基于傾斜攝影的實景三維建模技術(shù)實踐

韓婷婷　趙琳　范憲創(chuàng)　歐陽亞麗

摘? 要：隨著攝影測量技術(shù)的飛速發(fā)展，實景三維建模在智慧水利、智慧城市等各個領(lǐng)域得到了廣泛應用。憑借其直觀、真實、多維度虛擬現(xiàn)實等優(yōu)勢對智慧水利的發(fā)展產(chǎn)生了重要影響。文章利用傾斜攝影技術(shù)對平寨水庫的壩址區(qū)進行周期性實景三維建模，下視影像分辨率優(yōu)于3 cm，可以全方位立體展示工程的建設(shè)過程。結(jié)果表明：傾斜攝影實景三維模型紋理真實，幾何結(jié)構(gòu)完整，具有測繪級量測精度，大大節(jié)省了時間和資金成本，為“智慧水利”建設(shè)提供了重要支撐。

關(guān)鍵詞：智慧水利；實景三維模型；紋理；精度

中圖分類號：P231；TP39? 文獻標識碼：A? 文章編號：2096-4706（2023）12-0108-04

Practice of Real-Scene 3D Modeling Technology Based on Tilting Photography

—A Case of Pingzhai Reservoir

HAN Tingting1， ZHAO Lin1， FAN Xianchuang2，3， OUYANG Yali4

（1.China Water Resources Beifang Investigation， Design & Research Co.， Ltd.， Tianjin? 300222， China; 2.College of Artificial Intelligence， North China University of Science and Technology， Tangshan? 063210， China; 3.Hebei Key Laboratory of Industrial Intelligent Perception， Tangshan? 063210， China; 4.Beijing Jingshan School Caofeidian Branch， Tangshan? 063209， China）

Abstract： With the rapid development of the photogrammetry technology， real-scene 3D modeling in smart water conservancy， smart city and other fields has been widely used. With its intuitive， real， multi-dimensional virtual reality and other advantages， it has an important impact on the development of smart water conservancy. This paper uses tilting photography technology to product periodic real-scene 3D modeling for the dam site area of Pingzhai Reservoir， and the visual image resolution is better than 3 cm， which can show the construction process of the project in all directions. The results show that the real-scene 3D model of tilting photography has real texture， complete geometric structure and surveying accuracy， which greatly saves time and capital cost. It provides important support for the construction of “smart water conservancy”.

Keywords： smart water conservancy; real-scene 3D model; texture; precision

0? 引? 言

傾斜攝影技術(shù)是一種多視角技術(shù)，旨將多臺傳感器搭載在同一飛行平臺上[1，2]，經(jīng)過一次航飛獲取五個不同角度的影像，包括下視、后視、前視、左視、右視，垂直地面角度拍攝的影像則為正片，鏡頭朝向與地面有一定夾角拍攝的影像則為斜片，即前視、后視、左視、右視，通過慣導系統(tǒng)精確定位功能獲取影像對應的空間位置和姿態(tài)信息，使地面物體信息更為完整準確，傳統(tǒng)的傾斜航空攝影，只能獲得垂直方向的影像數(shù)據(jù)，無法獲取物體側(cè)面豐富的紋理信息和結(jié)構(gòu)，無法實現(xiàn)三維建模，更無法實現(xiàn)高精度、高質(zhì)量的需求，傾斜攝影恰好彌補垂直攝影的缺點，可同時獲取5個不同角度的影像信息，獲取數(shù)據(jù)的性價比很高，高效低成本，一個中小城市建模工作如果采用人工建模的方式完成，需要一兩年的時間，若改成傾斜攝影測量方式，則可能三四個月時間就完成，很大程度上減少了三維模型數(shù)據(jù)采集時間，也降低了成本，并且模型具有真實效果，能保證測量精度，大大提升了模型的生產(chǎn)效率[3]。

1856年，納達爾在法國拍攝了第一張航空傾斜攝影，打開了航空攝影測量的大門，起初，傾斜攝影更多的應用于軍事方面，隨著GPS技術(shù)的飛速發(fā)展，傾斜攝影有了新的研究方向，推動了傾斜攝影技術(shù)的發(fā)展。國外，美國的Pictometry公司最早研究出對影像的紋理提取和貼附，之后徠卡公司推出了不同角度拍攝的相機，伴隨傾斜攝影的出現(xiàn)，很多軟件公司研發(fā)出了影像處理軟件，如法國的街景工廠和Smart 3D Capture；國內(nèi)，傾斜影像測量技術(shù)起步相對較晚，2010年剛剛興起，天下圖公司率先引進傾斜攝影測量技術(shù)[4]，并引起學者們紛紛探討，隨后國內(nèi)的建模軟件也逐漸興起，如Photoscan、Pix4D、Phomesh等，使實景三維建模技術(shù)更加廣泛應用[5]。

傾斜攝影三維建模技術(shù)是當前比較流行的一種方式，本文對同一區(qū)域開展不同時期的實景三維建模，清晰看出同一區(qū)域不同時期的變化，輔助現(xiàn)場施工人員進行立體展示，為其提供決策作用。三維建模的技術(shù)流程主要包括通過獲取傾斜影像數(shù)據(jù)和像控點與檢查點、空中三角測量、實景三維模型的制作。整體技術(shù)流程如圖1所示。

1? 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)介紹

1.1? 項目概況

測區(qū)屬喀斯特盆地地貌，漣江縱貫全境，太陽地貌—著名的洛平避暑勝地—漣江沖積平原面積90 km2，土地肥沃，阡陌縱橫，平疇綠野，生機盎然?？h境位于苗嶺山地南端，北連黔中山原，南接黔南峽谷，正好是苗嶺山地向廣西丘陵盆地過渡的斜坡地帶，北高南低，測區(qū)位于貴州惠水縣平寨鄉(xiāng)，地理位置位于東經(jīng)106° 39′ 20″ E～106° 55′ 30″ E，北緯25° 36′ 00″ N～25° 35′ 51″ N。坐標系統(tǒng)采用CGCS2000坐標系，3°分帶，中央經(jīng)線為東經(jīng)105°。測區(qū)氣候?qū)賮啛釒Ъ撅L氣候，四季分明，冬春冷涼干旱，夏季炎熱多雨，年平均氣溫17 ℃左右，1月平均氣溫-7 ℃，7月平均氣溫24 ℃，生長期年平均300天，無霜期年平均269天，最長293天，最短221天，年平均日照時數(shù)1 232小時，0 ℃以上持續(xù)期300天，年降雨量約1 200 mm，測區(qū)自然資源豐富，土壤肥沃，雨量充沛。平寨鄉(xiāng)境內(nèi)地形為山區(qū)，地勢略呈中間低、四周高，地面一般海拔700 m，最高點位于平途村俾腳坡，海拔1 386 m，最低點位于高伸村唐朗寨，海拔470 m，測區(qū)范圍如圖2所示。

1.2? 傾斜影像獲取

本項目采用大疆M600pro無人機搭載MS Q5五鏡頭傾斜攝影測量系統(tǒng)對測區(qū)進行傾斜攝影測量，大疆M600pro延續(xù)了經(jīng)緯M600的高負載和優(yōu)秀的飛行性能，采用模塊化設(shè)計，進一步提升了可靠性，使用更便捷，大疆M600pro采用的是多軸機比較常見的機臂向下折疊方式，能有效節(jié)省運輸空間。大疆M600pro具體外觀如圖3所示。

MS Q5是一套專用微型無人機搭載的傾斜攝影系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以同步拍攝5個朝向的影像，傾斜角度為45°，并且具備超輕量的負重及體積，該系統(tǒng)采用密封化設(shè)計，具備良好的防塵及防雨能力，5個朝向的影像傳感器均可以進行更換不同鏡頭。具體參數(shù)如表1所示。

由于傾斜航空影像的空三加密是通過多視匹配算法完成的，若想匹配更多的同名點，需要影像重疊度足夠大，則下視影像的航向重疊度約75%，旁向重疊度約為70%。本項目是周期進行傾斜影像數(shù)據(jù)獲取，以3次周期為例，第一次原始航飛影像數(shù)量約4 454張，飛行3個架次，有效航攝面積約0.6 km2，第二次原始航飛影像數(shù)量約4 734張，飛行3個架次，有效航攝面積約0.6 km2，第三次原始航飛影像數(shù)量約7 194張，飛行3個架次，有效航攝面積約0.6 km2，且影像質(zhì)量符合要求，滿足使用條件。航飛示意圖如圖4所示。

1.3? 像控點布設(shè)和采集

此次測區(qū)位于農(nóng)村鄉(xiāng)鎮(zhèn)，地物特征不夠多，作為像片控制點的目標地物過少，需要提前布設(shè)部分靶標作為像控點；控制點通常布設(shè)在地形高程起伏較小、地勢相對平整空曠的地方。為保證三維模型的精度，像片控制點按照每航向0.3 km、旁向0.3 km布設(shè)成網(wǎng)格狀[6]。同時為了檢查三維模型的平面精度和高程精度，在測區(qū)范圍采集一定數(shù)量的檢查點，檢查點要均勻分布在整個測區(qū)，通常選取較容易區(qū)分的地面點，如路口、房角、墩臺等；本項目根據(jù)實際情況采用網(wǎng)絡(luò)RTK測量了19個像控點和8個檢查點，保證了傾斜模型的精度。像控點和檢查點示意圖如圖5所示，紅色（深色×）的是像控點，黃色（淺色×）的是檢查點。

2? 實景三維建模的實踐——以平寨水庫為例

2.1? 實景三維模型的構(gòu)建

傾斜攝影能同時獲得垂直方向和傾斜數(shù)據(jù)，因此有多視影像，主要包括三部分，有地面飛控系統(tǒng)、無人機和控制測量，在獲得影像數(shù)據(jù)時，若想得到準確的數(shù)據(jù)，需對原始數(shù)據(jù)進行預處理，無論有無控制點，都可以利用相關(guān)軟件實現(xiàn)三維場景，后續(xù)經(jīng)過軟件處理，可獲得三維模型的各個量，根據(jù)新式測量方法，自動匹配各個影像，聯(lián)合多視影像生成連接線，得出平差方程，然后進行聯(lián)合運算以得到精準的結(jié)果。

攝影測量中的一個重難點是影像匹配，匹配算法主要有三個，包括灰度、特征和關(guān)系匹配算法，傾斜攝影的不同視角差距很大，且范圍也大，所以導致傾斜影像間會存在一定程度的幾何畸變，加大了影像匹配的難度，點云匹配中會存在大量冗余信息，為了保證數(shù)據(jù)的準確性，得到精確的結(jié)果，此冗余信息不能忽略，為了找到同名點對應的影像信息，需要消耗足夠的時間，這個過程至關(guān)重要，傾斜攝影測量具有辨識多視影像功能，自動獲取影像信息，同時將地物的特性轉(zhuǎn)成對應的可以識別的矢量信息，為建模做好準備。

采用Context Capture Center軟件構(gòu)建模型，首先計算特征點，并把相應的特征點提取出來，隨后進行同名點匹配，主要有多視匹配和密集匹配等技術(shù)[7]，為了獲得準確的外方位元素，進行迭代平差優(yōu)化、畸變差校正等過程。

根據(jù)外業(yè)測量像控點文件，在下視影像及傾斜影像相應位置分別添加像控點。像控點選取影像清晰，選點處無遮擋，點位遠離影像邊緣，每個像控點刺點選取不同鏡頭影像共約20張影像。在刺完像控點以及添加連接點后，進行空中三角測量平差計算，直至空三結(jié)果正確且精度滿足項目要求為止，空中三角測量成果示意圖如圖6所示。

空三完成合格后，通過影像間密集匹配，獲取海量的匹配點云，運算生成基于真實影像的超高密度點云，通過后續(xù)的紋理編輯和模型優(yōu)化，將模型按照CGCS2000空間坐標系統(tǒng)輸出，為了快速完成建模和有足夠的空間存放數(shù)據(jù)，通常將模型瓦片大小設(shè)成100 m×100 m的，質(zhì)量選擇為最優(yōu)，格式選擇通用的OSGB，模型構(gòu)建完成后[8]，對模型進行修飾，修整水面、刪除漂浮物等，并對模型質(zhì)量進行檢查，生成滿足要求的實景三維模型。

2.2? 周期性模型對比

通過三個不同時期的實景三維模型對比，可以清晰看出施工現(xiàn)場和水庫的實景變化，全方位立體展示工程的建設(shè)過程，對智慧水利發(fā)展提供重要數(shù)據(jù)支撐。如圖7和圖8所示，分別是工地和水庫的實景三維模型對比圖。

2.3? 精度分析

為了分析實景三維模型的精度，外業(yè)人員在測區(qū)范圍內(nèi)均勻布設(shè)了8個檢查點，以外業(yè)實測數(shù)據(jù)為真值，同時讀取模型上的坐標值，統(tǒng)計出兩者之間的差值，具體如表2所示，完全滿足項目的精度要求。

3? 結(jié)? 論

隨著智慧化進程的加快，利用無人機傾斜攝影構(gòu)建實景三維模型非常受大眾歡迎，具有高效低成本的優(yōu)勢，性價比極高，大大影響了智慧水利的發(fā)展，發(fā)揮了極好的作用，對水資源管理的數(shù)字化和智能化有重要的支撐，實景三維數(shù)據(jù)為智慧水利提供三維一體化的數(shù)據(jù)來源，在智慧水利方面發(fā)揮著重要作用。傾斜攝影實景三維技術(shù)的出現(xiàn)解決了傳統(tǒng)手工三維建模低效率、周期長、真實性差的問題，但是由于地物的光反射性質(zhì)，模型有空洞，存在局部模型細節(jié)不清的情況，影響視覺效果和精度，還需要后續(xù)進一步研究。

參考文獻：

[1] 譚金石，黃正忠.基于傾斜攝影測量技術(shù)的實景三維建模及精度評估 [J].現(xiàn)代測繪，2015，38（5）：21-24.

[2] 李鎮(zhèn)洲，張學之.基于傾斜攝影測量技術(shù)快速建立城市3維模型研究 [J].測繪與空間地理信息，2012，35（4）：117-119.

[3] 吳征宇，馮成武.基于無人機傾斜攝影的城市三維建模方法研究 [J].科技資訊，2017，15（26）：55-56.

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[5] 李芳，劉洋洋，李孫桂.基于無人機傾斜攝影測量技術(shù)的三維建模和精度分析 [J].江西測繪，2019（3）：40-42.

[6] 楊春明.智慧城市三維建模的無人機傾斜攝影測量技術(shù) [J].中國房地產(chǎn)業(yè)，2019（26）：35.

[7] 常龍，游華武.基于無人機傾斜攝影數(shù)據(jù)的實景三維建模探究 [J].科技資訊，2021，19（25）：12-13+16.

[8] 連蓉，丁憶，胡艷，等.旋翼無人機傾斜攝影實景三維建模技術(shù)研究 [J].地理空間信息，2018，16（7）：54-57+10.

作者簡介：韓婷婷（1990—），女，漢族，吉林德惠人，工程師，碩士，研究方向：遙感及攝影測量；通訊作者：范憲創(chuàng)（1989—），男，漢族，山東兗州人，講師，碩士，研究方向：遙感與地理信息系統(tǒng)。

收稿日期：2022-12-16

基金項目：華北理工大學省屬高?；究蒲袠I(yè)務費項目（JQN2022006）