基于傾斜攝影測量的三維建模關鍵技術研究與應用

趙政權，羅 虹

(云南國土資源職業(yè)學院 測繪地理信息學院，云南 昆明 650217)

隨著“數字城市”“智慧城市”的發(fā)展，城市建設越來越傾向于精細化、高效化、動態(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。按數據的建模方法和采集方式的差異，大致分為：(1)基于矢量數據的手工建模。如Sketch-UP、3D Max等建模軟件進行手工建模，但有明顯的周期長、成本高，且對專業(yè)建模人員要求技術嫻熟等劣勢。(2)基于點云數據的三維建模。主要通過三維激光掃描儀或通過改進的三維激光掃描車等來獲取點云數據。(3)三維組件式建模。把建筑物、樹木、市政設施等三維組件模型存儲在計算機內，根據需要調用，具有節(jié)省時間，成本低的優(yōu)點，但是不能滿足精細個性三維的要求。(4)基于傾斜攝影的三維建模技術。通過飛行器(一般為無人機)搭載多鏡頭的相機，獲取豐富的建筑物頂面及側視的高分辨率紋理，具有獲取數據簡單、快速、周期短等優(yōu)勢。

近年來，基于傾斜攝影測量進行三維建模有了很快的發(fā)展，專家學者做了大量的研究。如王建強等[1]提出利用多視角影像人工交互半自動生成幾何模型，自動映射紋理，建立城市建筑物的三維模型。黃健等[2]利用Smart 3D Capture軟件進行城市三維建模，并對成果質量及精度進行評價。張平等[3]選用Street Factory作為處理平臺，建立資陽城區(qū)的街景模型，并對精度進行評價。趙宏等[4]基于傾斜攝影測量技術進行昆明市主城區(qū)三維模型創(chuàng)建，數字高程模型(digital elevation model，DEM)、數字表面模型(digital surface model，DSM)、數字正射影像圖(digital orthophoto map，DOM)、5D數字真正射影像圖(5D true digital orthophoto map，TDOM5D)產品的制作及分析。關麗等[5]總結了在建設三維城市過程中，三維模型的具體技術途徑及應用方式。周曉敏等[6]提出利用Street Factory人工少量干預快速構建城市三維模型的方法。譚仁春等[7]利用MAX和傾斜攝影技術相結合進行三維建模。李祎峰等[8]利用機載攝影測量數據進行三維建模和單斜片測量的應用研究。本文以傾斜攝影測量的影像為基礎，利用Context Capture、區(qū)域網平差、空三加密、多視角影像密集匹配及紋理映射等技術，快速實現人機交互三維模型的構建。

1 傾斜航空攝影測量技術及建模平臺

多視角傾斜航空攝影測量是通過在同一飛行平臺上攜帶多個傳感器，從垂直、傾斜等多個不同的角度采集圖像，以在物體的頂視圖和側視圖獲得高分辨率清晰影像。其通過先進的定位、融合和建模技術生成真實的三維模型，被廣泛應用于歷史文化保護、國土安全、應急指揮、教育經濟發(fā)展等多個領域。

目前，市場上流行的建模軟件包括：Context Capture、PIX 4D、PhotoScan、Street Factory、Photomesh等。Context Capture可以基于攝影測量影像運算生成超高密度點云，并以此生成基于真實影像紋理的高分辨率實景真三維模型。它不依賴POS的優(yōu)化，單純利用控制點的拉動來完成絕對定向，無需橢球定義投影，簡單快捷。Context Capture具有以下優(yōu)勢：廣泛的數據源兼容性，輸出的格式類型多；快速、簡單、全自動，難度適中；人工(后處理)修復數據工作量較少，適合中距離的景物建模和復雜幾何形態(tài)、啞光圖案表面物體的建模，也可以對大自然景觀的大場景大區(qū)域建模。

2 建模流程及關鍵技術

2.1 技術流程

三維建模技術流程如圖1所示。

圖1 三維建模技術流程Fig.1 3D modeling technology procedure

2.2 預處理

對原始影像預處理，主要是對原始影像進行色彩、亮度和對比度的調整和勻色處理。在獲取影像的過程中，由于時間和空間的不同，影像會有一定的色差，應進行勻色處理，使影像間影像清晰、色彩鮮明、色調均勻、反差適中、層次分明，保持地物色彩不失真，不應有勻色處理的痕跡。拍攝影像上不應該存在云、煙、污點、大面積反光等缺陷，應有較豐富的層次，能辨別與地面分辨率相適應的細小地物影像，能夠建立清晰的立體模型，且拼接影像應無明顯模糊、重影、錯位現象。

2.3 空中三角測量

空中三角測量(aerotriangulation，AT)過程將相機參數、影像數據、POS 數據進行多視角影像特征點密集匹配，建立在空間尺度可以適度自由變形的立體模型，完成相對定向；將外業(yè)測定的像片控制點成果，在內業(yè)環(huán)境中進行轉刺，利用這些點對已有區(qū)域網模型進行約束平差解算，將區(qū)域網納入到精確的大地坐標系統中，完成絕對定向。本文通過Context Capture對導入的傾斜攝影測量影像進行計算，提取大量的特征點，并對特征點進行多視角影像同名點匹配，進而計算出每張原始像片的姿態(tài)和空間位置信息，最終確定出各像片間的關系?？杖馑阃瓿珊?，可在Context Capture中查看整個航帶的布設情況，解算出空三點的位置密度、每張像片的相對位置、像片所覆蓋的范圍方位角等信息。

普通攝影測量更多地獲取建筑物頂部的紋理信息，而傾斜攝影測量則盡可能多地獲取側面紋理信息。同一地物會出現在不同的影像上，選擇最佳紋理非常重要，可以有效減少影像紋理過度變形。通過計算三維不規(guī)則三角網(triangulated irregular network，TIN)模型的三角形面與影像對應的區(qū)域間幾何關系，尋找最佳紋理進行投射，實現紋理貼附。整個建模過程：基于tile(瓦片)技術把整個區(qū)域分割成若干個子區(qū)；根據瓦片尺寸和等級，進行切片，分別存儲；利用并行算法處理各個瓦片，同時建立不同細節(jié)層次(levels of detail，LOD)優(yōu)化結構，提高模型瀏覽效率。

3 研究區(qū)域

3.1 測區(qū)飛行參數設計

測區(qū)位于昆明市東南部地區(qū)，以陽宗海風景名勝區(qū)周邊區(qū)域約5 km2為試驗區(qū)域，海拔1 800～1 980 m。本項目主要采用DJI PHANTOM 4飛機搭載DJI FC6310傾斜相機(前視和下視視覺系統)來進行攝影測量工作，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飛機搭載DJI FC6520傾斜相機來進行補充攝影測量工作，共獲取1 536張有效影像。

3.2 航線規(guī)劃與設計

航線應按攝區(qū)走向直線方法敷設，平行于攝區(qū)邊界線的首末航線必須確保側視鏡頭能獲得測區(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。

飛行過程應注意：(1)相關飛行禁令，避開障礙物，特別應注意陡峭的山峰、高樓。(2)綜合考慮大風和暴雨等復雜天氣條件下的天氣預報和響應機制。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)考慮最小轉彎半徑、最大俯仰角、最低安全飛行高度。

3.3 控制點及檢查點

為得到高質量、高精度的產品，此次作業(yè)還進行了野外控制點的測量工作，共有20個控制點及15個檢查點，坐標系為國家2000坐標系，85高程基準，中央經線為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)現有一些不足之處：(1)個別地形表面起伏與實際不符?？赡苁莻€別地物色調紋理都較為一致，系統不能很好識別；也有部分地物像片的解算條件不足，不能正確反映實際地面起伏，根據需要進行補拍或后期人工修改模型進行處理。(2)半空有路燈、信號塔等懸掛的地物存在。信號塔等地物頂端部分因尺寸過小，系統不能很好地與周圍地物特征相區(qū)別。因此，空中細節(jié)部分會有缺失，需后期進行人工編輯。(3)部分水面有漏洞、變形，色調不均勻，過渡不自然。水面的波動導致反射強度不一，紋理單一也會造成系統區(qū)分錯誤；預處理勻光勻色效果不好，會使紋理未能平滑過渡，需進一步人工處理。(4)窗戶有拉花，色調不一致的情況。因為玻璃是強反射物體，會造成色調不均勻，可通過后期編輯解決。航攝時建筑物會有遮擋，像片空三解算條件不足，也會導致上述現象。(5)建筑物等物體表面紋理有缺失。建筑物紋理映射時不能正確反映實際紋理特征，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，計算機識別困難，需要進行人工編輯。

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

圖2 三維表面模型成果局部圖 圖3 三維建模成果局部圖Fig.2 Local diagram of 3D surface model results Fig.3 Local diagram of 3D modeling results

4 質量評定

三維模型的組成類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、場地模型、管線及地下空間設施要素模型[9]。

對基于傾斜攝影測量構建的三維模型進行質量評定，結果如下：

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，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的三維模型，能夠滿足Ⅲ級地形模型制作的要求。

交通要素模型：紋理細節(jié)清晰，鋪裝圖案材質、顏色及各類交通標識基本與實際情況一致。可以較為清晰地反映出建模物體的位置、高度、分布、樣式、質感及色彩等，能夠滿足Ⅱ級交通要素模型制作的要求。

植被要素模型：行道樹、綠地及景觀植物的形態(tài)、高度真實可視，樹種選擇與色彩搭配協調美觀，樹木的高低、大小、形態(tài)應與所在環(huán)境的尺度和空間層次相適應，能基本真實反映出樹冠色彩、形狀、樹葉紋理等特征，能夠滿足Ⅱ級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可大致分為簡單獨立建筑物、多層建筑物及復雜建筑物。建筑要素模型的紋理拼接過渡自然，基本反映出建筑物的色調、質地、圖案和局部細節(jié)特征。模型的基底能夠與地形起伏相吻合，基底、外立面幾何結構與建筑高度準確，附屬設施的煙囪、水箱、門廊、臺階、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，能基本反映出建模物體的形狀、質感、色彩信息，能夠滿足Ⅱ級水系要素模型制作的要求。

場地模型：場景整體色彩、光照效果應協調一致。主要道路、廣場等場所清晰表示，能夠滿足Ⅱ級場地模型制作的要求。

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

5 精度檢測和評價

三維模型的數據質量主要包括模型的完整性、位置精度、表現精度、屬性精度、現勢性和邏輯一致性。模型的整體效果、色調、光影關系應協調一致，應盡量保持完整，確保無遺漏，減少數據冗余，紋理精細適中，貼圖正確，保證不同類型、不同細節(jié)層次數據的拓撲關系完整、正確[10]；在位置精度及表現精度方面，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確性，模型在場景中表達邏輯的正確性以及各級別模型優(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、結構和模型間關系)規(guī)則上、存儲的數據格式及位置拓撲上應具有一致性。利用布設的15個檢查點，通過實際測量得到的三維坐標與模型上讀取的坐標較差，進行幾何精度統計，結果見表1。

表1 三維模型精度統計表Tab.1 Statistical table of 3D model accuracy

由表1可以看出：平面最大誤差為0.253，最小誤差為0.063，平均誤差為0.147；高程最大誤差為0.249，最小誤差為0.018，平均誤差為0.117；傾斜影像構建的三維模型成果，可以滿足相關規(guī)范[9-12]的要求。之前很多方法生成的三維模型精度有限，只能滿足1∶2 000比例尺傾斜攝影測量制圖的要求，本例中的精度更高，可以滿足更大比例尺攝影測量建模的要求。

6 結語

本文基于傾斜攝影測量技術，利用Context Capture進行關鍵點的提取，自動連接點匹配，密度圖像匹配，無縫紋理映射，紋理貼圖、細節(jié)層次生成等環(huán)節(jié)；通過人工模型優(yōu)化，快速構建真實、直觀的三維模型；并對三維產品質量進行檢查和數據精度評定，結果可以達到相應的規(guī)范要求。該方法構建三維模型具有成本低、效率高、現勢性強等優(yōu)勢，對于模型中的一些不足和缺陷，進行了重建和修改，進一步提高了建模的效率和質量，適合大面積區(qū)域的城市三維建模。本文也存在一些不足，模型的一些細節(jié)部分表達不夠完整，如：細小臺階、柵欄、旗桿及建筑物一些裝飾物等沒有表現出來，這需要今后進一步的研究。