城市倾斜摄影实景三维模型数据质量检查方法研究与实践

刘增良，陈 思，陈品祥

(1. 北京市测绘设计研究院，北京100038； 2. 城市空间信息工程北京市重点实验室，北京100038)

近几年来，倾斜摄影测量技术飞速发展，无人机、倾斜相机越来越普及，尤其是以街景工厂、ContextCapture Center、PhotoScan、PhotoMesh等为代表的一批倾斜摄影三维建模软件的发展和应用，为大规模城市实景三维数据的快速生产提供了可行的解决方案。相对于传统人工建模，倾斜摄影实景建模具有生产周期较短、效率高、费用低、模型效果真实等特点[1-2]。当前，国内很多城市都开展了大量的倾斜摄影实景三维模型数据生产，但对于实景三维模型数据质量检查，目前还没有针对性的标准规范可遵循，大都参照传统三维建模成果检查相关技术规范，依据经验进行检查[1,3]。本文结合北京市大规模倾斜摄影实景三维数据质检检查的实践，对实景三维数据质检过程中发现的问题进行总结，分析实景三维质量检查的特点，探讨实景三维模型数据质量检查方法和内容，为实景三维成果质量检查和质量评价提供参考。

1 倾斜摄影实景三维模型特点分析

1.1 实景模型的“一张皮”

实景模型的“一张皮”表达与倾斜摄影三维建模原理与技术处理算法有关，成果以TIN网模型将整个场景各类地物要素“粘连”在一起，形成“一张皮”。各类要素并没有实现对象化，而是所有地物要素模型为统一的结构模型。因此，实景模型质量检查不能照搬现有标准进行。

1.2 模型结构特点

模型的精细度取决于原始影像分辨率和倾斜三维处理软件算法。由于为软件自动建模，地物模型结构取舍标准是一致的，即各类地物要素模型的精细度基本一致，与地物要素重要性等级无关。一般情况下，区别于地物要素的体量大小和地物周边遮挡，三维场景中建筑物模型、道路模型、水系模型、地形模型结构比较完整，建筑物的门窗、墙面、阳台等细节表现较好；植被模型细节一般表现不完整，树木会出现漂浮、残缺情况；部分较小地物如电线杆、指示牌、围墙、塔吊等模型结构一般不完整，出现漏洞、漂浮、残缺现象[1,3]。这些决定了在实景三维模型质检过程中，要区别对待不同地物要素，有选择、有重点地进行检查。

1.3 模型纹理特点

由于实景模型纹理均来自航摄影像，地物纹理的分辨率基本一致，纹理自动映射，并无人工处理和修饰，其效果真实性强，考虑倾斜航摄时间通常较短，其纹理现势性较好。在质检过程中，体量较小的地物要素因其纹理贴图总像素数小，在近距离浏览时，存在纹理模糊的情况。

1.4 模型的空间精度

实景模型的绝对空间精度与航摄影像分辨率大小有关，由于建模过程人工参与较少，相对于传统三维建模而言，减少了人为误差，模型空间精度普遍高于传统三维模型。在原始影像分辨率确定的情况下，模型的整体位置精度取决于空中三角测量精度。在精度检查过程中，应选择平整道路地面特征点及建筑物上建模效果较好的房角点进行综合点位精度检查。

1.5 三维场景近地面浏览

高大建筑及地物间的相互遮挡导致部分地区缺失影像；近地面附近地物侧面纹理分辨率低，导致在建模过程中无法进行纹理匹配，模型在近地面出现纹理扭曲变形、局部拉花等现象。在质量检查过程中，若场景浏览观察视角选择在近地面，则模型将出现大量展示效果质量问题。因此，在对倾斜模型进行检查时，应将浏览观察视角选择在一定高度，即以模型纹理影像最佳分辨率高度进行检查，而非无条件降到近地面进行检查，这一点与传统三维模型质量检查有很大区别。

2 实景三维模型数据质量检查方法

目前，实景三维模型数据质量检查尚无针对性的标准规范可遵循。在现行三维地理信息模型数据质检验收的行业标准规范中，其检查质量元素包括空间参考系、位置精度、表达精细度、完整性、逻辑一致性、属性精度、时间精度、场景效果、附件质量等方面[3-6]。本文借鉴行业标准规范检查指标，并考虑实景三维模型数据质检的技术特点，从空间参考系、模型精度、建筑物模型完整性、场景协调性、数据组织和附件质量等几方面进行重点分析，总结提出针对倾斜摄影实景三维模型数据的质量检查方法。

2.1 空间参考系

空间参考系主要检查实景模型成果数据的平面、高程坐标系统是否符合要求。

2.2 模型精度

精度检查包括平面位置、高程精度检查，通过将实景三维模型数据成果与实测的检查点进行定量比对，统计计算实景模型主体建筑物成果的几何精度[7-12]。具体方法为：将检查点的实测三维坐标作为真实值，在模型成果上量取与之对应位置的三维坐标作为实际值，统计真实值与实际值之间的差值，计算中误差，检查点选择包含地面点和建筑物房角点。

2.3 建筑物模型完整性

城市建筑物是倾斜摄影实景三维模型地物要素重点表达对象，而且建筑物模型结构较完整，建筑物的门窗、墙面、阳台等细节表现较好。因此，在实景模型完整性检查方面，重点检查建筑物模型的完整性。具体检查项包括：建筑物主体是否存在模型多余、遗漏情况，玻璃幕墙漏洞情况，模型扭曲变形情况及纹理的正确性和变形情况。通过检查人员人机交互的方式，检查建筑物模型的完整性。

2.4 场景协调性

检查内容包括场景完整性、水面漏洞情况、场景接边错误等。具体检查方法包括：由检查员通过上机对场景进行目视浏览，检查场景完整性情况，检查水面是否存在漏洞，检查相邻区块是否存在未接边问题。

2.5 数据组织及附件质量

该项主要包括：分析数据文件的存储、组织是否符合技术设计要求，数据文件格式、文件命名是否正确，数据文件有无缺失、多余，数据是否可读。核查分析各种基本资料及参考资料的完整性、正确性和权威性，技术设计、技术总结、检查报告、原始记录及其他文档资料的齐全性、规整性。

2.6 场景浏览观察视角高度

确定场景浏览观察视角高度，即以模型纹理影像最佳分辨率高度对城市实景三维模型完整性、场景协调性、效果进行质量检查。浏览视角高度确定与影像分辨率、TIN三角形最小建模单元边长、常用计算机屏幕分辨率等因素有关。如影像分辨率为5 cm，TIN三角形最小建模单元边长为10 cm，在屏幕分辨率为1980×1080像素情况下，在三维场景中观察视角高度在300～350 m左右。

3 北京六环实景三维模型质量检查实例分析

北京六环范围实景三维建模项目面积约3600 km2。项目采用运12和直升机两种机型作为航摄飞行平台，倾斜航摄仪选型主要采用了AMC5100和SWDC-5 AP100相机，幅面11 608×8708，单台相机达1亿像素，5台相机总像素高达5亿像素。航摄共划分10个航摄分区，航向重叠度为80%，旁向重叠度为70%，项目共获取180多万张影像，下视影像分辨率平均为5 cm。

项目采用Bentley公司的ContextCapture Center软件进行空三处理和三维建模工作，共划分了19个建模分区。其软件空三模块采用光束法局域网平差空中三角测量，支持垂直影像和倾斜影像同时导入参与空三计算；由空三建立的影像之间的三角关系构成三角TIN，再由三角TIN构成白模，软件从影像中计算对应的纹理，并自动将纹理映射到对应的白模上，最终形成真实三维场景。针对自动建模Mesh模型存在建筑物结构漏洞、结构变形、扭曲、玻璃幕墙结构扭曲等问题，本文通过人工方式进行模型修补，再将修补后的模型重新进行纹理映射、模型重建，生产出符合要求Mesh三维模型数据。模型成果为OpenSceneGraph二进制格式(OSGB)，坐标系统采用2000国家大地坐标系、1985国家高程基准。

3.1 质量检查内容与方法

项目实景三维模型数据检查主要包括空间参考系、模型精度、建筑物模型完整性、场景协调性、数据组织和附件质量等。上机检查三维场景浏览视角高度统一设置为300 m。其检查方法主要为：①在ContextCapture Center软件环境下，采用人机交互检查方式，检查空间参考系、建筑物模型完整性、场景协调性等；②采用野外实测的方式获取检查点，通过检查点与Mesh模型对应点坐标比对检核的方式检查模型精度；③通过人工查阅设计文档、数据成果文件，检查数据组织、附件质量等。

三维模型质量评定标准参考现有三维数据检查规范，同时针对实景三维模型的实际特点，在质量元素权重方面，适当提高模型精度和建筑物模型完整性两项质量元素权重占比。

3.2 质量检查问题分析

对三维模型的空间精度检查进行了外业实测，19个建模分区共实测检查点1220多个，各建模分区平面中误差在0.09～0.19 m之间，全区平面中误差为0.136 m，各建模分区高程中误差在0.07～0.15 m之间，全区高程中误差为0.108 m。

对建筑物模型完整性和场景协调性问题进行了重点检查，其主要问题为：建筑物结构漏洞问题，建筑物结构扭曲变形问题，玻璃幕墙结构扭曲问题，水面漏洞问题，模型接边处纹理变形问题，如图1所示。

模型存在的问题，如由于遮挡、水面、玻璃等缺少纹理特征且易产生反射现象的表面造成模型产生漏洞、扭曲的，可通过人工交互编辑进行修饰修补，以优化模型效果[13]。模型优化处理过程为：在ContextCapture Center软件环境中，通过工具导出需要编辑的瓦片数据，输出为OBJ格式，导入第三方软件3ds Max、GeoMagic环境中进行模型结构恢复，对凹凸不平进行拉平，冗余进行删除，再将恢复结构的OBJ文件导入ContextCapture Center软件中重新匹配纹理，生成修改后的模型，如图2所示。

受倾斜摄影实景三维建模软件算法、影像重叠度、影像航飞获取时间、天气情况等限制，目前部分模型问题通过倾斜摄影技术手段暂时无法处理，需要后期补充影像信息，采用人工重新建模等方法进行解决，此类问题在实景三维模型数据检查中暂不处理，问题归类如下：

(1) 部分模型存在纹理色调差异、色彩斑驳、表面黑斑问题。

(2) 建筑物本身存在飞檐、内凹、夹缝、镂空等结构及部分附属物等细小结构，造成模型纹理出现扭曲或缺失问题。

(3) 地物密集区建筑物、构筑物等部分结构扭曲、纹理失真问题。

(4) 近地面地物间粘连、地物贴图错误、地面阴影匹配错误等问题。

(5) 移动物体造成的路面、水面纹理错误、表面物体密集等问题。

(6) 薄墙、路灯、发射台、电线、广告牌等地物破损或缺失问题。

(7) 地面树木、植被与其他地物粘连、悬浮问题。

(8) 施工区域模型悬浮、不完整问题。

3.3 质量控制方法分析

通过大规模倾斜摄影实景三维模型数据质检实践，及对质检问题进行归类梳理，存在的质量问题主要为空间精度问题、建筑物不完整、场景效果问题等，模型在空间参考系、数据组织方面一般质量问题较少。对倾斜摄影实景三维模型数据质量的控制取决于多方面因素，其涉及航摄设计、航飞、外控测量、影像处理、空三、三维建模多个阶段，具体环节因素包括：①影像分辨率；②影像重叠度；③影像质量(季节、时间、色彩、云影、云雾、反光等)[14-15]；④像控点精度；⑤空三处理精度；⑥建模软件处理算法。需要控制好每个环节的各个因素，才能生产出高质量倾斜摄影实景三维模型数据。

4 结 语

目前倾斜摄影实景三维建模技术已广泛应用于城市大规模三维模型数据生产中，但针对性实景三维模型数据成果的质检规范尚未出台，本文在大规模实景三维数据质量检查实践基础上，分析了实景三维模型数据质量检查内容、检查方法，提出了针对实景三维模型检查重点内容，包括模型精度、建筑物模型完整性、场景协调性等方面，通过实际案例对问题进行具体归类分析，提出了相应改进方法，以期为城市倾斜摄影实景三维模型数据成果质量检查和质量评价提供技术参考。