基于Smart3D無人機(jī)傾斜攝影三維建模方法研究*

牛 磊，譚文輝，邱健壯，張 峰

（1.泰山科技學(xué)院建筑工程學(xué)院，山東泰安271000；2.泰安市城市管理綜合服務(wù)中心，山東泰安271000；3.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，泰安271000）

0 引言

實(shí)景三維中國建設(shè)是新型基礎(chǔ)測繪的主要任務(wù)和成果形式，自然資源部指出自然資源登記系統(tǒng)要由二維系統(tǒng)變成三維系統(tǒng)，并提出推進(jìn)三維實(shí)景數(shù)據(jù)庫建設(shè)，推動建立三維立體自然資源“一張圖”。傳統(tǒng)的基于矢量數(shù)據(jù)人工三維建模技術(shù)精細(xì)度表現(xiàn)較好，但人工干預(yù)大，效率較低，成本高。隨著無人機(jī)產(chǎn)業(yè)和傾斜攝影測量技術(shù)的快速發(fā)展，基于無人機(jī)的傾斜攝影建模方法成為研究和應(yīng)用的熱點(diǎn)。相對于傳統(tǒng)的人工建模手段，無人機(jī)傾斜攝影測量建模具有低成本、高建模效率與高精度等特點(diǎn)［1-2］。無人機(jī)傾斜攝影測量建模能夠獲取物體側(cè)面豐富的紋理和結(jié)構(gòu)信息，成為實(shí)景三維建模的主流方法，目前已取得較好效果。然而，由于無人機(jī)飛行高度及空中攝影采集角度的局限，近地面及被遮擋區(qū)域會造成地物紋理結(jié)構(gòu)信息丟失或不足，實(shí)景三維模型放大會出現(xiàn)拉花變形及破洞等現(xiàn)象［3］。因而，文章以山東省泰安市岱岳經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)為研究區(qū)域，探索基于無人機(jī)攝影測量數(shù)據(jù)的大范圍實(shí)景建模方法，提出針對研究區(qū)不同地物的分等級修飾模型方法，提高了大范圍實(shí)景三維建模效率和精細(xì)度，為實(shí)景三維建模提供了新的技術(shù)思路。

無人機(jī)是一種安裝有自動駕駛儀和導(dǎo)航裝備，可借助無線電遙控設(shè)備和程序控制裝置，自主操縱無人駕駛航空器［4］。按照外形結(jié)構(gòu)不同，無人機(jī)可分為三類：固定翼無人機(jī)、多旋翼無人機(jī)和復(fù)合翼無人機(jī)。固定翼無人機(jī)航飛速度快、續(xù)航時(shí)間長，在大范圍作業(yè)中應(yīng)用廣泛。常見固定翼無人機(jī)有Ebee無人機(jī)、天狼星無人機(jī)等。多旋翼無人機(jī)對起降場地要求不高，操作靈活。常見的多旋翼無人機(jī)有大疆精靈無人機(jī)、哈瓦無人機(jī)等。復(fù)合翼無人機(jī)結(jié)合固定翼無人機(jī)和多旋翼無人機(jī)的特點(diǎn)研發(fā)而成，如南方的大鵬無人機(jī)［5］。

傾斜攝影測量技術(shù)是通過飛行平臺搭載傳感器，從垂直和傾斜多個(gè)角度進(jìn)行拍攝，獲取研究區(qū)的正射影像和傾斜影像。目前常用的航攝儀為五鏡頭，可獲取包括下視、前視、后視、左視、右視5個(gè)角度的影像，并同時(shí)獲取5個(gè)視角傾斜影像、下視影像的曝光點(diǎn)坐標(biāo)、相機(jī)參數(shù)以及相機(jī)之間的相對位置關(guān)系［6］。利用三維建模軟件處理攝影測量數(shù)據(jù)，基于多視角影像及其POS數(shù)據(jù)、姿態(tài)、相對位置關(guān)系進(jìn)行自動空三加密，生產(chǎn)精準(zhǔn)的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，重構(gòu)不規(guī)則三角網(wǎng)TIN，創(chuàng)建三維表面模型，并利用正射和傾斜影像紋理映射技術(shù)，建立區(qū)域?qū)嵕叭S模型［7］。傾斜攝影測量技術(shù)可以快速獲取影像數(shù)據(jù)信息，降低了生產(chǎn)成本，提高了數(shù)據(jù)獲取效率。使用傾斜攝影技術(shù)生產(chǎn)的實(shí)景三維模型，不僅能真實(shí)地還原地物紋理和色彩，形象地表現(xiàn)地形地貌特征，以及建筑物的細(xì)節(jié)，還可以提供準(zhǔn)確的地理位置信息。因此，傾斜攝影測量建模技術(shù)在城市規(guī)劃、災(zāi)害應(yīng)急處理、工程建設(shè)、智慧城市等領(lǐng)域具有較好應(yīng)用前景［8］。

1 研究數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

該文研究區(qū)域位于山東省泰安市岱岳經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)，面積30 km2，地勢整體比較平坦，局部地形有起伏，區(qū)域內(nèi)既含平原、丘陵等多種地形，也含政府機(jī)關(guān)、學(xué)校、城鎮(zhèn)小區(qū)、工廠等多類區(qū)域，給大規(guī)模人工精細(xì)建模帶來了極大困難。該文研究區(qū)域范圍如圖1所示。

1.2 數(shù)據(jù)采集

研究區(qū)域面積較大，根據(jù)實(shí)地情況，利用主要道路進(jìn)行分區(qū)規(guī)劃航線。借助搭載5個(gè)索尼5100五鏡頭相機(jī)的哈瓦四軸八旋翼無人機(jī)，設(shè)置航高102 m、地面分辨率2 cm、航向重疊率80%，旁向重疊率80%，無人機(jī)飛行水平速度7 m/s，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。

每天選擇光照條件良好的時(shí)間航飛，每天航飛4架次。生成數(shù)據(jù)選用2000國家大地坐標(biāo)系每隔150 m均勻布設(shè)像控點(diǎn)及一定數(shù)量的檢查點(diǎn)。并在此基礎(chǔ)上，針對重要建筑物側(cè)面紋理遮擋情況，利用數(shù)碼相機(jī)等其他終端設(shè)備進(jìn)行實(shí)地補(bǔ)拍。

彩圖1 研究區(qū)域Fig.1 Study area

1.3 研究方法

該研究首先基于哈瓦無人機(jī)，獲取研究區(qū)傾斜測量影像數(shù)據(jù)，并通過數(shù)碼相機(jī)等其他設(shè)備采集輔助影像；其次，通過集群工作站利用Smart3D軟件建立原始的大范圍實(shí)景三維模型；再次，針對地物的不同特征分為4個(gè)等級，采用DP－Modeler軟件實(shí)現(xiàn)三維場景模型修飾及建筑物模型單體化，聯(lián)動3DMax建模軟件精細(xì)化建模；最后探討了實(shí)景三維模型在智慧城市、災(zāi)害應(yīng)急處理、城市規(guī)劃和國土規(guī)劃設(shè)計(jì)方面的應(yīng)用。

1.3.1 Smart 3D三維實(shí)景建模

（1）建立工程

無人機(jī)傾斜攝影獲取數(shù)據(jù)量大，傳統(tǒng)的航空影像數(shù)據(jù)處理基于單機(jī)的串行處理和計(jì)算已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足其生產(chǎn)要求，集群式計(jì)算機(jī)并行處理技術(shù)可有效提高生產(chǎn)效率。采用工作集群，利用Smart 3D軟件，實(shí)現(xiàn)三維實(shí)景建模。在Smart 3D軟件中建立工程，創(chuàng)建新的區(qū)塊，導(dǎo)入清晰的影像數(shù)據(jù)、正確的POS數(shù)據(jù)以及高精度的像控點(diǎn)數(shù)據(jù)。

（2）空中三角測量

Smart3D空中三角測量計(jì)算是以POS數(shù)據(jù)為初始外方位元素、共線方程為基礎(chǔ)進(jìn)行光束法區(qū)域網(wǎng)平差計(jì)算處理，提取傾斜影像的大量特征點(diǎn)，進(jìn)行像對匹配和同名點(diǎn)的密集匹配，生成點(diǎn)云數(shù)據(jù)［9］。

該項(xiàng)目Smart3D軟件生產(chǎn)數(shù)據(jù)時(shí)采用兩次空三加密方法，首先導(dǎo)入無人機(jī)采集的影像數(shù)據(jù)和POS數(shù)據(jù)進(jìn)行第一次空三加密，在第一次空三加密基礎(chǔ)上，加入像控點(diǎn)信息，再次進(jìn)行空三角加密處理。像控點(diǎn)數(shù)據(jù)不但可有效提高空三加密過程的影像匹配精度和效率，還可實(shí)現(xiàn)目標(biāo)坐標(biāo)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換。

（3）三維實(shí)景建模

通過空三加密點(diǎn)云，構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)TIN，生成無紋理模型；基于獲取影像數(shù)據(jù)的紋理，生成“影像到模型”的紋理映射模型，從而生成實(shí)景三維模型［10］。空中三角測量完成后，切塊分割實(shí)景模型，并將修飾后的實(shí)景模型，以O(shè)SGB、OBJ、S3C等格式輸出，修飾后的三維模型如圖2所示。

圖2 實(shí)景三維模型Fig.2 Real 3Dmodel

1.3.2 精細(xì)模型處理

由于無人機(jī)飛行高度、空中攝影采集角度的局限及部分地物紋理特征點(diǎn)少，導(dǎo)致部分模型扭曲變形、結(jié)構(gòu)缺失和模糊不清，無法自動獲取高質(zhì)量模型。該文采用分等分類精細(xì)化模型處理方法，綜合應(yīng)用圖像建模系統(tǒng)DP－Modeler軟件、3DMax建模軟件和Photoshop圖形軟件進(jìn)行處理。針對地物的不同特征，分為4個(gè)等級：一級模型主要為政府、機(jī)關(guān)學(xué)校、醫(yī)院、大型產(chǎn)業(yè)園、古建筑、別墅等；二級模型主要為小區(qū)、工業(yè)園、小型產(chǎn)業(yè)園等；三級模型主要為廠區(qū)等；四級模型主要為城中村、農(nóng)村宅基地等。

大范圍實(shí)景三維場景模型主要應(yīng)用DP-Modeler軟件OBJ修飾、OSGB修飾功能對Tile的地面、道路、水面、漂浮物等地物進(jìn)行修飾。對于水面、玻璃等光滑表面地物，由于匹配的特征點(diǎn)較少會造成模型紋理不均勻、甚至產(chǎn)生漏洞，可以通過DP-Modeler軟件補(bǔ)洞功能，聯(lián)動Photoshop軟件修飾模型及其紋理。在建模過程中由于匹配特征點(diǎn)太少生成了不連續(xù)的懸空的漂浮物，通過DP-Modeler軟件可以快速刪除漂浮物。而針對部分凹凸不平的地面道路，也可通過DP-Modeler軟件實(shí)現(xiàn)道路面踏平和紋理修飾，如圖3所示。

圖3 場景模型道路修飾Fig.3 Scenemodel road modification

建筑物模型采用DP-Modeler軟件進(jìn)行單體化模型處理。單體化就是將一片完整的區(qū)域模型劃分為不同的特征實(shí)體，每個(gè)特征實(shí)體都是離散、同質(zhì)、有明確邊界的空間對象?？梢詫γ總€(gè)單體進(jìn)行屬性賦值，如名稱信息、地址信息、房屋高度和層數(shù)等［11］。對于結(jié)構(gòu)較為簡單的三級模型、四級模型，可以直接使用DP-Modeler軟件實(shí)現(xiàn)單體化模型處理，而對于結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的一級模型、二級模型借助于DP-Modeler軟件聯(lián)動3DMax軟件的功能，可以在3DMax軟件中精細(xì)化建模修飾。處理方法為利用實(shí)景模型提供的實(shí)際尺寸和紋理特征，在3DMax軟件中重建模型，然后借助Photoshop圖形軟件修飾圖片，使圖片與模型匹配完美，通過3DMax軟件展UV的功能進(jìn)行紋理映射貼圖，在DP-Modeler軟件刪除或踏平實(shí)景模型，最后將3DMax軟件中精細(xì)化模型導(dǎo)入DP-Modeler軟件，實(shí)現(xiàn)精細(xì)化建模與修飾。如圖4-5所示。

圖4 建筑物模型單體化Fig.4 Building model monomer

圖5 3DMax精細(xì)化建模Fig.5 3DMax finemodeling

2 實(shí)景三維模型應(yīng)用

2.1 智慧城市應(yīng)用

隨著5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、云計(jì)算技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，無人機(jī)傾斜攝影實(shí)景建模技術(shù)在智慧城市中應(yīng)用更加廣泛。由數(shù)字城市升級的智慧城市建設(shè)，對三維模型數(shù)據(jù)產(chǎn)生更高需求，三維模型數(shù)據(jù)為智慧城市建設(shè)提供了更為豐富的基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)。

2.2 災(zāi)害應(yīng)急處理應(yīng)用

無人機(jī)傾斜攝影實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)可以進(jìn)行災(zāi)害調(diào)查、分析、地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)警，實(shí)景三維數(shù)據(jù)的真實(shí)性、直觀性和精度高的特點(diǎn)，更利于災(zāi)害的應(yīng)急救援的工作，為災(zāi)害應(yīng)急處理提供了輔助決策的數(shù)據(jù)支持。無人機(jī)的靈活性、快速反應(yīng)的能力在應(yīng)急救援中也起到至關(guān)重要的作用［12］。

2.3 城市規(guī)劃應(yīng)用

實(shí)景三維模型是對真實(shí)三維場景的可視化表達(dá)，具有真實(shí)的幾何信息、紋理信息和地理信息，基于三維實(shí)景模型進(jìn)行虛擬規(guī)劃，以可視化的方式從多角度直觀展現(xiàn)規(guī)劃效果，借助于平臺系統(tǒng)可以通過光照分析、通視分析、距離高度分析等，為城市規(guī)劃、新區(qū)建設(shè)、征地拆遷、三舊改造等項(xiàng)目提供輔助規(guī)劃和決策支持，從而獲得更適應(yīng)環(huán)境的管理規(guī)劃方案［13］。

2.4 國土規(guī)劃設(shè)計(jì)應(yīng)用

實(shí)景三維模型與國土規(guī)劃設(shè)計(jì)結(jié)合應(yīng)用，使傳統(tǒng)的土地規(guī)劃設(shè)計(jì)的二維數(shù)據(jù)升級為三維數(shù)據(jù)，更加直觀、形象的展示規(guī)劃成果，此外借助于平臺的進(jìn)一步開發(fā)，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的量測、屬性查詢、編輯、共享等［14-15］。

3 結(jié)論與討論

該文基于無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)，結(jié)合Smart3D軟件，實(shí)現(xiàn)了大范圍三維實(shí)景模型的構(gòu)建，并通過DP－Modeler軟件和3DMax建模軟件，完成三維模型的分等級精細(xì)化處理，為大范圍實(shí)景三維建模提供了新的思路與解決方案，為智慧城市建設(shè)、災(zāi)害應(yīng)急處理、城市規(guī)劃、國土規(guī)劃設(shè)計(jì)等領(lǐng)域提供了數(shù)據(jù)支撐與技術(shù)支持。隨著空地一體化數(shù)據(jù)采集、處理技術(shù)發(fā)展和新型數(shù)據(jù)采集裝備的研發(fā)，將不斷提高影像數(shù)據(jù)的采集效率和構(gòu)建大范圍精細(xì)化實(shí)景三維模型的作業(yè)效率，促進(jìn)實(shí)景三維中國的建設(shè)，并在國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中發(fā)揮重要作用。