紋理信息需要靠其他手段來獲取并構(gòu)建。從以上分析可以看出：方法②模型精度不高，在數(shù)字城市建設(shè)中應(yīng)用有限，而方法①和③在三維建模階段都需要依靠大量技術(shù)嫻熟的三維建模人員使用諸如Sketch Up、3DMax等三維模型設(shè)計(jì)軟件耗費(fèi)巨大工作量手工進(jìn)行建模作業(yè)。數(shù)字城市三維建模的生產(chǎn)存在生產(chǎn)工藝復(fù)雜、對人員技術(shù)要求高、勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)周期長、產(chǎn)品質(zhì)量不可控等不利因素，制約了三維GIS的發(fā)展和推廣。

使用多視角航空攝影測量技術(shù)獲取多視影像數(shù)據(jù)，運(yùn)用基于圖像的自動(dòng)化三維重建技術(shù)進(jìn)行三維建模的構(gòu)建，可以極大地提高數(shù)字城市三維模型的生產(chǎn)效率，為三維GIS提供現(xiàn)勢、逼真、可靠的實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)。

一、多視角攝影技術(shù)

利用攝影測量技術(shù)進(jìn)行三維建模是常規(guī)方法中精度相對較高、建模效果較好的一種。但是在攝影測量中，由于如衛(wèi)星、飛機(jī)等的傳感器都是垂直于地面安置，受航高和空間攝影姿態(tài)限制，僅能獲得建筑的高度信息和頂部紋理信息，難以滿足數(shù)字城市建模三維數(shù)據(jù)獲取的要求。如果將鏡頭按一定角度進(jìn)行傾斜安置，使得視準(zhǔn)軸與建筑物側(cè)面法線夾角減小，則可以有效解決建筑物側(cè)面紋理信息的獲取問題。多視角攝影技術(shù)就是基于該理念應(yīng)運(yùn)而生的。多視角攝影技術(shù)又稱為傾斜攝影技術(shù)，它是國際測繪遙感領(lǐng)域近年發(fā)展起來的一項(xiàng)技術(shù)，通過在同一飛行平臺(tái)上搭載多臺(tái)傳感器，同時(shí)從垂直、傾斜等不同的角度采集影像，獲取地面物體更為完整準(zhǔn)確的信息[3-4]是數(shù)字城市建模三維數(shù)據(jù)獲取手段的主流趨勢。雖然傾斜攝影更常出現(xiàn)，但因傾斜不能反映多相機(jī)、多攝影角度的特征，本文中更傾向于使用多視角攝影這一技術(shù)定語。多視角攝影技術(shù)的應(yīng)用使得在航攝時(shí)可以在較相似的攝影條件和現(xiàn)勢性條件下獲取建筑物頂部和側(cè)面的特征和紋理信息，使得數(shù)據(jù)的相關(guān)性加強(qiáng)，為之后進(jìn)行的基于圖像的自動(dòng)化模型構(gòu)建創(chuàng)造了條件。

Smart3Dcapture(簡稱S3C)是法國Acute3D公司開發(fā)的一套基于圖形運(yùn)算單元的快速三維場景運(yùn)算軟件，其運(yùn)行無需人工干預(yù)，僅依靠連續(xù)的二維影像就能還原出可以達(dá)到原始影像像素分辨率的實(shí)景三維模型，是目前世界上最優(yōu)秀的基于圖像的三維重建軟件[5]。S3C軟件的應(yīng)用結(jié)合多視影像數(shù)據(jù)使得數(shù)字城市三維模型的自動(dòng)化生產(chǎn)更易于實(shí)現(xiàn)。

二、項(xiàng)目概述

主城區(qū)基礎(chǔ)三維城市景觀建模是數(shù)字丹陽地理空間框架建設(shè)中的一個(gè)子項(xiàng)目。江蘇省測繪工程院聯(lián)合上海航遙公司采用AMC580多視角航空照相機(jī)系統(tǒng)以多視角數(shù)碼航空攝影技術(shù)實(shí)施數(shù)據(jù)獲取，采用Acute3D公司的S3C自動(dòng)三維建模軟件來實(shí)施項(xiàng)目區(qū)域內(nèi)數(shù)字城市實(shí)景三維模型構(gòu)建。

本次航攝和建模的范圍為丹陽市主城區(qū)，實(shí)際航攝及建模區(qū)域面積約為120平方千米。采用多視角數(shù)碼航空攝影技術(shù)，獲取1個(gè)垂直影像和4個(gè)傾斜影像的真彩色數(shù)碼影像數(shù)據(jù)，相對航高為740 m；采用網(wǎng)絡(luò)RTK作業(yè)模式進(jìn)行像片控制測量；采用多視影像空中三角測量技術(shù)進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)空三加密；采用基于GPU并行運(yùn)算的影像密集匹配技術(shù)及后續(xù)三維建模技術(shù)進(jìn)行Mesh模型構(gòu)建及紋理映射；采用逆向工程技術(shù)對生產(chǎn)后Mesh模型進(jìn)行模型數(shù)據(jù)修補(bǔ)和優(yōu)化；最后采用LOD技術(shù)及OSG技術(shù)協(xié)調(diào)GIS技術(shù)實(shí)現(xiàn)對三維模型數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)布應(yīng)用。

“數(shù)字丹陽”項(xiàng)目的基于多視角航空攝影的數(shù)字城市三維模型生產(chǎn)建設(shè)生產(chǎn)工藝流程如圖1所示。

三、精度檢測和質(zhì)量評定

為驗(yàn)證利用多視影像數(shù)據(jù)使用S3C軟件實(shí)施自動(dòng)化三維建模所生產(chǎn)出的實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)的精度和質(zhì)量情況，在模型自動(dòng)化創(chuàng)建結(jié)束之后，江蘇省測繪工程院組織對該初級模型數(shù)據(jù)進(jìn)行了精度檢測。檢查方法采用人機(jī)交互檢查和通過外業(yè)實(shí)地抽樣巡查相結(jié)合的方法實(shí)施。

經(jīng)檢測，其數(shù)據(jù)質(zhì)量綜述如下：①影像地面分辨率為0.08 m，影像精度達(dá)到Ⅱ級；②地形模型：能反映地形起伏特征和地表影像，檢測精度優(yōu)于0.75 m，達(dá)Ⅲ級要求；③建筑要素模型：主要對房屋建筑頂部和樓體采用主體建模及基本輪廓和外結(jié)構(gòu)進(jìn)行幾何建模表現(xiàn)，外立面采用能基本反映地物色調(diào)、細(xì)節(jié)特征結(jié)構(gòu)的影像，屋檐、開放陽臺(tái)、下穿結(jié)構(gòu)、門廊、女兒墻等突出物和重點(diǎn)裝飾表現(xiàn)不完整；④植被要素模型：對帶狀綠化樹、綠化林地、苗圃等采用主體建模表現(xiàn)，及采用多面片的方式表現(xiàn)，外立面采用能基本反映樹木色調(diào)和特征的影像，花圃(壇)、草地一般用地形表現(xiàn)(Ⅱ級)；護(hù)樹設(shè)施與綠地護(hù)欄一般未表現(xiàn)(Ⅲ級)；⑤交通要素模型：地面道路、路基、橋梁、鐵路等用主體建模表現(xiàn)，紋理基本能反映路面材質(zhì)和交通標(biāo)線(Ⅱ級)。

圖1

檢查結(jié)論為綜合模型的平面精度、高度精度、地形精度、影像分辨率、模型精細(xì)度及紋理精細(xì)度等各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)達(dá)到的等級，檢查認(rèn)為該三維模型成果達(dá)到二級三維模型景觀的要求[5]。

四、數(shù)據(jù)與效率分析

通過精度檢測和質(zhì)量評定發(fā)現(xiàn)，在S3C空三解算模塊中采用該區(qū)域網(wǎng)控制點(diǎn)布設(shè)方案進(jìn)行空三加密解算，再通過S3C模型重建模塊生產(chǎn)出的模型成果，相對于規(guī)范[10]在幾何精度上平面精度和高度精度均可滿足1∶1000的三維模型成果幾何精度要求，但是在地形精度方面還有所欠缺，只能達(dá)到1∶2000的幾何精度要求。有多視影像的參與解算并未顯著提高航空攝影測量中地形高程精度的水平。眾所周知，在航空攝影測量中，高程精度和平面精度及基高比密切相關(guān)，在高程估算上，高程精度為平面精度/基高比，對于AMC580系統(tǒng)的垂直相機(jī)，其焦距為55 mm，像幅寬度為40.310 4 mm，航向重疊度最小72%，對于1、2鄰片(重疊度72%)，基高比為：1∶4.873；對于1、3鄰片(重疊度24%)，基高比為：1∶1.795。其最佳高程估算值即平面最小中誤差(0.27 m)/最大攝影基線的基高比(1∶1.795)，也達(dá)到了0.485 m，無法滿足地形Ⅱ級精度要求。由此可見，地物高程精度和像片的外方位元素的定位精度及像片的基高比密切相關(guān)，如果要提高高程精度，即提高外方位元素的定位精度(增加控制點(diǎn)密度，但相對于航向、旁向已很高重疊度的攝區(qū)，其將給控制作業(yè)和內(nèi)業(yè)轉(zhuǎn)點(diǎn)作業(yè)帶來巨大作業(yè)量，且提高高程精度水平有限)，或提高基高比(由于提高像片重疊度的限度有限，因此選用較短焦距的攝影相機(jī)和降低航攝高度是較有效的提高高程精度的方法，但短焦距對相機(jī)傳感器的尺寸和分辨率要求較高，而降低航攝高度對數(shù)據(jù)的獲取成本及城市的高度限制都有要求)，這需要進(jìn)行綜合考慮加以實(shí)施。

地形精度代表的是模型的高程方面的絕對精度，高度精度代表的是模型在高程方面的相對精度，由于該實(shí)施方案生產(chǎn)出的模型的高度精度較高，可將模型單體化提取出來后安置到具有滿足地形精度要求的三維地形場景中，這也是解決模型地形精度的一種手段，但整體三維模型場景的效果將大打折扣。

模型數(shù)據(jù)雖相比于常規(guī)工藝生產(chǎn)出的模型具有真實(shí)、細(xì)膩的特點(diǎn)，但也有不盡如人意的地方，在模型質(zhì)量檢測中發(fā)現(xiàn)：①空中有如半截高壓鐵塔等部分懸掛的遮擋物；②個(gè)別高層建筑模型立面變形明顯；③少部分池塘水面紋理有漏洞；④個(gè)別道路表面出現(xiàn)異常橫狀紋理；⑤個(gè)別道路表面紋理有缺損，表示不完整；⑥少部分水面紋理有明顯的拼接縫，過渡不自然；⑦個(gè)別橋下水面有變形、懸掛；⑧個(gè)別道路模型表面有起伏，與實(shí)地現(xiàn)狀不符等問題。

對于錯(cuò)誤①：引起此類錯(cuò)誤與影像數(shù)據(jù)的分辨率與計(jì)算機(jī)進(jìn)行影像匹配的辨析能力有關(guān)。該類地物的厚度或部件尺寸通常過小，在分米級。當(dāng)?shù)匚锏暮穸瘸叽缗R界甚至小于影像的分辨率及幾何精度水平時(shí)，計(jì)算機(jī)無法將其與周邊特征區(qū)分開來，要想通過自動(dòng)化完成該地物的正確建模將是困難的，需通過人工編輯來補(bǔ)齊模型。

對于錯(cuò)誤②：經(jīng)分析，此類建筑物側(cè)面均屬于玻璃幕墻或具有較強(qiáng)光反射效果的材料，造成計(jì)算機(jī)識(shí)別困難甚至是無法識(shí)別，因此在重新建模時(shí)錯(cuò)誤或無法建模，也需通過人工干預(yù)的方式進(jìn)行模型修正處理。

對于錯(cuò)誤③：由于水的流動(dòng)、光的反射及紋理的單一都能造成計(jì)算機(jī)識(shí)別錯(cuò)誤，需人工擬合處理缺損面。

對于錯(cuò)誤④、⑥：是由于影像勻光勻色處理不到位，造成數(shù)據(jù)在紋理映射時(shí)未平滑過渡，因此映射影像數(shù)據(jù)需重新處理后再重新進(jìn)行映射來解決。

對于錯(cuò)誤⑤、⑧：該問題是由于該路面的紋理單一，局部影像相似度大，造成計(jì)算機(jī)視覺識(shí)別困難，以及數(shù)據(jù)濾波不充分造成，需進(jìn)行模型修測處理。

對于錯(cuò)誤⑦：是由于多視角相機(jī)系統(tǒng)的攝影角度導(dǎo)致數(shù)據(jù)遮擋，而在其他影像中又沒有適合的數(shù)據(jù)補(bǔ)充，程序在影像匹配時(shí)缺少充分的解算條件，因此造成該系列問題，需要進(jìn)行模型修測處理。

以上這些模型錯(cuò)誤都是在自動(dòng)建模階段形成，需在其后使用第三方軟件進(jìn)行模型修測處理后，再回S3C軟件進(jìn)行紋理重新映射處理進(jìn)行解決。

相對于使用常規(guī)手段和建模軟件手工或半自動(dòng)建立起來的模型，使用S3C軟件自動(dòng)化建模在效率上有了極大的提高。如對于丹陽市這樣縣級市城區(qū)規(guī)模的測區(qū)(約100 km2范圍)，利用傳統(tǒng)手段，需10～20個(gè)熟練建模作業(yè)人員約一年的時(shí)間才能完成三維模型的構(gòu)建；而使用自動(dòng)建模模式在S3C軟件下建模，從航攝到最終模型生成，僅需1～2人使用擁有4個(gè)節(jié)點(diǎn)的S3C系統(tǒng)構(gòu)建在不到3個(gè)月的時(shí)間即可完成。但是，由于以上質(zhì)檢中存在的問題，需要對模型進(jìn)行修測和優(yōu)化處理，這當(dāng)中就需要加派能夠熟練運(yùn)用逆向工程軟件的作業(yè)人員對模型進(jìn)行處理，這樣需要約十人左右，持續(xù)2～3個(gè)月才能完成。這樣計(jì)算其效率相對于傳統(tǒng)模型的構(gòu)建，提高僅2～4倍。當(dāng)考慮到多視角影像的航攝成本，以及S3C軟件系統(tǒng)的前期投入和整個(gè)測區(qū)以數(shù)十甚至數(shù)百TB的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量，其投入和產(chǎn)出需要權(quán)衡考慮。

五、相關(guān)技術(shù)思考

三維實(shí)景模型屬于三維模型的范疇。三維實(shí)景模型以其生產(chǎn)自動(dòng)化的高效率和逼真細(xì)膩地物的現(xiàn)勢景觀表現(xiàn)而體現(xiàn)出其相對于其他建模方式模型在大范圍城市三維場景模型方面的巨大優(yōu)勢。但在現(xiàn)有的三維模型應(yīng)用條件下，三維實(shí)景模型也有其局限性，如：①數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)容量過大，三維可視化數(shù)據(jù)加載困難；②模型面片數(shù)過多，模型數(shù)據(jù)的單體化效果不佳，不利于GIS對模型數(shù)據(jù)進(jìn)行分析；③模型的細(xì)部表現(xiàn)噪聲較多，當(dāng)屏幕鏡頭拉近時(shí)，展示效果不佳等。

對于①，通過LOD技術(shù)對數(shù)據(jù)進(jìn)行分層分塊組織實(shí)際上已經(jīng)解決，此外,即是使得顯示效果更流暢的問題。同時(shí)參照DOM數(shù)據(jù)和DEM數(shù)據(jù)，它們也不是在一個(gè)文件中存放整個(gè)測區(qū)的數(shù)據(jù)，而是需要對其進(jìn)行數(shù)據(jù)分幅管理，由于LOD技術(shù)已經(jīng)涉及將數(shù)據(jù)分塊，即將模型數(shù)據(jù)分為若干個(gè)Tile，再根據(jù)Tile的索引組織成索引文件去進(jìn)行調(diào)度管理。由于傳統(tǒng)的三維模型大多為手工創(chuàng)建，各作業(yè)人員建模難免會(huì)有差異，為保持模型的完整性，通常模型的分塊存儲(chǔ)是以街區(qū)為單位，以保持模型的完整性，這樣模型文件的分塊和組織就比較隨意和無規(guī)律。但是以本技術(shù)流程自動(dòng)生產(chǎn)的實(shí)景三維模型由于是自動(dòng)連續(xù)生產(chǎn)出來的，不存在數(shù)據(jù)接邊問題，數(shù)據(jù)分塊也可以精確控制，因此可以對模型數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化管理，將Tile塊按照相應(yīng)比例尺進(jìn)行分幅。但是，基于Tile數(shù)據(jù)的優(yōu)化考慮，即單個(gè)Tile的存儲(chǔ)容量、模型數(shù)據(jù)的三維可視化加載和顯示的流暢性等，不能以對應(yīng)的成圖比例尺去分幅，而是建議按對應(yīng)比例尺的模型數(shù)據(jù)分為4個(gè)Tile塊，分別命名為圖幅號(hào)+A、B、C、D來組織和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。

②中的困難實(shí)際上可歸結(jié)于是否有必要簡化模型的面片和實(shí)施模型的單體化的問題。生產(chǎn)出的三維實(shí)景模型本質(zhì)上就是在DSM上映射了航攝像片的紋理信息，其更接近于二維地理信息數(shù)據(jù)中的DOM數(shù)據(jù)，例如在GIS系統(tǒng)中，不會(huì)為提取DOM中某個(gè)目標(biāo)地物而將其影像單獨(dú)裁切開來，而是使用與之匹配的點(diǎn)或是面來反映該地物的信息，在三維GIS系統(tǒng)，完全可以使用點(diǎn)或地物的外包盒子來掛載該地物的GIS屬性信息，而三維實(shí)景模型只需反映該地物的實(shí)體外殼特征。這樣只有地物的獨(dú)立顯示和消隱等少數(shù)三維GIS操作實(shí)現(xiàn)起來較困難，而其余的三維GIS可視化應(yīng)用交互都基本上可以實(shí)現(xiàn)。

③實(shí)際上是一個(gè)模型顯示尺度的問題，例如DOM數(shù)據(jù)，對于比例尺1∶1000的DOM，在小于1∶1000的尺度上去觀察，它是完全滿足視覺要求的，如果強(qiáng)行將其放大到1∶100的尺度去觀察，其分辨率將無法滿足視覺的辨析要求。同樣，對于以比例尺1∶1000的要求生產(chǎn)出的三維實(shí)景模型，如若強(qiáng)行將其拉到很近去觀察，并評價(jià)其精細(xì)度水平，其評價(jià)方法也是不合理的。因此，對于③中的問題，是否應(yīng)該考慮進(jìn)行相應(yīng)的條件限制，從而可以宏觀上去把握產(chǎn)品的整體質(zhì)量。

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中圖分類號(hào)：P23

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：0494-0911(2016)04-0075-04

作者簡介：黃健(1975—)，男，碩士，高級工程師，主要從事攝影測量與遙感的技術(shù)研究與應(yīng)用。E-mail：304417348@qq.com

基金項(xiàng)目：江蘇省測繪地理信息科研項(xiàng)目(JSCHKY201419)

收稿日期：2015-05-13

引文格式： 黃健，王繼. 多視角影像自動(dòng)化實(shí)景三維建模的生產(chǎn)與應(yīng)用[J].測繪通報(bào)，2016(4)：75-78.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0125.