基于“傾斜+近景”三維建模技術(shù)的城市實(shí)景三維建設(shè)

閔虎

（長沙測繪有限公司，湖南 長沙 410000）

1 引言

隨著云計(jì)算、大數(shù)據(jù)和空間地理信息集成等技術(shù)的飛速發(fā)展，政府?dāng)?shù)字化轉(zhuǎn)型、基層治理、自然資源管理“一張圖”建設(shè)進(jìn)入了嶄新階段[1,2]。三維地理信息比二維地理信息具有更為直觀的空間展示、更加強(qiáng)大的多維空間分析功能[3]，越來越得到用戶的青睞。2022 年2 月，自然資源部辦公廳印發(fā)《關(guān)于全面推進(jìn)實(shí)景三維中國建設(shè)的通知》，明確了實(shí)景三維中國建設(shè)的目標(biāo)、任務(wù)及分工等，并將建立和更新城市三維實(shí)景數(shù)據(jù)納入基礎(chǔ)測繪范疇。

近年來，為動(dòng)態(tài)掌握城市建設(shè)現(xiàn)狀及變化情況，多地采用傾斜攝影測量開展城市三維地理信息數(shù)據(jù)采集，獲取城市實(shí)景三維地理信息數(shù)據(jù)[4,5]。利用傾斜攝影測量開展實(shí)景三維建模具有生產(chǎn)速度快、模型效果真實(shí)、細(xì)節(jié)豐富、成本低廉等諸多優(yōu)勢[6]，但因復(fù)雜的城市建筑高度和建筑密度，以及無人機(jī)在空中傾斜航攝時(shí)的拍攝角度容易形成拍攝盲區(qū)[7]，導(dǎo)致建筑貼近地面區(qū)域、被屋檐遮擋區(qū)域及建筑密集區(qū)域地物的細(xì)節(jié)紋理信息不足或丟失[8]，實(shí)景三維模型放大后會(huì)存在局部粘連、拉花、漏洞以及標(biāo)語字跡辨識(shí)度不高等問題[9]，后期修模需要補(bǔ)拍大量照片，大大增加了工作量。

研究以某地城市三維地理信息數(shù)據(jù)采集項(xiàng)目為例，對(duì)地標(biāo)建筑、歷史建筑等部分重點(diǎn)建筑或區(qū)域進(jìn)行超低空繞飛（貼近建筑或環(huán)繞建筑飛行），獲取更多側(cè)面紋理（近景影像），對(duì)建筑物粘連、屋檐遮擋區(qū)域采取“傾斜+近景”相融合的方式提升實(shí)景三維模型的側(cè)面紋理效果，并利用相機(jī)采用人工拍照模式來補(bǔ)充道路兩側(cè)建筑物的細(xì)節(jié)信息，生成道路兩側(cè)精細(xì)化的實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)。通過采取從前端優(yōu)化數(shù)據(jù)采集和后端“傾斜+近景”融合建模的方式進(jìn)行實(shí)景三維模型精細(xì)化重建，有效改善實(shí)景三維模型效果，實(shí)踐證明了該方法的有效性。

2 工程案例

某地城市三維地理信息數(shù)據(jù)采集項(xiàng)目需要獲取地面分辨率優(yōu)于3cm 的傾斜航攝影像，進(jìn)行城市實(shí)景三維模型生產(chǎn)，測區(qū)范圍約45平方公里，具體如圖1所示。項(xiàng)目采用大鵬CW-10 固定翼無人機(jī)搭載RIY-DG4pros傾斜航攝相機(jī)，以及哈瓦M(jìn)EGA V8 Ⅲ多旋翼無人機(jī)搭載HARWAR-YT-5POPC Ⅳ傾斜航攝相機(jī)組建無人機(jī)航攝系統(tǒng)。

圖1 測區(qū)范圍

2.1 航線設(shè)計(jì)

攝區(qū)的東部及南部屬于平坦的農(nóng)村區(qū)域（即建筑稀疏區(qū)）、西南部屬于高山區(qū)域，其他區(qū)域?yàn)槌鞘薪ㄖ芗瘏^(qū)。航攝分區(qū)以此為界劃分不同的分區(qū)，且分區(qū)界線盡量沿道路或水系進(jìn)行劃分，分區(qū)的地形高差（或建筑高差）一般不大于1/3 航高。同時(shí)，航線設(shè)計(jì)應(yīng)保證各視角的傾斜相機(jī)均覆蓋整個(gè)攝區(qū)，航向與旁向覆蓋超出攝區(qū)邊界線不少于1 個(gè)航高；分區(qū)邊界線覆蓋應(yīng)滿足分區(qū)各自滿幅的要求，分區(qū)之間不應(yīng)存在漏洞。

本次無人機(jī)航飛整體采用南北方向設(shè)計(jì)航線，因攝區(qū)主要位于城區(qū)，考慮到房屋密度高、建筑物遮擋等復(fù)雜情況，為保障實(shí)景三維模型效果，需要采用大重疊設(shè)計(jì)方案，增大無人機(jī)的航向重疊度和旁向重疊度。項(xiàng)目采用航向重疊度為80%，旁向重疊度為75%，對(duì)于建筑物高度大于航高1/3 以上區(qū)域，需以高樓區(qū)域建筑頂部的平均高程為基準(zhǔn)，按0.02m 地面分辨率，重新設(shè)計(jì)航線進(jìn)行分層補(bǔ)飛，航攝外擴(kuò)范圍也應(yīng)大于1 個(gè)相對(duì)航高。

2.2 控制點(diǎn)布設(shè)

項(xiàng)目采用帶有IMU/GPS 輔助航空攝影的無人機(jī)航攝系統(tǒng)，航飛時(shí)具有完整的POS 數(shù)據(jù)，根據(jù)《1∶500 1∶1000 1∶2000 地形圖航空攝影測量外業(yè)規(guī)范》（GB/T7931-2008）的要求，約每隔200～250m 布設(shè)一個(gè)像控點(diǎn)，每平方公里布設(shè)16～20 個(gè)像控點(diǎn)。采用連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)RTK 技術(shù)直接測定像控點(diǎn)的平面坐標(biāo)及大地高；當(dāng)因建筑物、植被遮擋造成系統(tǒng)服務(wù)信號(hào)不穩(wěn)定時(shí)，可采用GPS 靜態(tài)測量。測量結(jié)束后，利用似大地水準(zhǔn)面精化成果進(jìn)行高程異常改正，得到各像控點(diǎn)的正常高值。

2.3 航攝采集

本次航攝中，城市建筑密集區(qū)域采用大鵬CW-10固定翼無人機(jī)搭載RIY-DG4pros 傾斜航攝相機(jī)進(jìn)行航飛，航高設(shè)置為248m；在平坦且建筑稀疏區(qū)或建筑高度不高的區(qū)域及山區(qū)，采用哈瓦M(jìn)EGA V8 Ⅲ多旋翼無人機(jī)搭載HARWAR-YT-5POPC Ⅳ傾斜航攝相機(jī)進(jìn)行航飛，航高設(shè)置為156m。對(duì)政府、廣場、體育館、客運(yùn)中心等26 個(gè)重要區(qū)域，采用“傾斜+近景”相融合的模式采集實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)，即在傾斜航攝常規(guī)航線飛行的基礎(chǔ)上，利用無人機(jī)（搭載單鏡頭）對(duì)建筑物進(jìn)行繞飛，獲取建筑物的近景影像，整體提高模型的紋理質(zhì)量。在利用無人機(jī)進(jìn)行建筑物繞飛過程中，如遇到建筑物的高度大于30m 時(shí)，應(yīng)按照不同飛行高度進(jìn)行盤旋繞飛。

3 三維建模

3.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

在聯(lián)合空中三角測量和模型構(gòu)建之前，需要對(duì)原始航攝影像進(jìn)行預(yù)處理，包括數(shù)據(jù)檢查處理、影像勻光勻色處理和POS 數(shù)據(jù)規(guī)范化處理等。

3.2 空中三角測量

項(xiàng)目采用ContextCapture 實(shí)景三維建模軟件，加載影像數(shù)據(jù)和POS 數(shù)據(jù)，針對(duì)獲取的特征點(diǎn)采用多像密集匹配技術(shù)自動(dòng)匹配同名點(diǎn)，并進(jìn)行粗點(diǎn)檢測，構(gòu)建自由網(wǎng)，進(jìn)行光束法自由網(wǎng)平差。然后輸入像控點(diǎn)坐標(biāo)，刺點(diǎn)后進(jìn)行光束法區(qū)域網(wǎng)平差，并根據(jù)平差結(jié)果進(jìn)行反復(fù)調(diào)整，直到空三結(jié)果滿足需求，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)傾斜航攝影像的空三解算，空中三角測量結(jié)果如圖2所示。

圖2 空中三角測量結(jié)果

3.3 三維模型構(gòu)建

三維模型構(gòu)建主要包括點(diǎn)云密集匹配、TIN 模型構(gòu)建和紋理自動(dòng)映射三個(gè)步驟[10]。

（1）點(diǎn)云密集匹配

根據(jù)空中三角測量運(yùn)算出的影像外方位元素，通過多視影像密集匹配可獲得高密度的數(shù)字點(diǎn)云。密集點(diǎn)云數(shù)據(jù)量較大，需要先將數(shù)據(jù)分塊后再進(jìn)行不同層次細(xì)節(jié)度下的TIN 模型構(gòu)建。

本項(xiàng)目Tile 設(shè)定為130m×130m 的網(wǎng)格切塊。利用密集匹配技術(shù)，系統(tǒng)根據(jù)高精度的影像匹配算法，對(duì)子區(qū)塊內(nèi)包含的所有立體像對(duì)進(jìn)行點(diǎn)云匹配計(jì)算，自動(dòng)匹配出所有影像中的同名點(diǎn)，并從影像中抽取更多的特征點(diǎn)構(gòu)成密集點(diǎn)云，從而更精確地表達(dá)地物的細(xì)節(jié)。密集點(diǎn)云效果如圖3 所示。

圖3 密集點(diǎn)云效果

（2）TIN 模型構(gòu)建

密集點(diǎn)云數(shù)據(jù)量較大，需要先將數(shù)據(jù)分塊等處理后構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN），再使用軟件對(duì)匹配輸出結(jié)果簡化，通過對(duì)連續(xù)曲面變化的分析，對(duì)相對(duì)平坦地區(qū)的TIN 網(wǎng)進(jìn)行簡化，使得該范圍內(nèi)三角網(wǎng)密度降低。TIN 模型構(gòu)建結(jié)果如圖4 所示。

圖4 TIN模型構(gòu)建

（3）紋理映射

首先對(duì)優(yōu)化后的TIN 模型和紋理影像進(jìn)行關(guān)聯(lián)配準(zhǔn)，為每個(gè)三角形建立對(duì)應(yīng)的紋理信息，并將TIN 模型和紋理影像之間的關(guān)聯(lián)保存在文件中，得到帶紋理的模型。然后建立多細(xì)節(jié)層次LOD 以優(yōu)化文件組織結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)在模型分層瀏覽時(shí)的效率。最后將得到的LOD 結(jié)構(gòu)模型文件轉(zhuǎn)換為OSGB 格式輸出，模型成果如圖5 所示。

圖5 模型成果

3.4 模型修飾

部分自動(dòng)生成的實(shí)景三維模型，在鏡面（諸如水面、玻璃等）材質(zhì)部分、細(xì)小地物部分，由于同名點(diǎn)無法精確匹配或者鏡面倒影對(duì)同名點(diǎn)造成干擾等因素，實(shí)景三維模型與實(shí)際情況存在一定的偏差。為保證實(shí)景三維模型最終整體效果，需要利用DP-Modeler 三維模型修飾軟件對(duì)模型成果中普遍存在的問題進(jìn)行整體修飾。整體修飾內(nèi)容包括：不明懸浮物刪除、水面與路面破洞修補(bǔ)、水面與路面壓平、重疊面片清理、立交橋貫通、模型接邊處紋理顏色處理（不同相機(jī)或不同分區(qū)的模型在接邊處色彩要過渡自然，不突兀），以及道路中不完整車輛刪除或壓平處理等。部分模型修飾效果如圖6 所示。

圖6 模型修飾效果

3.5 數(shù)據(jù)質(zhì)檢

采用概查與詳查相結(jié)合的方式對(duì)數(shù)據(jù)成果進(jìn)行質(zhì)量檢查。首先對(duì)數(shù)據(jù)成果進(jìn)行整體概查，主要對(duì)數(shù)據(jù)成果的空間參考系、位置精度、完整性、整體表征質(zhì)量等質(zhì)量元素作為特定檢查項(xiàng)進(jìn)行檢查。其次進(jìn)行詳查，對(duì)要素進(jìn)行100%的檢查。當(dāng)概查和詳查均為合格時(shí)，才能進(jìn)行下一步檢查流程，當(dāng)檢查結(jié)果不合格時(shí)退回作業(yè)組進(jìn)行修改，修改后的成果應(yīng)重新檢查。質(zhì)量檢查完成后，進(jìn)行精度檢查，將CORS-RTK 外業(yè)實(shí)際觀測得到的26 個(gè)檢查點(diǎn)坐標(biāo)與ContextCapture 軟件讀取到的坐標(biāo)進(jìn)行比對(duì)，用于評(píng)定三維建模的精度，精度統(tǒng)計(jì)如表1 所示。由表1 可知，三維模型的平面位置誤差和高程中誤差滿足相關(guān)傾斜攝影測量三維產(chǎn)品規(guī)范中“1∶1000 比例尺成果平面位置誤差不超過0.2m，高程中誤差不超過0.2m”的要求。

表1 模型精度統(tǒng)計(jì)

4 結(jié)束語

傾斜攝影測量是開展城市實(shí)景三維建設(shè)的主要技術(shù)，如何提高三維建模的質(zhì)量和精度是應(yīng)用該技術(shù)的關(guān)鍵。本文在同一測區(qū)，采用了不同飛行器、不同航攝相機(jī)和不同的飛行方式，利用前端優(yōu)化數(shù)據(jù)采集和后端“傾斜+近景”融合建模的方式進(jìn)行實(shí)景三維模型精細(xì)化重建，有效改善實(shí)景三維模型效果，實(shí)踐證明了該方法的有效性，可以為相關(guān)工程實(shí)踐提供一定借鑒。