城市傾斜攝影實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查方法研究與實(shí)踐

劉增良，陳 思，陳品祥

(1. 北京市測(cè)繪設(shè)計(jì)研究院，北京100038； 2. 城市空間信息工程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100038)

近幾年來，傾斜攝影測(cè)量技術(shù)飛速發(fā)展，無人機(jī)、傾斜相機(jī)越來越普及，尤其是以街景工廠、ContextCapture Center、PhotoScan、PhotoMesh等為代表的一批傾斜攝影三維建模軟件的發(fā)展和應(yīng)用，為大規(guī)模城市實(shí)景三維數(shù)據(jù)的快速生產(chǎn)提供了可行的解決方案。相對(duì)于傳統(tǒng)人工建模，傾斜攝影實(shí)景建模具有生產(chǎn)周期較短、效率高、費(fèi)用低、模型效果真實(shí)等特點(diǎn)[1-2]。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)很多城市都開展了大量的傾斜攝影實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)生產(chǎn)，但對(duì)于實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查，目前還沒有針對(duì)性的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范可遵循，大都參照傳統(tǒng)三維建模成果檢查相關(guān)技術(shù)規(guī)范，依據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行檢查[1,3]。本文結(jié)合北京市大規(guī)模傾斜攝影實(shí)景三維數(shù)據(jù)質(zhì)檢檢查的實(shí)踐，對(duì)實(shí)景三維數(shù)據(jù)質(zhì)檢過程中發(fā)現(xiàn)的問題進(jìn)行總結(jié)，分析實(shí)景三維質(zhì)量檢查的特點(diǎn)，探討實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查方法和內(nèi)容，為實(shí)景三維成果質(zhì)量檢查和質(zhì)量評(píng)價(jià)提供參考。

1 傾斜攝影實(shí)景三維模型特點(diǎn)分析

1.1 實(shí)景模型的“一張皮”

實(shí)景模型的“一張皮”表達(dá)與傾斜攝影三維建模原理與技術(shù)處理算法有關(guān)，成果以TIN網(wǎng)模型將整個(gè)場(chǎng)景各類地物要素“粘連”在一起，形成“一張皮”。各類要素并沒有實(shí)現(xiàn)對(duì)象化，而是所有地物要素模型為統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)模型。因此，實(shí)景模型質(zhì)量檢查不能照搬現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。

1.2 模型結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

模型的精細(xì)度取決于原始影像分辨率和傾斜三維處理軟件算法。由于為軟件自動(dòng)建模，地物模型結(jié)構(gòu)取舍標(biāo)準(zhǔn)是一致的，即各類地物要素模型的精細(xì)度基本一致，與地物要素重要性等級(jí)無關(guān)。一般情況下，區(qū)別于地物要素的體量大小和地物周邊遮擋，三維場(chǎng)景中建筑物模型、道路模型、水系模型、地形模型結(jié)構(gòu)比較完整，建筑物的門窗、墻面、陽臺(tái)等細(xì)節(jié)表現(xiàn)較好；植被模型細(xì)節(jié)一般表現(xiàn)不完整，樹木會(huì)出現(xiàn)漂浮、殘缺情況；部分較小地物如電線桿、指示牌、圍墻、塔吊等模型結(jié)構(gòu)一般不完整，出現(xiàn)漏洞、漂浮、殘缺現(xiàn)象[1,3]。這些決定了在實(shí)景三維模型質(zhì)檢過程中，要區(qū)別對(duì)待不同地物要素，有選擇、有重點(diǎn)地進(jìn)行檢查。

1.3 模型紋理特點(diǎn)

由于實(shí)景模型紋理均來自航攝影像，地物紋理的分辨率基本一致，紋理自動(dòng)映射，并無人工處理和修飾，其效果真實(shí)性強(qiáng)，考慮傾斜航攝時(shí)間通常較短，其紋理現(xiàn)勢(shì)性較好。在質(zhì)檢過程中，體量較小的地物要素因其紋理貼圖總像素?cái)?shù)小，在近距離瀏覽時(shí)，存在紋理模糊的情況。

1.4 模型的空間精度

實(shí)景模型的絕對(duì)空間精度與航攝影像分辨率大小有關(guān)，由于建模過程人工參與較少，相對(duì)于傳統(tǒng)三維建模而言，減少了人為誤差，模型空間精度普遍高于傳統(tǒng)三維模型。在原始影像分辨率確定的情況下，模型的整體位置精度取決于空中三角測(cè)量精度。在精度檢查過程中，應(yīng)選擇平整道路地面特征點(diǎn)及建筑物上建模效果較好的房角點(diǎn)進(jìn)行綜合點(diǎn)位精度檢查。

1.5 三維場(chǎng)景近地面瀏覽

高大建筑及地物間的相互遮擋導(dǎo)致部分地區(qū)缺失影像；近地面附近地物側(cè)面紋理分辨率低，導(dǎo)致在建模過程中無法進(jìn)行紋理匹配，模型在近地面出現(xiàn)紋理扭曲變形、局部拉花等現(xiàn)象。在質(zhì)量檢查過程中，若場(chǎng)景瀏覽觀察視角選擇在近地面，則模型將出現(xiàn)大量展示效果質(zhì)量問題。因此，在對(duì)傾斜模型進(jìn)行檢查時(shí)，應(yīng)將瀏覽觀察視角選擇在一定高度，即以模型紋理影像最佳分辨率高度進(jìn)行檢查，而非無條件降到近地面進(jìn)行檢查，這一點(diǎn)與傳統(tǒng)三維模型質(zhì)量檢查有很大區(qū)別。

2 實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查方法

目前，實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查尚無針對(duì)性的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范可遵循。在現(xiàn)行三維地理信息模型數(shù)據(jù)質(zhì)檢驗(yàn)收的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中，其檢查質(zhì)量元素包括空間參考系、位置精度、表達(dá)精細(xì)度、完整性、邏輯一致性、屬性精度、時(shí)間精度、場(chǎng)景效果、附件質(zhì)量等方面[3-6]。本文借鑒行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范檢查指標(biāo)，并考慮實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)質(zhì)檢的技術(shù)特點(diǎn)，從空間參考系、模型精度、建筑物模型完整性、場(chǎng)景協(xié)調(diào)性、數(shù)據(jù)組織和附件質(zhì)量等幾方面進(jìn)行重點(diǎn)分析，總結(jié)提出針對(duì)傾斜攝影實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)的質(zhì)量檢查方法。

2.1 空間參考系

空間參考系主要檢查實(shí)景模型成果數(shù)據(jù)的平面、高程坐標(biāo)系統(tǒng)是否符合要求。

2.2 模型精度

精度檢查包括平面位置、高程精度檢查，通過將實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)成果與實(shí)測(cè)的檢查點(diǎn)進(jìn)行定量比對(duì)，統(tǒng)計(jì)計(jì)算實(shí)景模型主體建筑物成果的幾何精度[7-12]。具體方法為：將檢查點(diǎn)的實(shí)測(cè)三維坐標(biāo)作為真實(shí)值，在模型成果上量取與之對(duì)應(yīng)位置的三維坐標(biāo)作為實(shí)際值，統(tǒng)計(jì)真實(shí)值與實(shí)際值之間的差值，計(jì)算中誤差，檢查點(diǎn)選擇包含地面點(diǎn)和建筑物房角點(diǎn)。

2.3 建筑物模型完整性

城市建筑物是傾斜攝影實(shí)景三維模型地物要素重點(diǎn)表達(dá)對(duì)象，而且建筑物模型結(jié)構(gòu)較完整，建筑物的門窗、墻面、陽臺(tái)等細(xì)節(jié)表現(xiàn)較好。因此，在實(shí)景模型完整性檢查方面，重點(diǎn)檢查建筑物模型的完整性。具體檢查項(xiàng)包括：建筑物主體是否存在模型多余、遺漏情況，玻璃幕墻漏洞情況，模型扭曲變形情況及紋理的正確性和變形情況。通過檢查人員人機(jī)交互的方式，檢查建筑物模型的完整性。

2.4 場(chǎng)景協(xié)調(diào)性

檢查內(nèi)容包括場(chǎng)景完整性、水面漏洞情況、場(chǎng)景接邊錯(cuò)誤等。具體檢查方法包括：由檢查員通過上機(jī)對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行目視瀏覽，檢查場(chǎng)景完整性情況，檢查水面是否存在漏洞，檢查相鄰區(qū)塊是否存在未接邊問題。

2.5 數(shù)據(jù)組織及附件質(zhì)量

該項(xiàng)主要包括：分析數(shù)據(jù)文件的存儲(chǔ)、組織是否符合技術(shù)設(shè)計(jì)要求，數(shù)據(jù)文件格式、文件命名是否正確，數(shù)據(jù)文件有無缺失、多余，數(shù)據(jù)是否可讀。核查分析各種基本資料及參考資料的完整性、正確性和權(quán)威性，技術(shù)設(shè)計(jì)、技術(shù)總結(jié)、檢查報(bào)告、原始記錄及其他文檔資料的齊全性、規(guī)整性。

2.6 場(chǎng)景瀏覽觀察視角高度

確定場(chǎng)景瀏覽觀察視角高度，即以模型紋理影像最佳分辨率高度對(duì)城市實(shí)景三維模型完整性、場(chǎng)景協(xié)調(diào)性、效果進(jìn)行質(zhì)量檢查。瀏覽視角高度確定與影像分辨率、TIN三角形最小建模單元邊長(zhǎng)、常用計(jì)算機(jī)屏幕分辨率等因素有關(guān)。如影像分辨率為5 cm，TIN三角形最小建模單元邊長(zhǎng)為10 cm，在屏幕分辨率為1980×1080像素情況下，在三維場(chǎng)景中觀察視角高度在300～350 m左右。

3 北京六環(huán)實(shí)景三維模型質(zhì)量檢查實(shí)例分析

北京六環(huán)范圍實(shí)景三維建模項(xiàng)目面積約3600 km2。項(xiàng)目采用運(yùn)12和直升機(jī)兩種機(jī)型作為航攝飛行平臺(tái)，傾斜航攝儀選型主要采用了AMC5100和SWDC-5 AP100相機(jī)，幅面11 608×8708，單臺(tái)相機(jī)達(dá)1億像素，5臺(tái)相機(jī)總像素高達(dá)5億像素。航攝共劃分10個(gè)航攝分區(qū)，航向重疊度為80%，旁向重疊度為70%，項(xiàng)目共獲取180多萬張影像，下視影像分辨率平均為5 cm。

項(xiàng)目采用Bentley公司的ContextCapture Center軟件進(jìn)行空三處理和三維建模工作，共劃分了19個(gè)建模分區(qū)。其軟件空三模塊采用光束法局域網(wǎng)平差空中三角測(cè)量，支持垂直影像和傾斜影像同時(shí)導(dǎo)入?yún)⑴c空三計(jì)算；由空三建立的影像之間的三角關(guān)系構(gòu)成三角TIN，再由三角TIN構(gòu)成白模，軟件從影像中計(jì)算對(duì)應(yīng)的紋理，并自動(dòng)將紋理映射到對(duì)應(yīng)的白模上，最終形成真實(shí)三維場(chǎng)景。針對(duì)自動(dòng)建模Mesh模型存在建筑物結(jié)構(gòu)漏洞、結(jié)構(gòu)變形、扭曲、玻璃幕墻結(jié)構(gòu)扭曲等問題，本文通過人工方式進(jìn)行模型修補(bǔ)，再將修補(bǔ)后的模型重新進(jìn)行紋理映射、模型重建，生產(chǎn)出符合要求Mesh三維模型數(shù)據(jù)。模型成果為OpenSceneGraph二進(jìn)制格式(OSGB)，坐標(biāo)系統(tǒng)采用2000國(guó)家大地坐標(biāo)系、1985國(guó)家高程基準(zhǔn)。

3.1 質(zhì)量檢查內(nèi)容與方法

項(xiàng)目實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)檢查主要包括空間參考系、模型精度、建筑物模型完整性、場(chǎng)景協(xié)調(diào)性、數(shù)據(jù)組織和附件質(zhì)量等。上機(jī)檢查三維場(chǎng)景瀏覽視角高度統(tǒng)一設(shè)置為300 m。其檢查方法主要為：①在ContextCapture Center軟件環(huán)境下，采用人機(jī)交互檢查方式，檢查空間參考系、建筑物模型完整性、場(chǎng)景協(xié)調(diào)性等；②采用野外實(shí)測(cè)的方式獲取檢查點(diǎn)，通過檢查點(diǎn)與Mesh模型對(duì)應(yīng)點(diǎn)坐標(biāo)比對(duì)檢核的方式檢查模型精度；③通過人工查閱設(shè)計(jì)文檔、數(shù)據(jù)成果文件，檢查數(shù)據(jù)組織、附件質(zhì)量等。

三維模型質(zhì)量評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)參考現(xiàn)有三維數(shù)據(jù)檢查規(guī)范，同時(shí)針對(duì)實(shí)景三維模型的實(shí)際特點(diǎn)，在質(zhì)量元素權(quán)重方面，適當(dāng)提高模型精度和建筑物模型完整性兩項(xiàng)質(zhì)量元素權(quán)重占比。

3.2 質(zhì)量檢查問題分析

對(duì)三維模型的空間精度檢查進(jìn)行了外業(yè)實(shí)測(cè)，19個(gè)建模分區(qū)共實(shí)測(cè)檢查點(diǎn)1220多個(gè)，各建模分區(qū)平面中誤差在0.09～0.19 m之間，全區(qū)平面中誤差為0.136 m，各建模分區(qū)高程中誤差在0.07～0.15 m之間，全區(qū)高程中誤差為0.108 m。

對(duì)建筑物模型完整性和場(chǎng)景協(xié)調(diào)性問題進(jìn)行了重點(diǎn)檢查，其主要問題為：建筑物結(jié)構(gòu)漏洞問題，建筑物結(jié)構(gòu)扭曲變形問題，玻璃幕墻結(jié)構(gòu)扭曲問題，水面漏洞問題，模型接邊處紋理變形問題，如圖1所示。

模型存在的問題，如由于遮擋、水面、玻璃等缺少紋理特征且易產(chǎn)生反射現(xiàn)象的表面造成模型產(chǎn)生漏洞、扭曲的，可通過人工交互編輯進(jìn)行修飾修補(bǔ)，以優(yōu)化模型效果[13]。模型優(yōu)化處理過程為：在ContextCapture Center軟件環(huán)境中，通過工具導(dǎo)出需要編輯的瓦片數(shù)據(jù)，輸出為OBJ格式，導(dǎo)入第三方軟件3ds Max、GeoMagic環(huán)境中進(jìn)行模型結(jié)構(gòu)恢復(fù)，對(duì)凹凸不平進(jìn)行拉平，冗余進(jìn)行刪除，再將恢復(fù)結(jié)構(gòu)的OBJ文件導(dǎo)入ContextCapture Center軟件中重新匹配紋理，生成修改后的模型，如圖2所示。

受傾斜攝影實(shí)景三維建模軟件算法、影像重疊度、影像航飛獲取時(shí)間、天氣情況等限制，目前部分模型問題通過傾斜攝影技術(shù)手段暫時(shí)無法處理，需要后期補(bǔ)充影像信息，采用人工重新建模等方法進(jìn)行解決，此類問題在實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)檢查中暫不處理，問題歸類如下：

(1) 部分模型存在紋理色調(diào)差異、色彩斑駁、表面黑斑問題。

(2) 建筑物本身存在飛檐、內(nèi)凹、夾縫、鏤空等結(jié)構(gòu)及部分附屬物等細(xì)小結(jié)構(gòu)，造成模型紋理出現(xiàn)扭曲或缺失問題。

(3) 地物密集區(qū)建筑物、構(gòu)筑物等部分結(jié)構(gòu)扭曲、紋理失真問題。

(4) 近地面地物間粘連、地物貼圖錯(cuò)誤、地面陰影匹配錯(cuò)誤等問題。

(5) 移動(dòng)物體造成的路面、水面紋理錯(cuò)誤、表面物體密集等問題。

(6) 薄墻、路燈、發(fā)射臺(tái)、電線、廣告牌等地物破損或缺失問題。

(7) 地面樹木、植被與其他地物粘連、懸浮問題。

(8) 施工區(qū)域模型懸浮、不完整問題。

3.3 質(zhì)量控制方法分析

通過大規(guī)模傾斜攝影實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)質(zhì)檢實(shí)踐，及對(duì)質(zhì)檢問題進(jìn)行歸類梳理，存在的質(zhì)量問題主要為空間精度問題、建筑物不完整、場(chǎng)景效果問題等，模型在空間參考系、數(shù)據(jù)組織方面一般質(zhì)量問題較少。對(duì)傾斜攝影實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)質(zhì)量的控制取決于多方面因素，其涉及航攝設(shè)計(jì)、航飛、外控測(cè)量、影像處理、空三、三維建模多個(gè)階段，具體環(huán)節(jié)因素包括：①影像分辨率；②影像重疊度；③影像質(zhì)量(季節(jié)、時(shí)間、色彩、云影、云霧、反光等)[14-15]；④像控點(diǎn)精度；⑤空三處理精度；⑥建模軟件處理算法。需要控制好每個(gè)環(huán)節(jié)的各個(gè)因素，才能生產(chǎn)出高質(zhì)量?jī)A斜攝影實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)。

4 結(jié) 語

目前傾斜攝影實(shí)景三維建模技術(shù)已廣泛應(yīng)用于城市大規(guī)模三維模型數(shù)據(jù)生產(chǎn)中，但針對(duì)性實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)成果的質(zhì)檢規(guī)范尚未出臺(tái)，本文在大規(guī)模實(shí)景三維數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查實(shí)踐基礎(chǔ)上，分析了實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查內(nèi)容、檢查方法，提出了針對(duì)實(shí)景三維模型檢查重點(diǎn)內(nèi)容，包括模型精度、建筑物模型完整性、場(chǎng)景協(xié)調(diào)性等方面，通過實(shí)際案例對(duì)問題進(jìn)行具體歸類分析，提出了相應(yīng)改進(jìn)方法，以期為城市傾斜攝影實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)成果質(zhì)量檢查和質(zhì)量評(píng)價(jià)提供技術(shù)參考。