基于ContextCapture的三維建模研究

杜金莉

（1.安徽省第一測繪院，安徽 合肥 230031）

傳統(tǒng)的三維建模主要是利用大比例尺3D（DOM、DLG、DEM）數(shù)據(jù)，結(jié)合野外實際拍攝的地物紋理照片，制作建筑物三維模型和地形三維模型[1]。該作業(yè)方式工作量大、人工干預(yù)多、效率低下，不適合大規(guī)模作業(yè)，無法滿足大面積快速出圖需求。ContextCapture是基于圖形運算單元的快速三維場景運算軟件，僅需少量人工干預(yù)，依靠連續(xù)的二維影像就能還原出達到原始影像像素分辨率的實景三維模型[2-3]。利用該軟件生產(chǎn)三維模型具有工作量小、效率高、成果效果好等優(yōu)點。

目前無人機傾斜攝影技術(shù)較為成熟。無人機航攝具有成本低、時間自由、航空管制小等優(yōu)點，可通過無人機航飛快速獲取5個視角的影像數(shù)據(jù)，再結(jié)合自動化程度較高的ContextCapture軟件構(gòu)建真三維模型，適用于三維智慧城市大規(guī)?？焖倩鳂I(yè)。本文基于ContextCapture軟件，梳理了三維建模的作業(yè)流程，總結(jié)了作業(yè)經(jīng)驗，并針對出現(xiàn)的問題提出了解決方法，供作業(yè)參考。

1 ContextCapture軟件三維建模作業(yè)流程

首先通過無人機進行傾斜攝影測量，獲取5個視角的傾斜航空影像；再通過相片控制測量，從野外獲取少量的像控點；然后利用ContextCapture軟件進行空三加密；空三加密合格后生產(chǎn)三維實景模型，具體流程如圖1所示。

1.1 傾斜攝影測量

無人機傾斜攝影測量是在飛行平臺上同時搭載多鏡頭相機，獲取前視、后視、左視、右視與垂直5個角度的影像數(shù)據(jù)[4]，從而獲得地表物體正攝和不同側(cè)面的紋理照片。

航飛前收集測區(qū)現(xiàn)有資料作為航攝布網(wǎng)航飛設(shè)計的基礎(chǔ)資料，再根據(jù)測區(qū)最大最小高程以及所需的影像地面分辨率設(shè)定飛行航高。航飛設(shè)計時，應(yīng)保證航片范圍覆蓋有效建模范圍，一般將航線各方向外擴大于3條航線或3條基線，影像重疊度應(yīng)滿足規(guī)范要求。航飛應(yīng)選擇晴朗無云能見度高的天氣和時間，確保影像清晰、反差適中、顏色飽和、測區(qū)色調(diào)一致，從而保證三維建模的最終效果。

1.2 空三加密

將5個視角的影像數(shù)據(jù)以及機載POS系統(tǒng)獲得的傾斜影像的初始外方位元素導(dǎo)入程序，利用正視、斜視影像構(gòu)建區(qū)域網(wǎng)，多視角影像自動匹配；經(jīng)過反復(fù)濾波、平差，解算得到符合精度要求的精確外方位元素[5]；進行控制點和加密點量測，通過平差計算獲得加密成果。

圖1 三維建模流程圖

空三加密自動匹配模型連接點時，要求每張影像上的連接點不小于9個，跨航線連接點不少于3個，若影像內(nèi)僅含植被、水體等紋理信息不豐富的地物，則不做要求。目前三維建模空三加密部分的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范還未正式發(fā)布，可根據(jù)項目要求并參考《數(shù)字航空攝影測量空中三角測量規(guī)范》設(shè)定空三加密精度。若超出限差，則需人工排查超限原因，合理解決。

1.3 三維建模

空三加密合格后，通過測區(qū)分區(qū)、點云計算、TIN構(gòu)建、對TIN進行濾波簡化等處理，利用處理后的TIN創(chuàng)建白模三維模型，再進行自助紋理映射，生成真三維模型[6-7]。紋理映射時需進行色彩均衡，紋理大小設(shè)置為影像長邊的1.5倍。三維影像數(shù)據(jù)紋理精度應(yīng)接近下視影像地面分辨率。整個作業(yè)區(qū)域應(yīng)模型完整，不能有空洞和不合理懸浮的面片，建筑物模型自然，細(xì)節(jié)保留完整。

2 應(yīng)用實例

2.1 項目概況

項目為皖南某市多個風(fēng)景區(qū)3.07 km2的實景三維建模，測區(qū)內(nèi)房屋較集中，基本為徽派建筑，中心區(qū)域多為街區(qū)式分布，外圍農(nóng)村居民地一般為散列式房屋，交通、水系等地物信息豐富。項目設(shè)計要求平面中誤差和最大誤差分別不大于0.5 m和1.0 m，高程中誤差和最大誤差分別不大于0.8 m和1.6 m。

2.2 作業(yè)情況

項目利用大白測繪六旋翼無人機DB-X6H搭載索尼相機進行傾斜攝影測量，共飛行7個架次，獲得有效航片54 169張，下視影像地面分辨率為0.05 m；共布設(shè)24個控制點、10個檢查點；利用ContextCapture軟件生產(chǎn)3.07 km2的實景三維模型。整個項目從航飛到建成實景三維模型大約需3個人15 d完成，其中利用ContextCapture軟件自動處理數(shù)據(jù)時間相對較短，但測區(qū)分散在多個地方，需航飛多個架次，航飛花費較多時間，若項目面積大且連續(xù)，整體效率會更高。

2.3 質(zhì)量檢查

本文采用比對外業(yè)實測檢查點與實景三維模型上的同名像點坐標(biāo)的方式進行精度檢測，共檢測10個點。結(jié)果表明，平面中誤差為0.21 m，平面小于1倍中誤差的點有8個，占比為80%，大于1倍且小于2倍中誤差的點有2個，占比為20%；高程中誤差為0.33 m，小于1倍中誤差的點有8個，占比為80%，大于1倍且小于2倍中誤差的點有2個，占比為20%；平面和高程精度均滿足設(shè)計要求。人工檢查發(fā)現(xiàn)，場景完整，模型精細(xì)度、紋理精度的正確性符合技術(shù)要求。

3 存在的問題及其解決方法

1）在一些面積較大的測區(qū)，傾斜攝影航攝的5個視角的影像較多，三維建模時若不分區(qū)則會導(dǎo)致數(shù)據(jù)量大、計算速度慢等問題。解決方法為：建議分塊進行空三加密，盡量根據(jù)地形類別分塊，同一區(qū)塊高差不要太大；外圍需外擴足夠尺寸，保證5個視角影像的全覆蓋；分塊空三加密結(jié)束后，再創(chuàng)建新的工程合并分塊的空三加密成果。

2）空三加密結(jié)果通常會顯示空三分層，可通過解算新的相機文件來解決。實際作業(yè)時可選取一塊影像質(zhì)量相對較好且地形平坦的區(qū)塊，人工盡可能多地選取相對定向點或控制點來進行平差解算，得到新的解算后的相機文件，相當(dāng)于對航飛公司提供的原始相機文件進行一次檢校。整個測區(qū)利用新解算后的相機文件，可減少后期平差次數(shù)，降低分層概率。

3）在一些陰影、遮擋、特殊地貌、影像質(zhì)量差的區(qū)域經(jīng)常出現(xiàn)因匹配的同名點不足或匹配錯誤而導(dǎo)致的平差失敗，需在出現(xiàn)錯誤的區(qū)域適當(dāng)增加人工點，再次解算，直至滿足精度要求為止。

4）空三加密中有勻色選項，作業(yè)時可勾選勻色選項卡。若仍覺得整個測區(qū)影像色彩協(xié)調(diào)不夠理想，還可利用勻光勻色更好的第三方軟件（易拼圖軟件等）對原始影像進行勻色處理。

5）為了便于接邊，分界處應(yīng)盡量選取地形平坦開闊、紋理相對簡單的地方。若遇河流、道路等線狀地物，分界時可把一方制作完整，另一方制作至水邊或路邊。

6）程序自動建立的三維模型通常會出現(xiàn)的錯誤為：在傾斜影像的陰影和視場盲區(qū)，有時會出現(xiàn)三維模型的漏洞、樓體缺失等錯誤；部分實景模型成果出現(xiàn)小面積的紋理損失；部分影像的柵欄、陽臺等地物存在拉花變形；樹干、電桿等部分細(xì)長地物有缺失錯位；部分影像模糊。解決方法為：可利用PhotoShop、DP-Modeler、貼圖大師等圖像處理軟件進行人工貼圖修正處理，其中DP-Modeler修復(fù)漏洞的自動化程度較高，處理效果較理想。

7）由于傾斜攝影測量無法獲取鏤空建筑物內(nèi)部的紋理，自動三維建模也無法完美表達。該類建筑物可利用實地三維激光掃描建模，內(nèi)部細(xì)節(jié)可通過貼圖軟件人工完成貼圖。

4 結(jié) 語

ContextCapture軟件已比較成熟，用其生產(chǎn)的成果具有自動化程度高、生產(chǎn)成本低、 效率高、精度可靠、三維場景真實等優(yōu)點，適合智慧城市大面積快速化作業(yè)；但在實際作業(yè)過程中，由于三維模型的復(fù)雜性，建模時會出現(xiàn)一些細(xì)節(jié)部分不盡完善、少部分紋理丟失、復(fù)雜模型表現(xiàn)困難等情況，需要總結(jié)經(jīng)驗方法、提高生產(chǎn)效率。本文研究總結(jié)的作業(yè)方法和經(jīng)驗希望在實際建模作業(yè)時有一定的參考價值。