傾斜攝影三維建模技術(shù)探討

李乃強(qiáng)

（江蘇省測繪工程院 江蘇南京 210013）

1 引言

為響應(yīng)《江蘇省十三五省級基礎(chǔ)測繪規(guī)劃》中應(yīng)急測繪綜合保障能力的要求，綜合考慮“十三五”期間我省基礎(chǔ)測繪發(fā)展實際需求，利用無人機(jī)遙感、實景三維建模等先進(jìn)技術(shù)，開展無人機(jī)傾斜航拍攝影及三維建模試點項目。

根據(jù)江蘇省“十三五”省級基礎(chǔ)測繪規(guī)劃的實施方案，項目試點結(jié)合實地勘探、無人機(jī)起飛條件、安全因素和已有資源利用等考量，最終選擇南京市江寧區(qū)牛首山作為本項目試點區(qū)域。項目通過在無人機(jī)云臺上搭載的傾斜攝影相機(jī)來獲得地面建構(gòu)筑物多角度高清晰影像信息，再利用后期軟件系統(tǒng)完成空三加密測量和三維模型構(gòu)建，實現(xiàn)從無人機(jī)傾斜攝影采集到三維模型生產(chǎn)的一體化作業(yè)流程，創(chuàng)新三維模型構(gòu)建新模式[1]。

2 研究內(nèi)容及技術(shù)指標(biāo)

2.1 研究內(nèi)容

項目采用四旋翼無人機(jī)，獲取一個垂直和四個傾斜真彩色數(shù)碼影像數(shù)據(jù)；采用網(wǎng)絡(luò)RTK 作業(yè)模式進(jìn)行像片控制測量；采用多視角數(shù)碼航空攝影測量技術(shù)進(jìn)行空中三角測量；采用“種子點+點云全局優(yōu)化構(gòu)網(wǎng)處理”的影像匹配技術(shù)進(jìn)行Mesh 模型構(gòu)建。完成0.6 平方千米的傾斜攝影，完成了10 個像片控制點的布設(shè)和測量，完成了0.3 平方千米的三維實景建模。

2.2 技術(shù)指標(biāo)

2.2.1 作業(yè)依據(jù)

（1）CH/T 9015-2012《三維地理信息模型數(shù)據(jù)產(chǎn)品規(guī)范》；

（2）CH/T 9016-2012《三維地理信息模型生產(chǎn)規(guī)范》；

（3）CH/T 9024-2014《三維地理信息模型數(shù)據(jù)產(chǎn)品質(zhì)量檢查與驗收》。

2.2.2 數(shù)學(xué)基礎(chǔ)

（1）平面坐標(biāo)系統(tǒng)

本項目采用2000 國家大地坐標(biāo)系，高斯克呂格投影，中央子午線120°，3°分帶。

（2）高程系統(tǒng)

本項目采用1985 國家高程為基準(zhǔn)。

2.2.3 成果精度指標(biāo)

（1）地面影像分辨率優(yōu)于0.1m；

（2）空三加密基本定向點平面位置誤差不大于0.3 m，高程誤差不大于0.26m。（陰影、攝影死角、隱蔽等特殊困難地塊誤差可適當(dāng)放寬0.5 倍）；

（3）三維模型的平面精度、高度精度均達(dá)到Ⅲ級，平面中誤差不大于0.5m，高程中誤差不大于0.4m。困難地區(qū)（如林地、陰影覆蓋隱蔽區(qū)等）的平面和高程中誤差可放寬0.5 倍，兩倍中誤差為最大誤差；

（4）三維模型景觀效果達(dá)到二級模型景觀的要求。

2.2.4 成果數(shù)據(jù)格式

航片成果格式為*.JPG；成果數(shù)據(jù)包括三維模型數(shù)據(jù)成果、DSM、DOM 一套，三維模型成果數(shù)據(jù)格式*.OSGB、*.S3C 格式。

3 技術(shù)路線

3.1 航線設(shè)計

牛首山佛頂宮高度約89.3 米，佛頂塔高度約88米，為確保安全飛行，本任務(wù)實際航高確定為200米，本次項目采用南北向航線，航向、旁向高重疊度航攝[2]。

3.2 像片控制點測量

（1）像片控制點布設(shè)：由于航攝區(qū)域范圍較小，為控制重點建筑物模型精度，采用航攝范圍周邊和中間布點的方式，共計布設(shè)像控點10 個。

（2）像片控制點判刺與整飾：選取了道路斑馬線的拐角點，地面明顯地物的交點等作為像控點，像控點判刺實地拍照記錄像控點位置。

（3）像片控制點測量：采用基于JSCORS 的網(wǎng)絡(luò)RTK 作業(yè)方式聯(lián)測，觀測次數(shù)至少3 次，每次觀測應(yīng)重新初始化，每次觀測歷元數(shù)大于10 個，測量的平面坐標(biāo)分量最大較差為1.8 厘米，高程最大較差為2.6 厘米，取各次測量結(jié)果中數(shù)作為最后成果。

3.3 航攝數(shù)據(jù)預(yù)處理

航飛結(jié)束后，技術(shù)人員對影像數(shù)據(jù)進(jìn)行了檢查。在Capture One 軟件環(huán)境下對原始影像進(jìn)行全局瀏覽，整個攝區(qū)中影像地物均較為清晰，影像顏色較為正常，接近真實地物場景的色調(diào)。在Adobe Photoshop軟件中，技術(shù)人員根據(jù)地域特征，利用合適的數(shù)據(jù)調(diào)色模板進(jìn)行色彩、亮度和對比度的調(diào)整，使影像整體具有統(tǒng)一的視覺效果，為建立美觀的三維大場景提供較好的影像數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

3.4 空中三角測量

傾斜攝影空中三角測量需要傾斜數(shù)字航空攝影測量空中三角測量專業(yè)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，本項目中采用Bentley 公司的Context Capture Center（簡稱CCC）軟件對獲得的傾斜影像數(shù)據(jù)進(jìn)行空三加密。該軟件的AT 模塊采用光束法局域網(wǎng)平差空中三角測量，支持垂直影像和傾斜影像等多角度同時導(dǎo)入?yún)⑴c空三計算，經(jīng)過目視提取特征控制點、相對定向、匹配同名點、像對匹配等步驟的運(yùn)算處理，得到測區(qū)空中三角測量成果[3]。

3.5 三維模型生產(chǎn)

本項目三維建模運(yùn)用程序自動化計算生成Mesh 三維模型，再在編輯模式下修正模型匹配錯位、空洞、縫隙等錯誤，最后將這些修正完善后的模型進(jìn)行紋理映射，最終生成Mesh 三維模型成果數(shù)據(jù)（圖1）。

圖1 三模建模生產(chǎn)流程

三維建模數(shù)據(jù)生產(chǎn)中，三維模型匹配自動化計算出使用Context Capture Center 軟件，三維模型編輯和精修使用天際航DP Modeler 軟件和3D Max 軟件。

這天，青蘿一直在天葬院中呆到很晚。記憶中，她似乎很久也沒在天葬院中呆過這么長的時間了。他們一同照顧女孩，他煎藥，她喂給她；他做飯，然后盛出一碗米湯，她喂給她；他打濕手巾，她接過去，搭在她的額頭。

模型構(gòu)建采用分塊集群計算，匹配相對模型，生成三維點云，點云轉(zhuǎn)換成TIN 模型，再根據(jù)內(nèi)部的幾何拓?fù)潢P(guān)系優(yōu)化TIN 模型，最后根據(jù)影像自動匹配模型紋理，并輸出三維模型成果[4]。

CCC 軟件支持多節(jié)點并行處理，本項目采用3個節(jié)點集群并行處理，使得Mesh 模型構(gòu)建效率比單節(jié)點提高3 倍。

（1）數(shù)據(jù)分塊

利用CCC 軟件在影像數(shù)據(jù)底圖中劃定航飛范圍線，以建模區(qū)左下角為起點進(jìn)行全自動化數(shù)據(jù)分塊處理。

（2）點云匹配

對分塊內(nèi)包含的所有立體像對進(jìn)行點云匹配計算，自動生成高密度點云數(shù)據(jù)（圖2）。

圖2 點云匹配圖

（3）TIN 網(wǎng)構(gòu)建

通過對立體點云數(shù)據(jù)計算處理，構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)模型（TIN）[5]。

（4）紋理貼圖

利用軟件根據(jù)TIN 網(wǎng)中每個元素的空間獲取自動賦予影像紋理信息，使三維模型外觀更逼真。效果如圖3 所示。

圖3 實景三維模型效果圖

4 模型檢查和修改

對成果進(jìn)行全面檢查，對不合格模型的結(jié)構(gòu)外觀和紋理進(jìn)行編輯修改，直到模型成果全部合格。

4.1 模型修飾標(biāo)準(zhǔn)

（1）全自動三維建模采用多機(jī)多節(jié)點并行運(yùn)算的CCC 軟件進(jìn)行，傾斜攝影的三維模型是將地表地形、建筑物模型、外部紋理一體化表示，建構(gòu)筑物立體形狀完整，空間位置準(zhǔn)確，整體效果應(yīng)與實地場景一致。

（2）建構(gòu)筑物三維模型結(jié)構(gòu)外觀要能夠體現(xiàn)房屋屋頂、窗戶、陽臺等外觀特征，外部紋理不存在明顯空洞、縫隙、拉伸等變形現(xiàn)象。

（3）建構(gòu)筑物模型高程誤差不超過1 米，高度細(xì)部特征應(yīng)清晰表示。

4.2 具體修改內(nèi)容

（1）借助天際航DP Modeler 軟件刪除模型中的懸浮物和地表以下的模型。

（2）試驗區(qū)中佛頂塔高約88 米，生成的模型塔頂部會出現(xiàn)了丟失現(xiàn)象，在DP Modeler 軟件中導(dǎo)入航空影像、地面近景影像，二三維聯(lián)動，運(yùn)用DP Modeler 進(jìn)行重建。

（3）異性結(jié)構(gòu)建筑物（佛頂宮）的處理，采用了3DMAX 軟件來修補(bǔ)漏洞，然后再導(dǎo)入CCC 軟件重建紋理（圖4）。

圖4 精修后佛頂塔模型

5 建模中特殊情況的分析處理

（1）佛頂宮、佛頂塔位于牛首山山頂，在其東方向地勢起伏較大，并有施工圍擋，未能進(jìn)行像控布點，在空三計算中按照特殊困難地區(qū)誤差放寬0.5倍。

（2）由于傾斜三維模型的算法及建模特點，對細(xì)狀的電桿、樹木、交通燈桿等建模效果較差，導(dǎo)致模型的道路上有電桿等物體橫穿，造成路面上方物體粘連。

（3）牛首山佛頂宮建筑物結(jié)構(gòu)復(fù)雜，由于傾斜三維模型為密集點云匹配生成的三角網(wǎng)，并自動粘貼紋理生成，部分凹陷的建筑物面，由于特征點較少，軟件在計算時很難匹配正確，導(dǎo)致輸出模型中的紋理存在破洞，軟件修復(fù)后，表面凹凸不平的紋理丟失。

6 結(jié)束語

本文介紹的傾斜攝影三維建模生產(chǎn)技術(shù)流程效率高，南京牛首山試點區(qū)三維成果精度符合要求，根據(jù)外業(yè)實測特征點與三維模型上特征點坐標(biāo)進(jìn)行對比，統(tǒng)計計算出三維模型精度為：平面位置中誤差為±0.098 米，高程±0.094 米。本文介紹的傾斜攝影三維建模生產(chǎn)作業(yè)方法可供同類項目借鑒。