三維實景建模軟件生產(chǎn)技術探討

摘要：三維建模技術在土地規(guī)劃、災害監(jiān)測和國防測繪等 應用領域起到基礎和核心作用，為需求分析和產(chǎn)品設計 提供依據(jù)。傾斜攝影測量技術的迅速發(fā)展大大推動了三維建模技術的進步。利用傾斜影像進行三維建模，具有數(shù)據(jù)采集效率高、人工干預少、建模速度快的特點，大大降低了時間和費用成本。同時，建立的三維模型精度高、紋理粘合度好，詳細反映了地物表面的細節(jié)特征。

總之，利用傾斜影像進行三維建模能全方位、大范圍感知復雜 場景，僅需少量的人工干預，就能實現(xiàn)逼真三維模型的構 建，從而獲得地物精確的位置信息、空間相對關系和地物 表面的細節(jié)紋理。

1.三維實景建模的理論

1.1無人機傾斜攝影的優(yōu)勢

無人機傾斜模型三維建模的主要原理是分析多視角傾斜圖像的姿態(tài)信息，根據(jù)傾斜圖像中同名圖像點計算出相應圖形點的精確三維空間位置。傾斜三維模型重建的過程主要包括：根據(jù)原始圖像、攝像機和圖像描述文件的傾斜圖像進行空中三角剖分，計算所有圖像的外方位元素，利用多視點圖像的密集匹配技術提取密集點云數(shù)據(jù)，利用多視點圖像匹配技術提取稠密點云數(shù)據(jù)，對連通點云數(shù)據(jù)集進行稀釋和采集，利用“否”方法生成規(guī)則三角形，建立多分辨率數(shù)字曲面模型（DSM）。從圖像中提取最佳的紋理信息并映射到模型中。另外，無人機是一種由無線設備控制的無人機，成本低，空域有限，可以完成各種不適合載人飛機的航拍任務。由于無人機飛行高度較低，利用高分辨率真彩色傾斜相機的傳感器圖像可以提高模型的質(zhì)量。本研究所使用的電動多旋翼無人機適用于100-300米高空的航拍任務，能夠準確還原近地建筑物的細節(jié)，特別適用于局部關鍵目標的航拍建模任務。鑒于傾斜攝影數(shù)據(jù)建模需要65%以上的航向重疊，低空攝影將導致同一區(qū)域內(nèi)攝影路徑的多次增加?？紤]到航空攝影的時間和成本，適合10平方公里以內(nèi)的大型航空攝影和傾斜攝影。無人機在運行過程中受天氣影響較小，能在6級風下正常飛行;飛行高度低于云層，不受云層高度影響;對空氣能見度要求較低。本研究采用無人機傾斜攝影的方法。在低空飛行平臺上安裝多種航空傳感器后，即可獲得地面圖像或掃描，采集點云數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)不僅可以用于正射影像、多光譜圖像分析、數(shù)字測線等傳統(tǒng)的二維制圖，還可以用于現(xiàn)實世界的快速三維建模。一般情況下，無人機連續(xù)圖像的重疊度應在60%以上。物體同一部位不同射擊點之間的距離應小于15度。

2.基于Smart3D實景三維建模

2.1Smart3D簡介

Smart3d是法國Acute3D公司開發(fā)的產(chǎn)品。它是一種基于GPU的快速建模產(chǎn)品。當圖像質(zhì)量滿足要求時，可以快速、簡單、自動地建模，無需人工干預。它還支持各種數(shù)據(jù)結(jié)果的輸出，并與各種數(shù)據(jù)兼容。它不僅可以用于真實三維模型的構建，還可以用于文物保護、小零件、模具等三維模型的構建。

2.2Smart3D實景三維建模軟件中優(yōu)缺點分析

該軟件具有四個建模優(yōu)勢。首先，快速，簡單和自動。在前期，輸入待處理的照片，設置參數(shù)，然后完成三維加密、三維建模重建、DOM、DSM生成等工作。其次，三維模型逼真。下圖顯示了smart3d建模的效果，其中350張照片和4pro是相機的精髓。三是支持多種三維數(shù)據(jù)格式。Osgb（open scene graph binary）是由smart3d組成的，JPG obj是一種國際標準的3D模型格式，大多數(shù)3D軟件都支持這種格式。它最初是由alias wavefront開發(fā)的。第四。支持多種數(shù)據(jù)源，包括固定翼無人機、有人飛機、旋翼無人機，甚至手機數(shù)據(jù)都可用于建模

3.基于ContextCapture實景三維建模

Contextcapture（以前稱為smart3d capture）是賓利公司設計的一款真正的建模軟件。它是一個圖像數(shù)據(jù)處理軟件。作為為全球基礎設施行業(yè)提供BIM解決方案的應用軟件，賓利需要通過掃描、拍照等手段獲得真實的模型。在解決基礎設施問題的過程中，需要將真實模型轉(zhuǎn)化為“電子模型”的應用需求。相比之下，contextcapture是最好的選擇。

Contextcapture可以使用各種數(shù)碼相機捕獲的圖像數(shù)據(jù)輕松生成所需環(huán)境的高分辨率真實世界3D模型。為了讓用戶生成可用于導航的三維模型產(chǎn)品，這個真實的三維模型具有逼真的細節(jié)、清晰的邊緣和精確的幾何特征。根據(jù)您的工作需要，可以使用任何大小或分辨率創(chuàng)建所需的三維模型。三維模型采用數(shù)字照片紋理和坐標系，根據(jù)地理位置進行定位。這些模型產(chǎn)品是通過圖像數(shù)據(jù)計算直接生成的.

4.基于pix4Dmapper實景三維建模

Pix4dmapper（原pix4uav）是瑞士pix4d公司開發(fā)的一款全自動無人機快速數(shù)據(jù)處理軟件，集豐富的遙感圖像處理、攝影測量和企業(yè)級空間信息技術于一體。它具有專業(yè)化、簡單化、三高精度空間、一鍵式等優(yōu)點。它支持多種傳感器數(shù)據(jù)，包括可見光、近紅外、熱紅外等多光譜數(shù)據(jù)。它可以綜合處理多架次、多飛行狀態(tài)的數(shù)據(jù)，快速、智能地完成三次空間加密。DSM、DOM數(shù)據(jù)生成，并能生成具有LAS格式紋理信息的彩色點云和三維模型。目前已廣泛應用于航空測繪、災害應急、安全執(zhí)法、農(nóng)林監(jiān)測、水利防洪、電力巡線、海洋環(huán)境、高校科研等領域。

5.基于街景工廠實景三維建模

5.1街景工廠軟件簡介

街景工廠系統(tǒng)是Astrium公司2012年推出的全自動三維模型處理系統(tǒng)。它可以快速、自動地處理傾斜圖像，無需人工干預，提取出高精度的真實場景三維模型。它代表了當今市場上先進的三維建模技術。

實景三維模型是利用傾斜攝影技術，通過圖像空間的三次加密、圖像校正、點云提取、三角網(wǎng)構建、紋理映射等處理，從地面和平面的不同角度獲取圖像。真三維模型是新一代測繪產(chǎn)品，包含多種地理信息，能細致還原城市形態(tài)，可廣泛應用于城市規(guī)劃、危機管理、國防、電信、應急保障、測繪等行業(yè)。

5.2三維模型生產(chǎn)技術路線

街景工廠數(shù)據(jù)的引入有別于傳統(tǒng)的制圖軟件。首先，介紹了圖像的位置和姿態(tài)信息，計算了圖像的目標位置，并對圖像進行了檢測。然后引入圖像的實體文件，將其轉(zhuǎn)換為街景工廠的內(nèi)部文件格式。引入圖像信息時，首先在作業(yè)視圖窗口中檢查錯誤信息，然后根據(jù)錯誤信息檢查圖像。結(jié)果表明，該誤差是由同一曝光點上五個視角的命名不同引起的。由于RCD30相機依次從五個角度曝光，當根據(jù)曝光時間排列圖像名稱時，五個角度的圖像數(shù)據(jù)名稱會不一致，導致圖像引入錯誤。此時，更改圖像名稱以使五個視圖圖像名稱一致。導入實體圖像時，請檢查jobview窗口中的錯誤信息，并對照錯誤信息檢查圖像。發(fā)現(xiàn)原始圖像無法正常打開，導致導入圖像時出錯。在啟動命令之前，請再次復制原始圖像以使圖像文件正常工作。

6.總結(jié)

本文簡述了無人機傾斜攝影狀態(tài)下幾種三維建模軟件的使用和分析，圍繞四個三維建模軟件在本次建模中的選擇和運用，展開關于建模軟件的討論和研究。

基于contextcapture實景建模與應用技術，改變了測繪行業(yè)傳統(tǒng)的運營模式，大大提高了測繪工作效率，節(jié)省了大量的野外工作時間，并將輔助設計工作從簡單的平面圖轉(zhuǎn)化為三維模型，大大提高了直觀三維測繪模型的設計和應用范圍，能夠滿足不同的工程需要。傾斜攝影實時建模技術具有高效、高還原度和快速獲取海量地理信息數(shù)據(jù)的特點。傾斜攝影正變得越來越成熟、發(fā)展和廣泛應用。隨著三維技術向高技術、數(shù)字化方向發(fā)展，它將成為未來測繪的核心技術和數(shù)字城市的數(shù)據(jù)庫。但contextcapture軟件的建模效果一般，空間能力較弱，數(shù)據(jù)量約為1.5W，整體效果略差于smart3d軟件;

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作者簡介：杜厚德，1988年4月8日出生，男，遼寧省大連市沙河口區(qū)，大學本科，專業(yè)：測繪工程。