基于傾斜攝影測(cè)量的三維建模關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用

趙政權(quán) 羅虹

摘 要：為了快速高效地獲取高精度的三維模型，本文提出了一種基于傾斜攝影測(cè)量的三維建模方法。經(jīng)過(guò)測(cè)量數(shù)據(jù)預(yù)處理，利用Context Capture 進(jìn)行空三計(jì)算、密集影像匹配、紋理映射，實(shí)現(xiàn)三維模型的構(gòu)建，并對(duì)三維模型的質(zhì)量進(jìn)行檢查，同時(shí)優(yōu)化模型，最后采用15個(gè)檢查點(diǎn)進(jìn)行精度評(píng)價(jià)。結(jié)果表明：模型成果可以滿足相關(guān)的規(guī)范要求，該方法可以滿足大面積區(qū)域的三維模型高效構(gòu)建的需求。

關(guān)鍵詞：傾斜攝影測(cè)量;紋理關(guān)聯(lián);三維建模

中圖分類(lèi)號(hào)：P23?? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

隨著“數(shù)字城市”“智慧城市”的發(fā)展，城市建設(shè)越來(lái)越傾向于精細(xì)化、高效化、動(dòng)態(tài)化的方向發(fā)展。如何快速高效地獲取高精度真三維模型成為迫切的需求。按數(shù)據(jù)的建模方法和采集方式的差異，大致分為：（1）基于矢量數(shù)據(jù)的手工建模。如Sketch-UP、3D Max等建模軟件進(jìn)行手工建模，但有明顯的周期長(zhǎng)、成本高，且對(duì)專(zhuān)業(yè)建模人員要求技術(shù)嫻熟等劣勢(shì)。（2）基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的三維建模。主要通過(guò)三維激光掃描儀或通過(guò)改進(jìn)的三維激光掃描車(chē)等來(lái)獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)。（3）三維組件式建模。把建筑物、樹(shù)木、市政設(shè)施等三維組件模型存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)內(nèi)，根據(jù)需要調(diào)用，具有節(jié)省時(shí)間，成本低的優(yōu)點(diǎn)，但是不能滿足精細(xì)個(gè)性三維的要求。（4）基于傾斜攝影的三維建模技術(shù)。通過(guò)飛行器（一般為無(wú)人機(jī)）搭載多鏡頭的相機(jī)，獲取豐富的建筑物頂面及側(cè)視的高分辨率紋理，具有獲取數(shù)據(jù)簡(jiǎn)單、快速、周期短等優(yōu)勢(shì)。

近年來(lái)，基于傾斜攝影測(cè)量進(jìn)行三維建模有了很快的發(fā)展，專(zhuān)家學(xué)者做了大量的研究。如王建強(qiáng)等[1]提出利用多視角影像人工交互半自動(dòng)生成幾何模型，自動(dòng)映射紋理，建立城市建筑物的三維模型。黃健等[2]利用Smart 3D Capture軟件進(jìn)行城市三維建模，并對(duì)成果質(zhì)量及精度進(jìn)行評(píng)價(jià)。張平等[3]選用Street Factory作為處理平臺(tái)，建立資陽(yáng)城區(qū)的街景模型，并對(duì)精度進(jìn)行評(píng)價(jià)。趙宏等[4]基于傾斜攝影測(cè)量技術(shù)進(jìn)行昆明市主城區(qū)三維模型創(chuàng)建，數(shù)字高程模型（digital elevation model，DEM）、數(shù)字表面模型（digital surface model，DSM）、數(shù)字正射影像圖（digital orthophoto map，DOM）、5D數(shù)字真正射影像圖（5D true digital orthophoto map，TDOM5D）產(chǎn)品的制作及分析。關(guān)麗等[5]總結(jié)了在建設(shè)三維城市過(guò)程中，三維模型的具體技術(shù)途徑及應(yīng)用方式。周曉敏等[6]提出利用Street Factory人工少量干預(yù)快速構(gòu)建城市三維模型的方法。譚仁春等[7]利用MAX和傾斜攝影技術(shù)相結(jié)合進(jìn)行三維建模。李祎峰等[8]利用機(jī)載攝影測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行三維建模和單斜片測(cè)量的應(yīng)用研究。本文以?xún)A斜攝影測(cè)量的影像為基礎(chǔ)，利用Context Capture、區(qū)域網(wǎng)平差、空三加密、多視角影像密集匹配及紋理映射等技術(shù)，快速實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互三維模型的構(gòu)建。

1 傾斜航空攝影測(cè)量技術(shù)及建模平臺(tái)

多視角傾斜航空攝影測(cè)量是通過(guò)在同一飛行平臺(tái)上攜帶多個(gè)傳感器，從垂直、傾斜等多個(gè)不同的角度采集圖像，以在物體的頂視圖和側(cè)視圖獲得高分辨率清晰影像。其通過(guò)先進(jìn)的定位、融合和建模技術(shù)生成真實(shí)的三維模型，被廣泛應(yīng)用于歷史文化保護(hù)、國(guó)土安全、應(yīng)急指揮、教育經(jīng)濟(jì)發(fā)展等多個(gè)領(lǐng)域。

目前，市場(chǎng)上流行的建模軟件包括：Context Capture、PIX 4D、PhotoScan、Street Factory、Photomesh等。Context Capture可以基于攝影測(cè)量影像運(yùn)算生成超高密度點(diǎn)云，并以此生成基于真實(shí)影像紋理的高分辨率實(shí)景真三維模型。它不依賴(lài)POS的優(yōu)化，單純利用控制點(diǎn)的拉動(dòng)來(lái)完成絕對(duì)定向，無(wú)需橢球定義投影，簡(jiǎn)單快捷。Context Capture具有以下優(yōu)勢(shì)：廣泛的數(shù)據(jù)源兼容性，輸出的格式類(lèi)型多;快速、簡(jiǎn)單、全自動(dòng)，難度適中;人工（后處理）修復(fù)數(shù)據(jù)工作量較少，適合中距離的景物建模和復(fù)雜幾何形態(tài)、啞光圖案表面物體的建模，也可以對(duì)大自然景觀的大場(chǎng)景大區(qū)域建模。

2 建模流程及關(guān)鍵技術(shù)

2.1 技術(shù)流程

三維建模技術(shù)流程如圖1所示。

2.2 預(yù)處理

對(duì)原始影像預(yù)處理，主要是對(duì)原始影像進(jìn)行色彩、亮度和對(duì)比度的調(diào)整和勻色處理。在獲取影像的過(guò)程中，由于時(shí)間和空間的不同，影像會(huì)有一定的色差，應(yīng)進(jìn)行勻色處理，使影像間影像清晰、色彩鮮明、色調(diào)均勻、反差適中、層次分明，保持地物色彩不失真，不應(yīng)有勻色處理的痕跡。拍攝影像上不應(yīng)該存在云、煙、污點(diǎn)、大面積反光等缺陷，應(yīng)有較豐富的層次，能辨別與地面分辨率相適應(yīng)的細(xì)小地物影像，能夠建立清晰的立體模型，且拼接影像應(yīng)無(wú)明顯模糊、重影、錯(cuò)位現(xiàn)象。

2.3 空中三角測(cè)量

空中三角測(cè)量（aerotriangulation，AT）過(guò)程將相機(jī)參數(shù)、影像數(shù)據(jù)、POS 數(shù)據(jù)進(jìn)行多視角影像特征點(diǎn)密集匹配，建立在空間尺度可以適度自由變形的立體模型，完成相對(duì)定向;將外業(yè)測(cè)定的像片控制點(diǎn)成果，在內(nèi)業(yè)環(huán)境中進(jìn)行轉(zhuǎn)刺，利用這些點(diǎn)對(duì)已有區(qū)域網(wǎng)模型進(jìn)行約束平差解算，將區(qū)域網(wǎng)納入到精確的大地坐標(biāo)系統(tǒng)中，完成絕對(duì)定向。本文通過(guò)Context Capture對(duì)導(dǎo)入的傾斜攝影測(cè)量影像進(jìn)行計(jì)算，提取大量的特征點(diǎn)，并對(duì)特征點(diǎn)進(jìn)行多視角影像同名點(diǎn)匹配，進(jìn)而計(jì)算出每張?jiān)枷衿淖藨B(tài)和空間位置信息，最終確定出各像片間的關(guān)系?？杖馑阃瓿珊?，可在Context Capture中查看整個(gè)航帶的布設(shè)情況，解算出空三點(diǎn)的位置密度、每張像片的相對(duì)位置、像片所覆蓋的范圍方位角等信息。

普通攝影測(cè)量更多地獲取建筑物頂部的紋理信息，而傾斜攝影測(cè)量則盡可能多地獲取側(cè)面紋理信息。同一地物會(huì)出現(xiàn)在不同的影像上，選擇最佳紋理非常重要，可以有效減少影像紋理過(guò)度變形。通過(guò)計(jì)算三維不規(guī)則三角網(wǎng)（triangulated irregular network，TIN）模型的三角形面與影像對(duì)應(yīng)的區(qū)域間幾何關(guān)系，尋找最佳紋理進(jìn)行投射，實(shí)現(xiàn)紋理貼附。整個(gè)建模過(guò)程：基于tile（瓦片）技術(shù)把整個(gè)區(qū)域分割成若干個(gè)子區(qū);根據(jù)瓦片尺寸和等級(jí)，進(jìn)行切片，分別存儲(chǔ);利用并行算法處理各個(gè)瓦片，同時(shí)建立不同細(xì)節(jié)層次（levels of detail，LOD）優(yōu)化結(jié)構(gòu)，提高模型瀏覽效率。

3 研究區(qū)域

3.1 測(cè)區(qū)飛行參數(shù)設(shè)計(jì)

測(cè)區(qū)位于昆明市東南部地區(qū)，以陽(yáng)宗海風(fēng)景名勝區(qū)周邊區(qū)域約5 km2為試驗(yàn)區(qū)域，海拔1 800～1 980 m。本項(xiàng)目主要采用DJI PHANTOM 4飛機(jī)搭載DJI FC6310傾斜相機(jī)（前視和下視視覺(jué)系統(tǒng)）來(lái)進(jìn)行攝影測(cè)量工作，共獲取8 959張有效影像;核心區(qū)（建筑密集區(qū)）采用DJI Inspire 2飛機(jī)搭載DJI FC6520傾斜相機(jī)來(lái)進(jìn)行補(bǔ)充攝影測(cè)量工作，共獲取1 536張有效影像。

3.2 航線規(guī)劃與設(shè)計(jì)

航線應(yīng)按攝區(qū)走向直線方法敷設(shè)，平行于攝區(qū)邊界線的首末航線必須確保側(cè)視鏡頭能獲得測(cè)區(qū)有效影像。航向重疊度為75%，旁向重疊度為70%，同一航線上相鄰像片的航高差不得大于30 m，最大航高與最小航高之差不應(yīng)大于50 m。注意檢查像片重疊度、清晰度和拍攝角度，這些都影響空三加密的解算。

飛行過(guò)程應(yīng)注意：（1）相關(guān)飛行禁令，避開(kāi)障礙物，特別應(yīng)注意陡峭的山峰、高樓。（2）綜合考慮大風(fēng)和暴雨等復(fù)雜天氣條件下的天氣預(yù)報(bào)和響應(yīng)機(jī)制。保證有充足的光照，大氣透明度較好，避免或減少地表植被和其他因素的影響，如：積雪、沙塵等。（3）考慮最小轉(zhuǎn)彎半徑、最大俯仰角、最低安全飛行高度。

3.3 控制點(diǎn)及檢查點(diǎn)

為得到高質(zhì)量、高精度的產(chǎn)品，此次作業(yè)還進(jìn)行了野外控制點(diǎn)的測(cè)量工作，共有20個(gè)控制點(diǎn)及15個(gè)檢查點(diǎn)，坐標(biāo)系為國(guó)家2000坐標(biāo)系，85高程基準(zhǔn)，中央經(jīng)線為102°，3度分帶。

3.4 模型優(yōu)化

三維模型能夠反映各地理要素在三維立體形態(tài)下的位置、幾何形態(tài)、紋理特征、屬性等信息[9-10]。模型建好后，發(fā)現(xiàn)有一些不足之處：（1）個(gè)別地形表面起伏與實(shí)際不符?？赡苁莻€(gè)別地物色調(diào)紋理都較為一致，系統(tǒng)不能很好識(shí)別;也有部分地物像片的解算條件不足，不能正確反映實(shí)際地面起伏，根據(jù)需要進(jìn)行補(bǔ)拍或后期人工修改模型進(jìn)行處理。（2）半空有路燈、信號(hào)塔等懸掛的地物存在。信號(hào)塔等地物頂端部分因尺寸過(guò)小，系統(tǒng)不能很好地與周?chē)匚锾卣飨鄥^(qū)別。因此，空中細(xì)節(jié)部分會(huì)有缺失，需后期進(jìn)行人工編輯。（3）部分水面有漏洞、變形，色調(diào)不均勻，過(guò)渡不自然。水面的波動(dòng)導(dǎo)致反射強(qiáng)度不一，紋理單一也會(huì)造成系統(tǒng)區(qū)分錯(cuò)誤;預(yù)處理勻光勻色效果不好，會(huì)使紋理未能平滑過(guò)渡，需進(jìn)一步人工處理。（4）窗戶(hù)有拉花，色調(diào)不一致的情況。因?yàn)椴Ａ菑?qiáng)反射物體，會(huì)造成色調(diào)不均勻，可通過(guò)后期編輯解決。航攝時(shí)建筑物會(huì)有遮擋，像片空三解算條件不足，也會(huì)導(dǎo)致上述現(xiàn)象。（5）建筑物等物體表面紋理有缺失。建筑物紋理映射時(shí)不能正確反映實(shí)際紋理特征，需重新映射紋理。（6）部分道路面上有裂紋和缺損。道路紋理單一，計(jì)算機(jī)識(shí)別困難，需要進(jìn)行人工編輯。

模型修補(bǔ)有以下處理方法：（1）Context Capture軟件自身修補(bǔ)所有的漏洞。（2）Geomgics、3Dmax等軟件進(jìn)行二次編輯和修復(fù)。（3）補(bǔ)攝需要的區(qū)域，重新提交空三，空三完成后，保持參數(shù)不變。只提交不滿意的tiles即可，提高效率。本文綜合應(yīng)用前2種方法進(jìn)行優(yōu)化，模型局部結(jié)果如圖2和圖3所示。

4 質(zhì)量評(píng)定

三維模型的組成類(lèi)型主要包括地形模型、交通要素模型、植被要素模型、建筑物要素模型、水系要素模型、場(chǎng)地模型、管線及地下空間設(shè)施要素模型[9]。

對(duì)基于傾斜攝影測(cè)量構(gòu)建的三維模型進(jìn)行質(zhì)量評(píng)定，結(jié)果如下：

地形模型：主要用于地面起伏形態(tài)的三維模型。以DEM為基準(zhǔn)，將DOM貼附于模型表面，形成具有豐富地形信息且有起伏特點(diǎn)的三維模型，能夠滿足Ⅲ級(jí)地形模型制作的要求。

交通要素模型：紋理細(xì)節(jié)清晰，鋪裝圖案材質(zhì)、顏色及各類(lèi)交通標(biāo)識(shí)基本與實(shí)際情況一致?？梢暂^為清晰地反映出建模物體的位置、高度、分布、樣式、質(zhì)感及色彩等，能夠滿足Ⅱ級(jí)交通要素模型制作的要求。

植被要素模型：行道樹(shù)、綠地及景觀植物的形態(tài)、高度真實(shí)可視，樹(shù)種選擇與色彩搭配協(xié)調(diào)美觀，樹(shù)木的高低、大小、形態(tài)應(yīng)與所在環(huán)境的尺度和空間層次相適應(yīng)，能基本真實(shí)反映出樹(shù)冠色彩、形狀、樹(shù)葉紋理等特征，能夠滿足Ⅱ級(jí)植被要素模型制作的要求。

建筑要素模型：研究區(qū)域的建筑物的分布特點(diǎn)可大致分為簡(jiǎn)單獨(dú)立建筑物、多層建筑物及復(fù)雜建筑物。建筑要素模型的紋理拼接過(guò)渡自然，基本反映出建筑物的色調(diào)、質(zhì)地、圖案和局部細(xì)節(jié)特征。模型的基底能夠與地形起伏相吻合，基底、外立面幾何結(jié)構(gòu)與建筑高度準(zhǔn)確，附屬設(shè)施的煙囪、水箱、門(mén)廊、臺(tái)階、室外扶梯、屋檐、建筑物立面突出物以及屋頂裝飾等有所缺失[9]，能夠滿足Ⅲ級(jí)建筑物要素模型制作的要求。

水系要素模型：底面與地形起伏相吻合，水面用示意紋理表達(dá)，能基本反映出建模物體的形狀、質(zhì)感、色彩信息，能夠滿足Ⅱ級(jí)水系要素模型制作的要求。

場(chǎng)地模型：場(chǎng)景整體色彩、光照效果應(yīng)協(xié)調(diào)一致。主要道路、廣場(chǎng)等場(chǎng)所清晰表示，能夠滿足Ⅱ級(jí)場(chǎng)地模型制作的要求。

管線及地下空間設(shè)施要素模型：涉及內(nèi)容繁雜，在研究區(qū)域不做研究，不做贅述。

5 精度檢測(cè)和評(píng)價(jià)

三維模型的數(shù)據(jù)質(zhì)量主要包括模型的完整性、位置精度、表現(xiàn)精度、屬性精度、現(xiàn)勢(shì)性和邏輯一致性。模型的整體效果、色調(diào)、光影關(guān)系應(yīng)協(xié)調(diào)一致，應(yīng)盡量保持完整，確保無(wú)遺漏，減少數(shù)據(jù)冗余，紋理精細(xì)適中，貼圖正確，保證不同類(lèi)型、不同細(xì)節(jié)層次數(shù)據(jù)的拓?fù)潢P(guān)系完整、正確[10];在位置精度及表現(xiàn)精度方面，保證平面精度、高度精度、地形精度、形狀精度、比例精度等幾何精度的準(zhǔn)確性，模型在場(chǎng)景中表達(dá)邏輯的正確性以及各級(jí)別模型優(yōu)化制作的合理性檢査;在邏輯一致性方面，三維模型在遵循的概念模式（分層、分類(lèi)、結(jié)構(gòu)和模型間關(guān)系）規(guī)則上、存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)格式及位置拓?fù)渖蠎?yīng)具有一致性。利用布設(shè)的15個(gè)檢查點(diǎn)，通過(guò)實(shí)際測(cè)量得到的三維坐標(biāo)與模型上讀取的坐標(biāo)較差，進(jìn)行幾何精度統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見(jiàn)表1。