空地一体精细化三维模型构建方法

卞 敏，徐 亮，骆元鹏，周晓波，赵慧峰，杨化超

(1. 中国矿业大学环境与测绘学院，江苏 徐州 221116; 2. 徐州市勘察测绘研究院，江苏 徐州 221000)

近年来，三维重建已广泛应用于工程设计、智慧城市、灾害监测等领域。当前主流的获取物体三维信息技术的手段有无人机低空倾斜摄影测量、三维激光扫描、3ds Max、近景摄影测量等[1]。倾斜摄影测量是通过在无人机上搭载不同视角的传感器获取地物的纹理结构信息，该方法快速高效，较之传统的航空摄影测量，能够获取物体侧面丰富的纹理和结构信息，成为实景三维建模的主流方法[2]，目前已取得较好效果[1-4]。然而，由于无人机飞行高度及空中摄影采集角度的局限，近地面及被遮挡区域会造成地物纹理结构信息丢失或不足，实景三维模型放大会出现拉花变形及破洞等现象；三维激光扫描技术也是当前主流的三维建模的有效手段，文献[5—6]采用三维激光扫描技术分别完成了历史建筑和工业设备的精细化重建，均效果显著，然而其外业采集效率低下且后续数据处理流程较为复杂；3ds Max等专业三维建模引擎是目前较为成熟的建模方法，文献[7—8]利用3ds Max分别进行古建筑和城市建模，均取得了较精细的结果，但是其需要大量的人机交互工作，耗时耗力;近景摄影测量技术广泛应用于文物重建、工业测量等领域，文献[9—10]采用地面近景摄影测量方法分别完成了文物和采石场岩体边坡精细化三维重建，其作业方式简单快捷，适合对近地面较小目标进行建模，但是其效率低下，不适合大场景三维重建。因而，本文在三维数字化校园的建设中，提出了融合上述多种建模手段的技术优势，通过空地一体、虚实结合来构建精细化校园三维模型的方法，取得了较好的效果。

1 研究方法与技术路线

本文总体技术流程如图1所示。较大范围场景区域的三维建模采用效率高、成本低的无人机低空倾斜摄影测量技术完成。针对三维重建后出现的问题，提出了一系列模型精细化处理技术，并进行多种建模方法的融合以构建精细化的校园三维模型。

2 空地一体精细化三维模型构建

2.1 低空倾斜摄影实景三维模型构建

大范围的三维场景采用效率较高的无人机低空倾斜摄影测量技术来完成。校园航摄面积约为1.89 km2，采用大疆精灵4pro旋翼无人机搭载五镜头倾斜相机系统(如图2所示)，相机焦距为8 mm，像幅大小为4000×3000像素，同时从垂直和4个倾斜视角采集地物数据。拍摄航向和旁向重叠度均设置为80%，相对航高设为80 m，地面分辨率为2.635 cm，共获取影像53 160张。为提高空三效率，采用分区空三的处理方法。将测区均匀分块，每个区块中均匀布设4～6个控制点，共布设38个控制点。控制点选取实地易分辨且较精细、稳定的特征点，采用网络RTK作业模式进行像控测量。

倾斜摄影三维重建的核心技术包含数据预处理、空中三角测量、影像密集匹配、自动纹理映射等步骤[11]。数据预处理主要是删除起飞和降落的像片，影像数量检查及依据区块分别进行各个镜头的合并等。空三是依据像片上量测的像点坐标，以少量地面控制点为平差条件，求解影像定向及地面点的加密问题[12]。空三解算包括影像联合平差、影像匹配等。多视影像联合平差需结合POS系统提供的外方位元素，提取同名特征点,在GCP、连接点、连接线之间建立区域网平差的误差方程，联合解算出像片的外方位元素和加密点的物方坐标[13]，光束法区域网平差的数学模型为

(1)

式中，(u,v)为像点坐标；(u0,v0)为像主点坐标；f为相机焦距；(X,Y,Z)为物体的物方空间坐标；(XS,YS,ZS)为影像外方位元素的3个线元素；ai、bi、ci(i=1,2,3)为3个外方位角元素(φ,ω,κ)构成的方向余弦。多视影像密集匹配可获取高密度点云，通过密集点云构建TIN网并创建白模，最后进行纹理映射。

本试验采用Context Capture(CC)软件,空中三角测量、三维实景建模自动化水平的提高极大便利了三维实景重建[14]。分区空三，获取每张像片外方位元素的同时生成密集点云，然后基于空三成果和点云数据提取深度图并构建三维TIN[15],依据三维TIN的位置信息，匹配最佳视角影像进行纹理映射[16]，从而完成地面实景三维建模。实景三维建模流程如图3所示。建模完成后，进行非建模区域的剪除和水面、建筑物破洞及结构变形的修饰，图4为倾斜摄影测量三维实景建模成果。

2.2 空地一体局部三维精细建模

对于尺寸较大、结构较为复杂、低空摄影时容易产生遮挡的物体，采用2.1所述的方法通常得不到高质量的重建结果。因此，本文拟采用空地一体的局部三维模型构建手段来完成此类物体的精细重建。

低空倾斜摄影获得的模型存在严重变形和结构缺失的情况，为此，采用超低空与地面近景联合拍摄进行精细化建模。本文试验以地球仪模型为例，地球仪高度约为3.5 m。影像数据采集方面，超低空摄影采用大疆精灵4 pro搭载单镜头相机，如图5(a)所示，焦距为24 mm。在离地球仪顶部5 m俯视环绕拍摄，再分别下降2 m、3 m手动倾斜一定角度环绕拍摄；地面近景拍摄可采用单反相机、手持云台、手机等方式，本文采用焦距35 mm的某品牌相机分远近两个层次拍摄 (地面近景拍摄设备如图5(b)所示)，拍摄时需保证与超低空摄影有一定的重叠度。像控测量方面，在地球仪周边均匀布设4个人工地标点作为像控点。

采集完数据后，将拍摄的两组影像采用CC软件联合建模。影像空三及最终建模成果如图6所示。需要注意的是，采用CC软件在空地联合建模过程中，需将该模型的坐标原点设为与低空倾斜摄影测量模型坐标原点一致,并在DPModeler中踏平、删除原模型，以实现空地联合近景摄影模型与低空倾斜摄影测量模型的无缝套合。

2.3 3ds Max虚景精细三维模型构建

对于细高物体，如路灯、旗杆、水准尺等，由于匹配截面过小导致提取的特征点数目较少，采用2.1所述方法会造成模型缺失；对于形状规则，纹理丰富且接近地面的物体，由于倾斜摄影获取不到或数据点关联不足，采用2.1所述方法会造成模型变形、纹理缺失等。此时，拟采用3ds Max虚景建模来完成此类物体的精细化重建。

以图7所示的模型为例，低空倾斜摄影存在严重的模型变形和纹理缺失情况，为此，采用3ds Max技术对此类物体进行精细化重建。处理方法为实地量测物体的尺寸，相机拍摄物体每个面，借助Photoshop处理比例失调、畸变的图片，使之与模型完美贴合。在3ds Max中依据实际尺寸通过捕捉、车削、挤出等命令堆叠标准基本体，之后进行赋材质和贴图，利用3ds Max展UV的操作进行纹理映射。注意3ds Max中模型坐标归0，导出为obj格式，在DPModeler中踏平原扭曲变形的模型，再根据模型的绝对坐标将3ds Max模型导入DPModeler中，以期实现3ds Max虚景三维模型与低空倾斜摄影实景三维模型的精确套合。3ds Max精细化建模结果如图8所示。

2.4 地面近景摄影精细三维模型构建

对于结构复杂、点较多的近地面低矮物体，采用2.1所述方法重建效果通常不佳，而且其他设备不能进行常规测量，此时，拟采用地面近景摄影测量方法获取物体空间位置和姿态。

以图9(a)铜人模型为例,采用低空倾斜摄影测量重建效果较差，为此，采用地面近景摄影测量手段完成此类物体的精细化重建。在铜人周边均匀布设6个人工地标点作为像控点。铜人高约1.5 m，采用焦距35 mm的某品牌相机进行拍摄，在高度上分层拍摄，以便采集到铜人顶部的数据；环绕拍摄，保证像片之间的重叠度大于60%，两张连续像片的拍摄夹角小于15°。图9(b)、(c)为近景摄影测量影像空三及最终建模成果。同理，三维重建过程中，需将该模型坐标原点设为与低空倾斜摄影测量模型坐标原点一致，并在DPModeler中踏平、删除原模型，以实现地面近景摄影精细模型与倾斜摄影大场景模型的无缝套合。

3 结 论

无人机倾斜摄影因其多角度、大范围、高精度等优势成为大场景三维重建的首选方法。本文根据其建模后不同类型地物出现的问题，提出了融合低空倾斜摄影测量、空地一体近景摄影测量、3ds Max技术、地面近景摄影测量等多种建模手段通过空地一体、虚实结合来构建精细化校园三维模型的方法，对倾斜摄影三维模型的精细化建模具有重要的参考价值。