基于Smart3D的傾斜影像三維建模研究

摘 要：三維建模是工程設(shè)計(jì)、數(shù)字城市等領(lǐng)域需求分析的基礎(chǔ)。近年來(lái)，隨著傾斜攝影測(cè)量技術(shù)在測(cè)繪遙感領(lǐng)域迅速發(fā)展，利用傾斜攝影測(cè)量技術(shù)進(jìn)行高精度、高效率實(shí)景三維建模成為研究熱點(diǎn)。本文基于傾斜影像數(shù)據(jù)，根據(jù)Smart3D平臺(tái)快速實(shí)景三維建模的流程方法，利用無(wú)人機(jī)傾斜影像進(jìn)行實(shí)景三維建模。結(jié)果證明了利用Smart3D對(duì)高大單個(gè)物體的精細(xì)化三維建模的可行性，并得出利用該方法對(duì)地表大范圍實(shí)景建模具有自動(dòng)化程度高、建模速度快、位置精度高、幾何和紋理精度可靠的優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞：三維建模;Smart3D;傾斜攝影測(cè)量;無(wú)人機(jī)

中圖分類號(hào)：P231 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2018）25-0016-04

1 研究背景

三維建模技術(shù)在土地規(guī)劃、災(zāi)害監(jiān)測(cè)和國(guó)防測(cè)繪等應(yīng)用領(lǐng)域起到基礎(chǔ)和核心作用，為需求分析和產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供依據(jù)。傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的迅速發(fā)展大大推動(dòng)了三維建模技術(shù)的進(jìn)步。利用傾斜影像進(jìn)行三維建模，具有數(shù)據(jù)采集效率高、人工干預(yù)少、建模速度快的特點(diǎn)，大大降低了時(shí)間和費(fèi)用成本。同時(shí)，建立的三維模型精度高、紋理粘合度好，詳細(xì)反映了地物表面的細(xì)節(jié)特征。總之，利用傾斜影像進(jìn)行三維建模能全方位、大范圍感知復(fù)雜場(chǎng)景，僅需少量的人工干預(yù)，就能實(shí)現(xiàn)逼真三維模型的構(gòu)建，從而獲得地物精確的位置信息、空間相對(duì)關(guān)系和地物表面的細(xì)節(jié)紋理[1]。

傾斜攝影測(cè)量技術(shù)在國(guó)內(nèi)外應(yīng)用廣泛，利用傾斜影像進(jìn)行三維建模的技術(shù)方法日漸完善。目前，國(guó)外主流建模軟件有法國(guó)Bently公司的ContextCapture（Smart3D），美國(guó)NewTek公司開(kāi)發(fā)的LightWave 3D和Autodesk公司Autodesk Maya等。在國(guó)內(nèi)，有北京觀著信息技術(shù)有限公司提出的雙相機(jī)五視角傾斜攝影與單相機(jī)旋轉(zhuǎn)式傾斜攝影方法及武漢大勢(shì)智慧科技有限公司研制的基于固定翼無(wú)人機(jī)的搖擺式傾斜攝影系統(tǒng)[2]。

本文在分析國(guó)內(nèi)外建模軟件的基礎(chǔ)上，選擇Smart3D軟件進(jìn)行實(shí)景三維建模?；赟mart3D軟件平臺(tái)快速實(shí)景三維建模的流程方法，利用無(wú)人機(jī)傾斜影像進(jìn)行實(shí)景三維建模。實(shí)驗(yàn)證明了利用該方法對(duì)高大建筑物進(jìn)行單體化建模的可行性和對(duì)地表大范圍建模效率高、精度高，其中點(diǎn)位平面精度約7cm，高程精度約9cm，滿足《低空數(shù)字航空攝影測(cè)量?jī)?nèi)業(yè)規(guī)范》（CH/Z 3003—2010）l∶1 000空三規(guī)范要求。

2 方法與原理

傾斜攝影測(cè)量技術(shù)作為一項(xiàng)遙感高新技術(shù)，融合了傳統(tǒng)的航空攝影和近景測(cè)量技術(shù)，改變了正射影像局限于從垂直角度拍攝的不足，通過(guò)在飛行平臺(tái)上同時(shí)搭載多臺(tái)傳感器，從垂直、前視、左視、右視與后視共5個(gè)不同的角度采集影像[3，4]，從而獲得地物表面全部紋理。其中，4個(gè)傾斜相機(jī)的傾斜角度為40°～45°[5]，如圖1所示，與地面垂直的相機(jī)獲取地物頂部的影像，與地面傾斜的相機(jī)獲取地物側(cè)面的紋理。同時(shí)，傳感器上方安置的機(jī)載POS系統(tǒng)可以把傾斜攝影瞬間POS系統(tǒng)的觀測(cè)值作為多角度傾斜影像的初始外方位元素[6]，傾斜影像三維建模技術(shù)通過(guò)垂直和傾斜影像的全自動(dòng)空三處理僅需少量的地面控制點(diǎn)和人工干預(yù)就可以獲取大量加密點(diǎn)，從而構(gòu)建TIN三角網(wǎng)生成白模，最后通過(guò)自助紋理映射，自動(dòng)建立二維紋理空間點(diǎn)[u，v]到三維物體表面點(diǎn)[x，y，z]之間一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系[7]便可以獲取逼真三維場(chǎng)景重建。

Smart3D，現(xiàn)在也稱ContextCapture，其是一套僅需少量人工干預(yù)，利用影像自動(dòng)生成高分辨率紋理的三維模型解決方案。Smart3D分為主控模塊和引擎模塊，采用主從模式管理兩大模塊。Smart3D三維建模的原理是通過(guò)對(duì)輸入的一組從不同的角度拍攝的靜態(tài)建模主體的數(shù)碼影像提取特征點(diǎn)和利用特征點(diǎn)匹配的方法實(shí)現(xiàn)匹配預(yù)處理，再采用區(qū)域網(wǎng)聯(lián)合平差方法，利用魯棒三維重建的密集型算法對(duì)空三處理生成大量連接點(diǎn)進(jìn)行三維重建，最后通過(guò)無(wú)接縫紋理映射、紋理貼圖包裝生成三維模型。

與人工建模每人每天0.2km2的工作量相比，基于Smart3D軟件利用傾斜影像進(jìn)行三維建模能達(dá)到0.4km2/天，工作效率約是人工建模的2倍。同時(shí)，基于Smart3D軟件三維建模位置精度高，幾何精度和紋理粘合度好。這一方案解決了傳統(tǒng)技術(shù)路徑存在的三維模型生產(chǎn)工藝復(fù)雜、生產(chǎn)成本高、工作強(qiáng)度大、模型生產(chǎn)效果不確定等問(wèn)題，為加快三維地理信息系統(tǒng)發(fā)展提供了思路。

影像獲取完成后，要對(duì)每一張像片進(jìn)行檢查，檢查是否存在數(shù)據(jù)丟失的不合格影像和是否存在漏拍部分，對(duì)存在問(wèn)題的區(qū)域要進(jìn)行重拍和補(bǔ)拍。軟件引入照片后會(huì)根據(jù)相機(jī)型號(hào)將照片分組，部分照片組需要手動(dòng)輸入相機(jī)的傳感器尺寸。

②空三運(yùn)算。通過(guò)常規(guī)測(cè)量方法得到一定數(shù)量控制點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)聯(lián)合平差[8]，通過(guò)人機(jī)交互的形式識(shí)別出相片中存在的地面控制點(diǎn)標(biāo)識(shí)，在空三運(yùn)算過(guò)程中通過(guò)提取特征點(diǎn)匹配的算法尋找同名像點(diǎn)，獲取每張相片的外方位元素和大量密集的連接點(diǎn)坐標(biāo)。如果相片在空三運(yùn)算過(guò)程中帶有POS信息或控制點(diǎn)坐標(biāo)[9]，則會(huì)減少刺點(diǎn)時(shí)間，空三加密速度會(huì)大大提高?？杖用芡瓿珊?，可以查看整個(gè)航帶的分布、飛行情況，空三加密點(diǎn)的位置、密度，以及每張影像的相對(duì)位置及覆蓋范圍方位角等信息[10]。

③重建生成?？杖用芡瓿珊罂梢赃M(jìn)行TIN三角網(wǎng)的構(gòu)建，從而生成白模，再通過(guò)紋理映射獲得實(shí)景三維模型。Smart3D可以直接完成單個(gè)物體的三維重建，對(duì)于大數(shù)據(jù)量的三維模型往往要采取分瓦的方法將模型分割成相同大小的許多瓦分別生成，這樣既彌補(bǔ)了計(jì)算機(jī)性能的不足，也便于計(jì)算機(jī)分布式運(yùn)算的任務(wù)分配[11]，又提高了重建速度和精度。同時(shí)，對(duì)于效果不理想或存在空洞的瓦可以進(jìn)行再生成或編輯，提高模型數(shù)據(jù)的整合和更新能力。

④紋理映射。將位置信息與紋理信息相匹配，參與貼圖的影像經(jīng)過(guò)空中三角測(cè)量的處理后都有準(zhǔn)確的內(nèi)方位元素。紋理映射完成后經(jīng)過(guò)多層次、多結(jié)構(gòu)的優(yōu)化即可建成真三維模型。

⑤導(dǎo)出模型。Smart3D生成的三維模型可以引用OSGB、OBJ、Max等多種格式[12]。對(duì)于進(jìn)行分瓦處理的三維模型，通過(guò)建立一個(gè)S3C索引文件就可以在同一參考系下打開(kāi)，最終看到整個(gè)三維模型，從而進(jìn)行編輯修改、添加注記等處理。

3 基于Smart3D三維建模的應(yīng)用

為了驗(yàn)證基于Smart3D對(duì)高大單個(gè)物體的精細(xì)化三維建模的可行性，我們利用飛馬J.ME多旋翼無(wú)人機(jī)，其內(nèi)置相機(jī)影像傳感器為1/3.06英寸CMOS、有效像素1 300萬(wàn)，對(duì)校園內(nèi)毛主席雕像進(jìn)行了拍照，環(huán)繞式地從物體周圍均勻分隔地采集了183張照片，影像夾角為15°，影像重疊度為80%，分辨率約為6cm。為優(yōu)化雕像底部建模效果，又用手機(jī)對(duì)雕像接近地面部分進(jìn)行均勻環(huán)拍，采集手機(jī)照片150張，雕像底層白色臺(tái)階長(zhǎng)寬均為12.2m，厚度為43cm，中間紅褐色正方體基座邊長(zhǎng)為4m，白色雕像高為12m，其生產(chǎn)過(guò)程如圖3所示。

同時(shí)，我們利用某石礦無(wú)人機(jī)傾斜數(shù)據(jù)進(jìn)行三維建模，傾斜影像采用航攝像機(jī)Canon ixus 220hs獲取，傳感器尺寸6.17mm，焦距4.36mm，共計(jì)1個(gè)航帶，共有航片128張，平均航高250m，影像分辨率約為13cm。模型投影坐標(biāo)系采用EPSG2512坐標(biāo)系。另外，通過(guò)常規(guī)測(cè)量技術(shù)獲取采石礦周圍地面控制點(diǎn)7個(gè)。通過(guò)空三處理獲取相片位置、姿態(tài)和大量連接點(diǎn)，空三精度如表1所示，空三處理效果、TIN三角網(wǎng)、生成白膜及紋理映射最終生成三維模型如圖4所示，控制點(diǎn)精度統(tǒng)計(jì)如表2所示。

4 結(jié)語(yǔ)

本文主要介紹了基于傾斜影像數(shù)據(jù)，利用Smart3D平臺(tái)快速實(shí)景三維建模的原理和流程方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了利用該方法對(duì)大體積物體進(jìn)行精細(xì)化單體三維建模的可行性，同時(shí)得出該方法可以利用帶控制點(diǎn)的無(wú)人機(jī)航攝影像對(duì)大面積地表進(jìn)行實(shí)景三維建模，所建模型具有高效率、高精度、能適應(yīng)復(fù)雜三維場(chǎng)景的特點(diǎn)?；赟mart3D平臺(tái)的無(wú)人機(jī)傾斜影像三維建模既可以得到單體化的三維模型，又可以保證大范圍三維模型的精細(xì)化，控制點(diǎn)精度可以達(dá)到厘米級(jí)，解決了傳統(tǒng)三維建模技術(shù)數(shù)據(jù)采集慢、建模時(shí)間長(zhǎng)、精度不高的問(wèn)題，為地理監(jiān)測(cè)、災(zāi)害防治等領(lǐng)域的真三維模型構(gòu)建提供了新依據(jù)。

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