倾斜影像三维建模方法与应用

李永利 卢小平 侯 岳

倾斜影像三维建模方法与应用

李永利1卢小平1侯 岳2

（1.河南理工大学测绘与国土信息工程学院，河南 焦作 454003；2.河南省测绘工程院，河南 郑州 450003）

随着无人机倾斜摄影技术的迅速发展，实景三维模型逐渐成为众多行业进行各种需求分析的重要数据源，精细化实景快速三维建模技术也成为当前研究的热点。本文基于无人机倾斜影像数据，建立基于Smart 3D平台的实景快速三维建模方法与技术流程，并利用舞钢市的倾斜摄影数据进行实际应用与验证，结果证明：该方法具有自动化程度高、三维建模速度快、真实度效果好等特点。

无人机；Smart 3D；实景三维建模；倾斜摄影

近年来，倾斜摄影技术在现代测绘技术领域取得了蓬勃发展，尤其在国土测绘、智慧城市、灾害应急等领域得到了广泛应用。倾斜摄影技术通过在同一飞行平台上搭载多个传感器（1个垂直摄影相机、4个倾斜摄影相机），从而获取地物顶面及侧面的纹理信息［1-2］。其中，4个倾斜相机的倾斜角度为40°～45°，传感器上方安置的机载POS系统可在曝光瞬间获取较为准确的外方位元素。倾斜摄影测量技术可以获取大范围、高精度、高清晰的复杂场景影像，并通过快速建模技术实现对三维地物的外观、坐标等属性的真实描述，既满足了人们对三维信息的需求，同时又增强了三维数据所带来的真实感，并且能达到测绘精度［3-4］。倾斜摄影技术有效提高了三维建模的生产效率，大大降低了三维模型数据采集的经济成本和时间代价［5］。目前，国内外已广泛开展了倾斜摄影测量技术的应用，倾斜摄影建模数据也逐渐成为城市地理空间框架建设的重要内容。

本文基于Smart 3D软件对高精度实景三维建模方法进行研究，利用无人机搭载五镜头倾斜摄影获取空间影像信息，仅通过少量的人工干预实现三维模型的快速精确建模。

1 基于Smart 3D的倾斜摄影三维建模

Smart 3D软件由主控台和引擎端两大模块组成，可以快速、直观地实现从一组倾斜影像构建全要素精细并带有纹理的三维网格模型，快速还原真实场景，具有建模快速、逼真等优势［6］。

1.1 基于Smart 3D的倾斜摄影三维建模原理

Smart 3D三维建模的原理是区域网联合平差及多视角影像匹配，软件通过空三加密解算出大量连接点，并据此构建不规则三角网TIN、生成三维框模，通过三维模型与影像真实空间信息，实现三维模型表面纹理的自动映射，从而建立具有真实、自然纹理的高分辨率实景三维模型［7］。

1.2 基于Smart 3D的倾斜摄影三维模型数据及特点

由于倾斜影像具有高分辨率、高重叠度，能生成高度密集且数量巨大的稠密点云，参与模型计算的数据量过大［8］，因此，需要对数据进行适量简化，然后构建TIN，实现三维模型的快速生产。Smart 3D生产出来的倾斜模型自带多级LOD，一般至少有五六层，多则达到10层以上。

此外，Smart 3D具有广泛的数据源兼容性，能接受各种硬件采集的原始数据，如大型固定翼飞机、载人直升机、各种无人机、街景车、手持式数码相机甚至手机等，并直接将这些数据还原成连续真实的三维模型。

Smart 3D的模型输出格式有obj、osgb、dae等通用兼容格式，能方便导入各种主流GIS应用平台，可生成超过20级金字塔级别的模型精度等级，能流畅应对本地访问或是基于互联网的远程访问浏览。

1.3 基于Smart 3D的倾斜摄影三维建模处理流程

基于Smart 3D的倾斜摄影三维建模基本流程见图1。

图1 Smart 3D建模流程图

①准备工作。在进行三维建模前，需对原始影像数据进行整理，并根据相机参数、POS信息等，按照一定的格式创建一个Excel表，即EO文件，该文件为索引文件，将影像导入软件以便进行后期处理。倾斜多角度影像数据是将原始影像按照各个相机进行分组，并以分组形式存放在指定目录，相机的cammera文件与图片的POS数据作为辅助数据能有效提高空三处理效率及精度。

②空三加密。从影像中自动提取出大量特征点，并对这些特征点进行多视角同名点匹配，反算出每张影像的外方位元素。空三加密完成后，可以查看整个航带的飞行情况、空三点的位置密度、每张影像的相对位置及覆盖范围方位角等信息。

③控制点导入。控制点导入后需要再次进行空三加密，如果第一次空三加密前通过EO文件导入Block，则可省去再次空三加密。通常情况下，选择空三加密后导入控制点是因为两次空三加密所需时间比导入控制点后进行一次空三加密少，且还可以通过空三加密出来的航带信息，快速找到控制点在哪些图片上，减少控制点的刺点时间。

④模型贴图。通过选择tile的尺寸大小对模型进行分块，并将Smart 3D计算结果不理想的或空洞部分导出到第三方软件里进行修改编辑，达到减少数据导出量，快速整合数据、更新数据的目的。将修改后的模型通过Smart 3D回炉功能重新整合输出，最终实现实景三维的建立。

2 舞钢市倾斜摄影三维建模应用

本次试验以舞钢市为研究对象，通过ARC-524倾斜相机获取高清影像，包含1个正视和4个侧视数据。任务区面积为7.7km²，平均飞行高度为250m，共分为5个测区，包含18个架次，总计18 435张影像。空三处理效果如图2所示。

图2 空三效果

三维重建，通过纹理自动映射进行纹理贴图，形成最终的具有真实纹理信息的三维模型，其生产过程如图3所示。

舞钢市倾斜摄影三维建模，采用DELLT5600台式计算机，建模面积为7.7km2，共运行21天，模型处理速度平均为：0.06km2/（天·台）。与传统的模型对比，Smart 3D具有如下优势（见表1）。

3 结语

本文主要介绍了利用倾斜摄影技术自动构建三维模型的原理和流程，并以舞钢市倾斜数据为实验数据进行处理。结果表明：Smart 3D打破了智慧城市建设过程中存在的城市三维模型采集制作周期长、建模费用高、测量精度差、感官不真实等问题，为智慧城市提供了高效、真实的数据支持。

图3 三维模型

表1 Smart 3D与传统建模的对比

［1］沈大勇，杨正银，李跃宇.震后北川县城三维建模方法研究［J］.测绘，2011（6）：259-262.

［2］孙宏伟.基于倾斜摄影技术的三维数字城市建模［J］.现代测绘，2014（1）：18-21.

［3］桂德竹，林宗坚，张成成.倾斜航空影像的城市建筑物三维模型构建研究［J］.测绘科学，2012（4）：140-142.

［4］李镇洲，张学之.基于倾斜摄影测量技术快速建立城市3维模型研究［J］.测绘与空间地理信息，2012（4）：117-119.

［5］朱铁稳，王勇.大倾斜航空摄影图像地理坐标赋予方法［J］.海洋测绘，2010（4）：23-26.

［6］王伟，黄雯雯，镇姣.倾斜摄影技术及其在三维城市建模中的应用［J］.测绘与空间地理信息，2011（3）：181-183.

［7］张骥，高钊，陈蓉.基于Leica RCD 30倾斜航摄仪和Smart 3D技术快速进行三维实景生产［J］.测绘技术装备，2014（3）：61-64.

［8］曲林，马洋，支玲美，等.基于无人机倾斜摄影数据的实景三维建模研究［J］.测绘与空间地理信息，2015（3）：38-39.

Three Dimensional Modeling Method and Application of Oblique Image

Li Yongli1Lu Xiaoping1Hou Yue2
（1.College of Surveying and Land Information Engineering,Henan Polytechnic University，Jiaozuo Henan 454003；2.Henan Institute of Surveying and Mapping，Zhengzhou Henan 450003）

With the rapid development of photography without tilting the UAV real 3D model has gradually become an important data source for many industries demand analysis,fine real fast 3D modeling technolo⁃gy has become a hotspot of current research.The unmanned aerial vehicle based on the image data,estab⁃lished the Smart 3D platform and real fast 3D modeling method based on workflow technology,and has been applied and verified by oblique photography data of Wugang City,the results showed that the method has the characteristics of high degree of automation,3D modeling speed,real good.

UAV；smart 3D；3D modeling；oblique photography

P231

A

1003-5168（2017）10-0030-03

2017-09-02

李永利（1982-），男，本科，工程师，研究方向：机载lidar以及无人机航摄。