基于Smart3D的三維實(shí)景建模應(yīng)用研究

李見濤，何昌國(guó)

（江西省煤田地質(zhì)局測(cè)繪大隊(duì)，江西 南昌 330000）

三維實(shí)景建模技術(shù)能夠根據(jù)一系列二維相片，或者一組傾斜影像，通過(guò)軟件自動(dòng)生成高分辨、帶有逼真紋理貼圖的三維模型。傳統(tǒng)的三維建模雖然分辨率高，但是有耗時(shí)較長(zhǎng)、制作煩瑣、場(chǎng)景不夠真實(shí)等缺點(diǎn)。而利用傾斜攝影技術(shù)進(jìn)行的三維實(shí)景建模具有建模時(shí)間短、更加智能化、場(chǎng)景更加真實(shí)等無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)[1]。

本文以深圳市某校區(qū)為例，通過(guò)大疆 Inspire2無(wú)人機(jī)獲取區(qū)域內(nèi)的高精度圖像，然后通過(guò)相關(guān)的軟件完成三維實(shí)景模型的建立，最后通過(guò)對(duì)其精度的認(rèn)定來(lái)論證此方案的可行性。

1 基本原理與關(guān)鍵技術(shù)

1.1 傾斜攝影基本原理

傾斜攝影通過(guò)多角度的搭載不同的高清攝像頭，完成垂直以及四個(gè)傾斜多個(gè)方位對(duì)物體的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)拍攝，采集二維相片，從而能夠獲取到更加豐富的紋理信息,為用戶提供一個(gè)更加直觀真實(shí)的視覺。使飛機(jī)在飛行過(guò)程中，能獲取多角度多方位的影像數(shù)據(jù)，針對(duì)目標(biāo)區(qū)域可以全面覆蓋。對(duì)于所有曝光位置來(lái)說(shuō)，通過(guò)多個(gè)不同的鏡頭就可以同時(shí)拍攝多個(gè)不同角度的影像[2]。

在拍攝影像時(shí)，對(duì)拍攝的各個(gè)參數(shù)，包括高度、經(jīng)緯度坐標(biāo)以及時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行記錄，形成POS文件，并完成數(shù)據(jù)處理。獲取到的傾斜以及正射影像（DOM）可以更加全面覆蓋滿足建模需要的所有區(qū)域， 為三維建模奠定基礎(chǔ)。

1.2 三維實(shí)景建模技術(shù)流程

利用傾斜航攝相機(jī)對(duì)目標(biāo)物進(jìn)行拍攝，獲得需要的影像數(shù)據(jù)，其特點(diǎn)有：①?gòu)亩嘟嵌榷辔恢眠M(jìn)行拍攝，能滿足模型多個(gè)角度的生成;②搭載的攝像機(jī)能夠?qū)崟r(shí)拍攝，從而保證了圖像的清晰度和廣闊的視角;③由于拍攝角度的緣故，會(huì)發(fā)生部分物體被遮擋的現(xiàn)象。可能會(huì)造成模型局部出現(xiàn)變形或者看不清的現(xiàn)象。但是可以通過(guò)后期Smart3D補(bǔ)拍重建模型或者用相關(guān)軟件進(jìn)行精細(xì)化處理。

如圖2所示，三維建模涉及獲取、預(yù)處理、空三處理以及建模等主要步驟。其中關(guān)鍵的步驟在于空中三角測(cè)量自動(dòng)生成三維模型和紋理映射，此步驟依靠Smart3D軟件半自動(dòng)完成。

圖1 技術(shù)流程圖

圖2 測(cè)區(qū)航線設(shè)計(jì)圖

1.3 基于Smart3D 的三維實(shí)景建模

本文利用 Smart3D 軟件來(lái)構(gòu)建三維模型，該軟件的最大特點(diǎn)是通過(guò)加載二維相片影像就可以自動(dòng)化快速的實(shí)現(xiàn)三維實(shí)景模型的建立，而且可以輸出類似obj、osgb、dae、spk等多種格式，自由導(dǎo)入諸如ArGIS、Qgis等主流的GIS平臺(tái)中，可輸出的模型包括DSM.DOM DEM以及二三維可視化數(shù)據(jù)[3]。而且Smart3D還可以用于文物保護(hù)一些零件的三維模型的構(gòu)建，而本文主要闡述基于無(wú)人機(jī)航拍影像完成實(shí)景三維模型的構(gòu)建和在可視化與分析中的運(yùn)用。

2 三維建模過(guò)程

2.1 研究區(qū)概況

本文研究區(qū)域?qū)W校位于深圳鹽田區(qū)，研究區(qū)覆蓋建筑樓以及體育運(yùn)動(dòng)場(chǎng)所，容積率較高，面積較大，下圖是根據(jù)研究區(qū)域的航線設(shè)計(jì)圖。

2.2 無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)獲取

構(gòu)建實(shí)景三維模型原始數(shù)據(jù)主要包括了無(wú)人機(jī)拍攝的傾斜影像數(shù)據(jù)、POS 數(shù)據(jù)、以及地面像控點(diǎn)。此次實(shí)驗(yàn)采用大疆 Inspire2無(wú)人機(jī)搭載禪思Zenmuse X5S相機(jī)對(duì)傾斜影像數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，時(shí)間定在9月初天氣晴朗，基本上沒風(fēng)，比較適宜飛行。

首先在無(wú)人機(jī)地面控制系統(tǒng)中進(jìn)行航線規(guī)劃，設(shè)高度航向重疊度等基礎(chǔ)參數(shù)。本次航飛獲取了590張傾斜影像，影像的的精度達(dá)到了2cm。我們選用的控制點(diǎn)數(shù)量為4個(gè)，采用GPS-RTK模式聯(lián)測(cè)出平面及高程坐標(biāo)，測(cè)量三次取平均值作為最終結(jié)果,控制點(diǎn)選用坐標(biāo)系統(tǒng)為大地CGCS2000坐標(biāo)系，1985國(guó)家高程基準(zhǔn)。

2.3 Smart3D建立實(shí)景模型

傾斜影像的數(shù)據(jù)類型有兩種，分別是大傾角側(cè)視攝影數(shù)據(jù)和垂直攝影數(shù)據(jù)。每個(gè)曝光點(diǎn)的坐標(biāo)，可以通過(guò)傾斜攝影瞬間 POS 系統(tǒng)的觀測(cè)值，作為其初始外方位元素，進(jìn)而根據(jù)模型進(jìn)行計(jì)算得出。采用多基線多特征匹配技術(shù)可生成大量的連接點(diǎn)，結(jié)合少量的外業(yè)控制點(diǎn)，通過(guò)區(qū)域網(wǎng)平差步驟，從而完成了多視角聯(lián)合空中三角測(cè)量，最后得到精確的空三匹配結(jié)果。

2.3.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

數(shù)據(jù)預(yù)處理主要是對(duì)數(shù)據(jù)的檢查和校正,首先是對(duì)影像坐標(biāo)系的檢查，是否是CGCS2000坐標(biāo)系，影像是否清晰。其次就是對(duì)于采樣的像控點(diǎn)的精度是否達(dá)到要求，導(dǎo)出的POS數(shù)據(jù)是否正確。確認(rèn)無(wú)誤將POS數(shù)據(jù)保存為.scv格式，而像控點(diǎn)保存為.txt格式。

2.3.2 空中三角測(cè)量

多視影像密集匹配可以獲得密集點(diǎn)云，再經(jīng)過(guò)優(yōu)化構(gòu)網(wǎng)算法來(lái)構(gòu)建數(shù)字地表模型（DSM），從而為后面構(gòu)建模型提供數(shù)據(jù)支撐。在傾斜影像運(yùn)用空三算法獲得各個(gè)影像的外方位元素，通過(guò)其像素以及特征進(jìn)行匹配，加上并行算法的運(yùn)用，從而提升計(jì)算速度?；谏弦徊将@取到的數(shù)字地表模型融合，得到一致的DSM。此過(guò)程通過(guò)Smart3D軟件自動(dòng)完成，我們將POS數(shù)據(jù)導(dǎo)入進(jìn)來(lái)，選擇對(duì)應(yīng)坐標(biāo)系，即可一鍵生成相應(yīng)空三成果。成果圖如圖4所示。

圖3 空三成果圖

圖4 像控點(diǎn)加密空三測(cè)量報(bào)告

2.3.3 像控點(diǎn)加密

工程準(zhǔn)備完成后進(jìn)行空三加密。軟件會(huì)自動(dòng)對(duì)圖片進(jìn)行大量特征點(diǎn)的計(jì)算提取，完成建模坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換。在Smart3D中選擇加載像控點(diǎn)，并以刺點(diǎn)的方式表明。最后將空三成果導(dǎo)入構(gòu)建的坐標(biāo)系中，并輸出各個(gè)像控點(diǎn)的精度相關(guān)的信息。表1是像控點(diǎn)檢測(cè)報(bào)告。圖5是像控點(diǎn)加密空三測(cè)量成果。

圖5 校園三維模型成果

表1 像控點(diǎn)檢測(cè)報(bào)告

2.3.4 建立模型

通過(guò)Smart3D進(jìn)行半自動(dòng)化建模還需要以下3步：通過(guò)上述空三加密點(diǎn)云計(jì)算不規(guī)則三角網(wǎng)TIN，即可生成白膜；從飛來(lái)的航片中選擇合適的紋理進(jìn)行貼膜，最后在輸出模型。本次實(shí)驗(yàn)瓦片數(shù)量42，大小60米。模型成果見下圖所示。

2.3.5 三維模型精度評(píng)定分析

根據(jù)三維模型相關(guān)規(guī)范要求，從平面精度、DOM精度、模型精細(xì)度和紋理等多個(gè)方面進(jìn)行評(píng)估表述。

（1）平面精度：平面精度以平面中誤差為指標(biāo)，通過(guò)在校區(qū)內(nèi)用RTK打15個(gè)特征點(diǎn)，作為精度的檢查點(diǎn)，在模型測(cè)出這些點(diǎn)坐標(biāo)，根據(jù)中誤差公式計(jì)算，驗(yàn)證是否符合規(guī)范。經(jīng)計(jì)算得到此模型的精度為0.04m，遠(yuǎn)高于1:1000測(cè)圖下模型精度0.8m的要求。

（2）高程精度：高程精度通過(guò)對(duì)校園建筑物高度進(jìn)行分析。在校內(nèi)選擇15座建筑物，測(cè)量其實(shí)際高度，與模型量測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較并計(jì)算出高度中誤差。經(jīng)計(jì)算模型高度中誤差為0.148 m，符合規(guī)范中1M的要求。

（3）DOM精度：此次三維模型地面分辨率為0.04m，符合規(guī)范要求。

（4）模型精細(xì)度：模型精細(xì)度主要從建筑要素模型、植被要素模型以及管線地下空間要素模型等方面來(lái)參考評(píng)定。本次生產(chǎn)的校區(qū)模型，主要涵蓋了校園內(nèi)部的建筑表現(xiàn)、地形起伏變化以及細(xì)節(jié)表現(xiàn)，滿足I級(jí)模型，但是表現(xiàn)不了地下空間特征。

（5）紋理主要通過(guò)已經(jīng)拍攝的照片和補(bǔ)拍一些不清晰的區(qū)域照片，并對(duì)照片進(jìn)行處理，從而修飾模型的紋理。本模型達(dá)到了I級(jí)模型的紋理精度要求。

3 結(jié)語(yǔ)

本文基于 Smart3D 的三維實(shí)景建模方案的設(shè)計(jì)，在無(wú)人機(jī)傾斜影像的基礎(chǔ)上構(gòu)建校園三維場(chǎng)景模型，而且模型精度遠(yuǎn)超于的單鏡頭航測(cè)模型精度,具有較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。此成果通過(guò)可視化和分析為校園虛擬規(guī)劃提供依據(jù)的同時(shí)，還能為構(gòu)建校園三維GIS平臺(tái)提供支撐的數(shù)據(jù)。