基于Smart3D的實(shí)景真三維模型生產(chǎn)方法探析

楊林友 （安徽省第一測繪院，安徽 合肥 230031）

1 構(gòu)建三維模型的意義

智慧城市建設(shè)方興未艾，智慧城市是一項(xiàng)戰(zhàn)略和進(jìn)程，需要物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施、云計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施、地理信息基礎(chǔ)設(shè)施……。測繪是地理信息的基礎(chǔ)，也是時空大數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)。位置、圖像、圖形是時空大數(shù)據(jù)的主體。實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)就是其中之一。以三維模型數(shù)據(jù)模式，形象展示地面上建筑物、構(gòu)筑物等的空間位置及當(dāng)前權(quán)屬性質(zhì)和屬性狀態(tài)，為智慧城市的建設(shè)提供視角影像數(shù)據(jù)。形象地展示地面上建筑物、構(gòu)筑物等的空間位置及當(dāng)前權(quán)屬性質(zhì)和屬性狀態(tài)。為三維不動產(chǎn)登記管理、城市建設(shè)、礦山管理、公安等提供數(shù)據(jù)支撐。

2 實(shí)景真三維模型的應(yīng)用

各地在城市化的進(jìn)程中，土地資源愈來愈緊張，城市空間的利用愈來愈復(fù)雜化、規(guī)?；?。傳統(tǒng)的二維矢量數(shù)據(jù)已不能滿足現(xiàn)代城市的城市管理。利用實(shí)景真三維模型數(shù)據(jù)，在解決模型單體化后整合、關(guān)聯(lián)不動產(chǎn)登記二維矢量數(shù)據(jù)，進(jìn)行三維不動產(chǎn)權(quán)籍生產(chǎn)。既能有效解決目前不動產(chǎn)登記過程中存在的空間定位困難、信息重疊等問題，又能將二維矢量數(shù)據(jù)管理升級為更直觀的、立體感更強(qiáng)的三維數(shù)據(jù)管理模式。隨著傾斜攝影測量技術(shù)的日漸成熟,探索利用傾斜攝影測量、Smart3D真三維建模技術(shù)在不動產(chǎn)登記管理、智慧城市建設(shè)等領(lǐng)域的應(yīng)用，是一個熱門的課題。

3 利用Smart3D構(gòu)建真三維模型

3.1 前期資料準(zhǔn)備

3.1.1 傾斜攝影

無人機(jī)傾斜航空攝影在小范圍的三維模型制作是眼下常用的影像獲取方式，但對大面積的三維模型制作，為了保證模型精度、為了保證傾斜攝影的分辨率和重疊度一般采用直升飛機(jī)，相機(jī)采用五個中畫幅量測級PAN-U5相機(jī)。航攝分辨率為2cm～3cm（下視分辨率）。

3.1.2 影像數(shù)據(jù)預(yù)處理

使用航攝儀自配軟件Capture one對影像數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，生產(chǎn)出5個鏡頭的單幅影像數(shù)據(jù)。IMU/GPS數(shù)據(jù)處理、GPS數(shù)據(jù)解算、IMU和GPS數(shù)據(jù)聯(lián)合解算、對檢校場進(jìn)行空中三角測量，計(jì)算偏心角以及線元素偏移值，用偏心角和線元素偏移值改正攝區(qū)每張像片的位置和姿態(tài)，得到每張像片的6個外方位元素（即像片的POS數(shù)據(jù)）。

3.1.3 像控點(diǎn)測量

為提高模型的進(jìn)度，需實(shí)地測量一定數(shù)量的像片控制點(diǎn)，像控點(diǎn)的布設(shè)需依據(jù)航空攝影測量技術(shù)要求均勻布設(shè)。傾斜攝影時載機(jī)搭載高精度IMU/GNSS定位定姿系統(tǒng)輔助航空攝影，實(shí)時記錄和解算每張像片的外方位元素，在滿足三維模型精度的前提下，可大量減少外業(yè)像片控制點(diǎn)的布設(shè)數(shù)量，減輕外業(yè)勞動強(qiáng)度。因傾斜攝影分辨率高像機(jī)多、要求的像片重疊度又較大，所以像片數(shù)量龐大。為保證模型的精度擬每4km均勻布設(shè)6個像控點(diǎn)、1個檢查點(diǎn)。點(diǎn)位應(yīng)選擇航片上清晰易判別的固定點(diǎn)，依據(jù)等級控制點(diǎn)施測的精度要求，實(shí)施野外高精度像控點(diǎn)測量。像控點(diǎn)點(diǎn)位精度按下表執(zhí)行：

像控點(diǎn)點(diǎn)位精度執(zhí)行

3.1.4 空三加密

傳統(tǒng)的航空攝影測量空中三角測量是利用光束法進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)平差，像片的俯仰角和橫滾角接近為零是其數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)。因而無法處理傾斜攝影獲得的影像數(shù)據(jù)。需專業(yè)的多視角航空攝影測量空三加密軟件，進(jìn)行影像的聯(lián)合空三加密平差。流程圖如圖1所示。

圖1 空三加密流程圖

各方向的中誤差與最大誤差限差，以及控制點(diǎn)的聯(lián)合區(qū)域網(wǎng)平差應(yīng)符合規(guī)范要求。

3.2 Smart3D三維重建

基于一個下視四個傾斜共五個不同焦距的鏡頭，獲取的同一時點(diǎn)的連續(xù)影像，結(jié)合空三加密獲得的每張像片的外方位元素成果，在Smart3D三維建模軟件中，經(jīng)如圖2操作完成三維模型的生產(chǎn)。

圖2 Smart3D三維模型生產(chǎn)

Smart3D能從獲得的連續(xù)傾斜影像中生成最逼真的實(shí)景三維模型，在三維模型重建過程中已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了全自動計(jì)算，會依據(jù)內(nèi)部算法規(guī)則，自動匹配像對，自動篩選像對，自動生成帶有坐標(biāo)（X、Y、Z）信息的密集的模型表面點(diǎn)集。自動構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)TIN結(jié)構(gòu)，自動檢測優(yōu)化三角網(wǎng)，同時將自助紋理映射錯誤的圖像匹配進(jìn)行刪除和修復(fù)，并基于高程模型（DEM）數(shù)據(jù)以及內(nèi)在的幾何關(guān)系，剔除不合理的三角網(wǎng)，并將TIN模型進(jìn)行平滑處理，達(dá)到最佳的模型視角效果。最后根據(jù)三維TIN的空間位置信息，自動尋找建筑物四周的傾斜影像信息匹配到白體模型上，完成模型紋理的構(gòu)建，最終還原出最真實(shí)的實(shí)景真三維模型。

3.2.1 區(qū)塊劃分

因數(shù)據(jù)量大，模型的成果數(shù)據(jù)是按照分區(qū)分別進(jìn)行計(jì)算和存儲的。傾斜攝影獲取的影像多、數(shù)據(jù)量龐大、計(jì)算復(fù)雜，再加上普通計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力有限，必須對測區(qū)進(jìn)行分塊。結(jié)合高程模型（DEM）數(shù)據(jù)，依據(jù)配置的計(jì)算機(jī)的內(nèi)存、計(jì)算節(jié)點(diǎn)的數(shù)量和影像數(shù)據(jù)量的大小，將整個測區(qū)按照合理的大小進(jìn)行劃分（2cm分辨率傾斜攝影一般情況下按每60m分塊），將計(jì)算任務(wù)分配到不同的節(jié)點(diǎn)，在充分利用資源的前提下，提高作業(yè)效率。

3.2.2 建立三維像對

選擇需要處理的區(qū)塊，生成所需要影像的金子塔文件。

結(jié)合航攝過程中像機(jī)搭載的高精度IMU/GNSS定位定姿輔助航攝系統(tǒng)獲取的POS數(shù)據(jù)，以及各個航攝相機(jī)的位置參數(shù)，根據(jù)每兩張相鄰下視像片攝影中心點(diǎn)之間的位置關(guān)系，同名地物來匹配像對。

在執(zhí)行傾斜攝影時都有航向和旁向重疊的要求（航向和旁向均為60%要求），同一地物影像可以出現(xiàn)在5張～30張影像上。為此在程序運(yùn)行前，先設(shè)置好組成像對的兩張像片攝影中心長度限值。曝光間隔與航線間距的最小值≤攝影中心間間距≤曝光間隔與航線間距最大值的2倍。像對文件生成后，需逐個檢查各個像對是否滿足規(guī)范或技術(shù)設(shè)計(jì)書要求。

基于空三加密平差計(jì)算得出的每張像片主點(diǎn)即攝影中心的6個外方位元素成果和像機(jī)安置的位置關(guān)系，Smart3D軟件可以依據(jù)同名影像自動尋找合適的相鄰兩張影像組成三維像對。

3.2.3 TIN網(wǎng)優(yōu)化

獲取的高分辨率傾斜影像，Smart3D可通過計(jì)算生成基于傾斜影像的超高密度點(diǎn)集即點(diǎn)云，并由此生成基于傾斜影像紋理的高分辨率實(shí)景真三維模型，對真實(shí)場景的還原已經(jīng)達(dá)到了全要素級別。Smart3D軟件內(nèi)嵌了多種高級智能算法，可以自動構(gòu)網(wǎng)，并且能夠自動檢測不規(guī)則的三角網(wǎng)，自動對不合理的三角網(wǎng)表面進(jìn)行優(yōu)化，剔除不合理的三角網(wǎng)。對平緩表面和模型復(fù)雜表面的三角網(wǎng)密度自動進(jìn)行簡化和保留處理。

合并模型點(diǎn)云文件，創(chuàng)建TIN網(wǎng)的三維模型，同時還要進(jìn)行下列操作：

①調(diào)整點(diǎn)云密度使其三角網(wǎng)的尺寸盡量與原始影像地面分辨率相匹配；

②去掉點(diǎn)云中發(fā)生突變、不連續(xù)的點(diǎn)；

③通過對密集點(diǎn)云演示的表面變化的分析，降低平緩地區(qū)三角網(wǎng)密度。

3.2.4 白體三維模型創(chuàng)建

利用處理后的不規(guī)則三角TIN網(wǎng)，創(chuàng)建生成白體的三維模型（即初期模型）。

3.2.5 紋理渲染、匹配

根據(jù)優(yōu)化的三角網(wǎng)結(jié)果，并結(jié)合關(guān)聯(lián)的原始影像和拍攝的立面照片信息，為每個三角形建立一一對應(yīng)的紋理信息。同時把紋理信息和模型之間的關(guān)聯(lián)保存在關(guān)系表中。在進(jìn)行紋理映射時需均衡色彩，以像素為單位設(shè)置紋理大小，一般情況下按影像長邊的1.5倍設(shè)置。為使模型色彩均衡，將帶紋理的模型建立更多細(xì)節(jié)和層次，便于優(yōu)化文件組織結(jié)構(gòu)。將得到的結(jié)構(gòu)模型文件輸出為obj、osg(osgb)等通用兼容格式，能夠方便地導(dǎo)入目前各種主流GIS應(yīng)用平臺。

3.2.6 模型編輯、修改和成果整理輸出

由于建模是由計(jì)算機(jī)全自動完成，因此不可避免會出現(xiàn)一些問題區(qū)域，主要是以下幾種類型：

①由于拍攝視角盲區(qū)造成的漏洞：比喻因房檐過大導(dǎo)致在航拍時，房檐底下信息丟失引起的漏洞；建筑物密集導(dǎo)致建筑物側(cè)面被遮擋而引起的信息丟失等；

②水體表面、反光嚴(yán)重的玻璃樓體表面，容易產(chǎn)生模型空洞、水面不平；

③由于影像質(zhì)量問題引起的匹配錯誤；

④植被、路燈、廣告牌等細(xì)小、結(jié)構(gòu)單薄的物體，容易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)不完整、漂浮空中等現(xiàn)象。

對于以上問題，可以利用第三方軟件 photoshop、Erdas imagine、Geo?magic等軟件進(jìn)行人工干預(yù)編輯，例如水面不平及漏洞修補(bǔ)、懸浮物刪除、道路不平整修復(fù)、建筑變形及遮擋修飾等，實(shí)現(xiàn)TIN網(wǎng)的修復(fù)和重構(gòu)。如部分區(qū)域存在拍攝盲區(qū)，采用在地面補(bǔ)拍照片的方式重新建模。另外，Smart3D可以對指定的區(qū)域進(jìn)行TIN網(wǎng)的自動內(nèi)插平滑處理，解決表面漏洞問題。

所有成果數(shù)據(jù)按要求進(jìn)行組織存儲。

3.3 精度統(tǒng)計(jì)

實(shí)景真三維模型數(shù)據(jù)是一種全新的地理信息數(shù)據(jù)，地理信息數(shù)據(jù)是有精度要求的：

位置精度：在模型上采集已實(shí)測坐標(biāo)的地面檢測點(diǎn)的內(nèi)業(yè)坐標(biāo)（共77個點(diǎn)）與實(shí)測坐標(biāo)進(jìn)行比對：

Ms（高精度）=±0.11m、Mh（高精度）=±0.073m。

幾何精度：模型與實(shí)地核對沒有變形。

紋理精度：表面紋理符合現(xiàn)場的真實(shí)情況。

4 結(jié)語

目前真三維模型制作技術(shù)比較成熟，ESRI、SkyLine等多種處理軟件都能滿足要求，有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。本文主要就基于Smart3D軟件，通過直升飛機(jī)平臺搭載五個中畫幅量測級PAN-U5相機(jī)，獲取地面分辨率為2cm～3cm（下視影像）連續(xù)的多視影像，結(jié)合外業(yè)控制、空三加密，探索快速構(gòu)建實(shí)景真三維模型的方法。結(jié)果證明Smart3D三維建模方法具有高度的自動化和快速建模的特點(diǎn)。模型的位置精度、幾何精度均能滿足1:500地籍圖,圖上地物點(diǎn)中誤差≤圖上0.5mm的精度要求；紋理精度也較符合現(xiàn)場的真實(shí)情況。在解決模型單體化和分層分戶的技術(shù)問題后，結(jié)合不動產(chǎn)二維矢量數(shù)據(jù)就可以完成分層分戶的定位和屬性賦值。直觀、高效地服務(wù)于不動產(chǎn)管理登記，滿足城市不動產(chǎn)管理需求。