Smart3D在空三解算及模型生產(chǎn)方面的探討

李新寧 權(quán)君娟

（寶雞西北有色七一七總隊(duì)有限公司 寶雞 721015）

1 引言

傾斜攝影測(cè)量能夠?qū)崟r(shí)快速獲取地面地物的位置、正側(cè)面紋理等諸多信息，通過(guò)GPS測(cè)量和后期軟件的處理，可以生產(chǎn)出真實(shí)紋理的高精度地物三維模型，為BIM、城市三維模型重建、測(cè)圖等提供了現(xiàn)實(shí)三維基礎(chǔ)，因此在規(guī)劃、國(guó)土、交通、電力等多個(gè)部門(mén)得到廣泛的應(yīng)用。為了推動(dòng)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，不少軟硬件廠家都提出了自己的解決方案，如中海達(dá)的iFly D6 六旋翼無(wú)人機(jī)+iCam Q5 五鏡頭相機(jī)、南方測(cè)繪公司的天行HO1300 八旋翼無(wú)人機(jī)+T51五鏡頭相機(jī)、武漢點(diǎn)云科技有限公司的SkyPhoto全套內(nèi)業(yè)處理軟件、Bentley 旗下的Smart3D 系列軟件。

本文主要探討傾斜攝影測(cè)量?jī)?nèi)業(yè)處理的前期工作，運(yùn)用常用的專(zhuān)業(yè)軟件Smart3D對(duì)某一研究區(qū)域進(jìn)行空三解算和模型生產(chǎn)，介紹其中的工作流程、生產(chǎn)效率、精度檢測(cè)等。

2 背景

為了試驗(yàn)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)在1:500 地形圖測(cè)繪的可行性，選取了建筑密度約30%、正射像片主點(diǎn)所覆蓋面積約0.2 平方公里的某一村莊進(jìn)行試驗(yàn)。外業(yè)航拍采用多旋翼無(wú)人機(jī)+五鏡頭相機(jī)；設(shè)計(jì)像片的地面分辨率為3厘米，航向重疊度和旁向重疊度均為75%。航拍和測(cè)量結(jié)束后統(tǒng)計(jì)：每個(gè)鏡頭的像片數(shù)是227張，共1135張，每張像片的像素約2千萬(wàn)，外業(yè)布測(cè)了8個(gè)像控點(diǎn)。

空三解算和模型生產(chǎn)對(duì)計(jì)算機(jī)的要求很高，軟件的安裝和試驗(yàn)工程數(shù)據(jù)均在固態(tài)硬盤(pán)上。試驗(yàn)采用的計(jì)算機(jī)，其主要配置如下表：

Smart3D 是一款基于圖形運(yùn)算單元（GPU）的快速三維場(chǎng)景運(yùn)算軟件[1]，具有處理精度高、紋理真實(shí)、自動(dòng)化程度高、輸出格式多樣化等優(yōu)點(diǎn)。Smart3D系列軟件包括Master（主控臺(tái)）、Setting（設(shè)置）、Engine（引擎）、Viewer（瀏覽）、Editor（修模）等。Bentley 公司將其收購(gòu)后不斷更新版本，本文使用的版本是4.4.6.845中文版。

3 項(xiàng)目設(shè)置

（1）像片處理

外業(yè)像片是由一個(gè)正射鏡頭和四個(gè)傾斜鏡頭拍攝出來(lái)，不同鏡頭的相機(jī)參數(shù)會(huì)有所不同，因此按鏡頭將像片放置在五個(gè)不同的文件夾中，不同鏡頭的像片名稱(chēng)其前綴盡量保持不同，可以采用ACDSee等軟件進(jìn)行批量重命名。如果天氣忽明忽暗等原因引起像片色調(diào)差異偏大，則需采用易拼圖等專(zhuān)業(yè)軟件進(jìn)行勻光勻色處理。

（2）創(chuàng)建工程及設(shè)置

打開(kāi)主控臺(tái)Master，創(chuàng)建新工程，工程名稱(chēng)不能為中文，確定好名稱(chēng)和路徑后進(jìn)入主界面。

“影像”節(jié)點(diǎn)下添加整個(gè)目錄，將五個(gè)鏡頭的像片添加到五個(gè)不同的影像組，正射照片所在的影像組建議排在第一位，方便初次刺入像控點(diǎn)。添加完成后軟件自動(dòng)根據(jù)像片的EXIF 識(shí)別出每個(gè)影像組的相機(jī)信息。

4 刺像控點(diǎn)與空三解算

該實(shí)驗(yàn)有8個(gè)像控點(diǎn)，均勻分布在測(cè)區(qū)范圍內(nèi)的平坦位置上，每個(gè)像控點(diǎn)對(duì)應(yīng)的正射和傾斜像片達(dá)幾十張，如果每個(gè)像控點(diǎn)人工從1135 張像片找出對(duì)應(yīng)的幾十張并刺入相應(yīng)位置，是極其耗時(shí)且容易出錯(cuò)。因此該步驟主要方式為：初次刺入三四個(gè)像控點(diǎn)對(duì)應(yīng)的正射照片位置，空三解算后預(yù)測(cè)出所有像控點(diǎn)所在像片的坐標(biāo)，然后根據(jù)預(yù)測(cè)坐標(biāo)將所有像控點(diǎn)刺入相應(yīng)位置，最后再次空三解算[2]。

（1）初次刺點(diǎn)與空三

在主界面的“Surveys”節(jié)點(diǎn)下，點(diǎn)擊“編輯控制點(diǎn)”，軟件自動(dòng)彈出“控制點(diǎn)編輯器”窗口，導(dǎo)入像控點(diǎn)坐標(biāo)文件，并設(shè)定好空間參考系統(tǒng)，選擇容易判讀的三個(gè)像控點(diǎn)，在正射像片上刺入。檢查無(wú)誤后保存并退出控制點(diǎn)編輯器，返回主界面中提交空中三角測(cè)量，里面的“定位/地理參考”選項(xiàng)中選擇“使用控制點(diǎn)進(jìn)行平差”，其余默認(rèn)設(shè)置，開(kāi)啟引擎Engine，計(jì)算機(jī)則自動(dòng)運(yùn)行空三解算。

測(cè)繪行業(yè)中像控點(diǎn)坐標(biāo)常采用高斯投影坐標(biāo)系或地方坐標(biāo)系，Smart3D導(dǎo)入像控點(diǎn)后一定要選擇空間參考系統(tǒng)，如果是地方坐標(biāo)系則要輸入橢球參數(shù)、中央子午線、橫坐標(biāo)偏移量等。不能默認(rèn)選擇笛卡爾坐標(biāo)系，否則坐標(biāo)離原點(diǎn)（0,0）越遠(yuǎn)，模型失真程度越高，這現(xiàn)象與Smart3D的算法有關(guān)。

（2）二次刺點(diǎn)與空三

因?yàn)槌醮未厅c(diǎn)出來(lái)的空三精度是較低的，所以需要刺上所有像控點(diǎn)涉及的正射和傾斜像片，這樣出來(lái)的空三精度才很高。打開(kāi)控制點(diǎn)編輯器，查看初次刺點(diǎn)的三個(gè)像控點(diǎn)有無(wú)粗差，無(wú)粗差后在“顯示影像”選擇“可能是視點(diǎn)”，在控制點(diǎn)列表中點(diǎn)選某一像控點(diǎn)，則軟件將該點(diǎn)涉及正射和傾斜像片的位置全部預(yù)估出來(lái)并顯示在影像列表中，逐一選擇影像，以影像上點(diǎn)的清晰程度決定是否刺上該像控點(diǎn)。無(wú)誤后再次按默認(rèn)設(shè)置提交空中三角測(cè)量。

Smart3D空中三角測(cè)量包括影像關(guān)鍵點(diǎn)提取、相對(duì)定向、絕對(duì)定向、像主點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算等?？杖史矫?，Smart3D 4.4版本比歷史版本提高了不少，該計(jì)算機(jī)配置下1135張像片的一次空三解算時(shí)間約為半小時(shí)。

5 三維模型的生產(chǎn)

傾斜攝影無(wú)論是測(cè)圖還是三維城市建模等，都是基于可視化三維立體模型上進(jìn)行。Smart3D 在精確的空三解算后能夠輸出OBJ、OSGB、3MX等諸多格式的三維模型。

圖1 三維模型生成中的空間框架設(shè)置

主界面的概要節(jié)點(diǎn)中，點(diǎn)擊“新建重建項(xiàng)目”，因?yàn)閿?shù)據(jù)量較大不能一次性生成一個(gè)整體三維模型，需切塊。在“重建”界面的空間框架節(jié)點(diǎn)中，空間參考系設(shè)為導(dǎo)入像控點(diǎn)時(shí)的坐標(biāo)系，切塊模式為“自適應(yīng)切塊”，目標(biāo)RAM 使用量設(shè)置為計(jì)算機(jī)的內(nèi)存“64 GB”,軟件根據(jù)設(shè)置自動(dòng)劃分成幾個(gè)瓦片，如圖1 所示。然后轉(zhuǎn)移到“重建”界面的概要節(jié)點(diǎn)，點(diǎn)擊“提交新的生產(chǎn)項(xiàng)目”，目的選擇“三維網(wǎng)絡(luò)”、格式選擇所需的三維模型格式、空間參考系統(tǒng)選擇導(dǎo)入像控點(diǎn)時(shí)的坐標(biāo)系，其余默認(rèn)后提交給計(jì)算機(jī)。該步驟計(jì)算機(jī)自動(dòng)運(yùn)行，需開(kāi)啟引擎Engine，是最耗時(shí)間的一步，實(shí)驗(yàn)中選擇紋理壓縮為“JPEG質(zhì)量70%”，生成的OSGB模型所需時(shí)間約為9小時(shí)。

如果還要生成其他格式的三維模型，需再次提交新的生產(chǎn)項(xiàng)目，所耗時(shí)間比初次三維模型生產(chǎn)的時(shí)間少很多，如實(shí)驗(yàn)中后續(xù)提交的S3C 格式三維模型，生產(chǎn)時(shí)間約為1小時(shí)。S3C 格式三維模型可以直接在Viewer瀏覽器中查看效果。

因?yàn)樵搶?shí)驗(yàn)是為1:500地形圖服務(wù)的，所以還需生成正射影像，提交新的生產(chǎn)項(xiàng)目后，目的選擇“正射影像/DSM”、采樣距離設(shè)置為0.05 米、正射影像的顏色源選擇“Optimized computation(visible colors)”、不勾選“DSM”。生產(chǎn)正射影像的時(shí)間約為1.5小時(shí)。

6 精度檢測(cè)

為了驗(yàn)證模型的平面精度和高程精度，在現(xiàn)場(chǎng)采集了34 個(gè)球場(chǎng)分界線、水泥地塊分界線等明顯平面地物點(diǎn)坐標(biāo)。然后把模型導(dǎo)入清華山維EPS軟件中測(cè)量，將現(xiàn)場(chǎng)坐標(biāo)與軟件測(cè)量值對(duì)比算出：模型的平面中誤差為0.041米，高程中誤差為0.036米。

地形圖的平面精度檢測(cè)主要是通過(guò)房角點(diǎn)、圍墻拐點(diǎn)等明顯特征點(diǎn)的誤差計(jì)算得出，為此現(xiàn)場(chǎng)采集了28個(gè)該特征點(diǎn)。清華山維EPS傾斜三維測(cè)圖的作業(yè)方式是通過(guò)房屋邊線、圍墻邊線交匯出特征點(diǎn)，將現(xiàn)場(chǎng)特征點(diǎn)的平面坐標(biāo)與EPS 測(cè)圖的坐標(biāo)對(duì)比，算出地形圖的平面中誤差為0.056米。

7 結(jié)論

通過(guò)試驗(yàn)和精度檢測(cè)得出：利用Smart3D進(jìn)行空三解算和三維模型生產(chǎn)，可以為大比例尺測(cè)圖、三維城市重建等工作提供了厘米級(jí)精度、紋理真實(shí)的現(xiàn)實(shí)三維實(shí)景基礎(chǔ)。這在實(shí)踐生產(chǎn)中具有一定的指導(dǎo)意義，為傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的發(fā)展起到了積極推動(dòng)的作用。

但是Smart3D 出來(lái)的模型還有一些不足之處：（1）大面積水域如魚(yú)塘存在空洞現(xiàn)象[3]；（2）茂密植被處難以匹配模型或難以看到地表；（3）對(duì)計(jì)算機(jī)配置要求很高且模型生產(chǎn)效率較低；（4）報(bào)告成果內(nèi)容較為簡(jiǎn)單，無(wú)像主點(diǎn)坐標(biāo)、連接點(diǎn)坐標(biāo)等信息。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，相信這些不足之處都會(huì)得到解決。