倾斜摄影三维建模技术探讨

李乃强

（江苏省测绘工程院 江苏南京 210013）

1 引言

为响应《江苏省十三五省级基础测绘规划》中应急测绘综合保障能力的要求，综合考虑“十三五”期间我省基础测绘发展实际需求，利用无人机遥感、实景三维建模等先进技术，开展无人机倾斜航拍摄影及三维建模试点项目。

根据江苏省“十三五”省级基础测绘规划的实施方案，项目试点结合实地勘探、无人机起飞条件、安全因素和已有资源利用等考量，最终选择南京市江宁区牛首山作为本项目试点区域。项目通过在无人机云台上搭载的倾斜摄影相机来获得地面建构筑物多角度高清晰影像信息，再利用后期软件系统完成空三加密测量和三维模型构建，实现从无人机倾斜摄影采集到三维模型生产的一体化作业流程，创新三维模型构建新模式[1]。

2 研究内容及技术指标

2.1 研究内容

项目采用四旋翼无人机，获取一个垂直和四个倾斜真彩色数码影像数据；采用网络RTK 作业模式进行像片控制测量；采用多视角数码航空摄影测量技术进行空中三角测量；采用“种子点+点云全局优化构网处理”的影像匹配技术进行Mesh 模型构建。完成0.6 平方千米的倾斜摄影，完成了10 个像片控制点的布设和测量，完成了0.3 平方千米的三维实景建模。

2.2 技术指标

2.2.1 作业依据

（1）CH/T 9015-2012《三维地理信息模型数据产品规范》；

（2）CH/T 9016-2012《三维地理信息模型生产规范》；

（3）CH/T 9024-2014《三维地理信息模型数据产品质量检查与验收》。

2.2.2 数学基础

（1）平面坐标系统

本项目采用2000 国家大地坐标系，高斯克吕格投影，中央子午线120°，3°分带。

（2）高程系统

本项目采用1985 国家高程为基准。

2.2.3 成果精度指标

（1）地面影像分辨率优于0.1m；

（2）空三加密基本定向点平面位置误差不大于0.3 m，高程误差不大于0.26m。（阴影、摄影死角、隐蔽等特殊困难地块误差可适当放宽0.5 倍）；

（3）三维模型的平面精度、高度精度均达到Ⅲ级，平面中误差不大于0.5m，高程中误差不大于0.4m。困难地区（如林地、阴影覆盖隐蔽区等）的平面和高程中误差可放宽0.5 倍，两倍中误差为最大误差；

（4）三维模型景观效果达到二级模型景观的要求。

2.2.4 成果数据格式

航片成果格式为*.JPG；成果数据包括三维模型数据成果、DSM、DOM 一套，三维模型成果数据格式*.OSGB、*.S3C 格式。

3 技术路线

3.1 航线设计

牛首山佛顶宫高度约89.3 米，佛顶塔高度约88米，为确保安全飞行，本任务实际航高确定为200米，本次项目采用南北向航线，航向、旁向高重叠度航摄[2]。

3.2 像片控制点测量

（1）像片控制点布设：由于航摄区域范围较小，为控制重点建筑物模型精度，采用航摄范围周边和中间布点的方式，共计布设像控点10 个。

（2）像片控制点判刺与整饰：选取了道路斑马线的拐角点，地面明显地物的交点等作为像控点，像控点判刺实地拍照记录像控点位置。

（3）像片控制点测量：采用基于JSCORS 的网络RTK 作业方式联测，观测次数至少3 次，每次观测应重新初始化，每次观测历元数大于10 个，测量的平面坐标分量最大较差为1.8 厘米，高程最大较差为2.6 厘米，取各次测量结果中数作为最后成果。

3.3 航摄数据预处理

航飞结束后，技术人员对影像数据进行了检查。在Capture One 软件环境下对原始影像进行全局浏览，整个摄区中影像地物均较为清晰，影像颜色较为正常，接近真实地物场景的色调。在Adobe Photoshop软件中，技术人员根据地域特征，利用合适的数据调色模板进行色彩、亮度和对比度的调整，使影像整体具有统一的视觉效果，为建立美观的三维大场景提供较好的影像数据基础。

3.4 空中三角测量

倾斜摄影空中三角测量需要倾斜数字航空摄影测量空中三角测量专业软件进行数据处理，本项目中采用Bentley 公司的Context Capture Center（简称CCC）软件对获得的倾斜影像数据进行空三加密。该软件的AT 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等多角度同时导入参与空三计算，经过目视提取特征控制点、相对定向、匹配同名点、像对匹配等步骤的运算处理，得到测区空中三角测量成果[3]。

3.5 三维模型生产

本项目三维建模运用程序自动化计算生成Mesh 三维模型，再在编辑模式下修正模型匹配错位、空洞、缝隙等错误，最后将这些修正完善后的模型进行纹理映射，最终生成Mesh 三维模型成果数据（图1）。

图1 三模建模生产流程

三维建模数据生产中，三维模型匹配自动化计算出使用Context Capture Center 软件，三维模型编辑和精修使用天际航DP Modeler 软件和3D Max 软件。

这天，青萝一直在天葬院中呆到很晚。记忆中，她似乎很久也没在天葬院中呆过这么长的时间了。他们一同照顾女孩，他煎药，她喂给她；他做饭，然后盛出一碗米汤，她喂给她；他打湿手巾，她接过去，搭在她的额头。

模型构建采用分块集群计算，匹配相对模型，生成三维点云，点云转换成TIN 模型，再根据内部的几何拓扑关系优化TIN 模型，最后根据影像自动匹配模型纹理，并输出三维模型成果[4]。

CCC 软件支持多节点并行处理，本项目采用3个节点集群并行处理，使得Mesh 模型构建效率比单节点提高3 倍。

（1）数据分块

利用CCC 软件在影像数据底图中划定航飞范围线，以建模区左下角为起点进行全自动化数据分块处理。

（2）点云匹配

对分块内包含的所有立体像对进行点云匹配计算，自动生成高密度点云数据（图2）。

图2 点云匹配图

（3）TIN 网构建

通过对立体点云数据计算处理，构建不规则三角网模型（TIN）[5]。

（4）纹理贴图

利用软件根据TIN 网中每个元素的空间获取自动赋予影像纹理信息，使三维模型外观更逼真。效果如图3 所示。

图3 实景三维模型效果图

4 模型检查和修改

对成果进行全面检查，对不合格模型的结构外观和纹理进行编辑修改，直到模型成果全部合格。

4.1 模型修饰标准

（1）全自动三维建模采用多机多节点并行运算的CCC 软件进行，倾斜摄影的三维模型是将地表地形、建筑物模型、外部纹理一体化表示，建构筑物立体形状完整，空间位置准确，整体效果应与实地场景一致。

（2）建构筑物三维模型结构外观要能够体现房屋屋顶、窗户、阳台等外观特征，外部纹理不存在明显空洞、缝隙、拉伸等变形现象。

（3）建构筑物模型高程误差不超过1 米，高度细部特征应清晰表示。

4.2 具体修改内容

（1）借助天际航DP Modeler 软件删除模型中的悬浮物和地表以下的模型。

（2）试验区中佛顶塔高约88 米，生成的模型塔顶部会出现了丢失现象，在DP Modeler 软件中导入航空影像、地面近景影像，二三维联动，运用DP Modeler 进行重建。

（3）异性结构建筑物（佛顶宫）的处理，采用了3DMAX 软件来修补漏洞，然后再导入CCC 软件重建纹理（图4）。

图4 精修后佛顶塔模型

5 建模中特殊情况的分析处理

（1）佛顶宫、佛顶塔位于牛首山山顶，在其东方向地势起伏较大，并有施工围挡，未能进行像控布点，在空三计算中按照特殊困难地区误差放宽0.5倍。

（2）由于倾斜三维模型的算法及建模特点，对细状的电杆、树木、交通灯杆等建模效果较差，导致模型的道路上有电杆等物体横穿，造成路面上方物体粘连。

（3）牛首山佛顶宫建筑物结构复杂，由于倾斜三维模型为密集点云匹配生成的三角网，并自动粘贴纹理生成，部分凹陷的建筑物面，由于特征点较少，软件在计算时很难匹配正确，导致输出模型中的纹理存在破洞，软件修复后，表面凹凸不平的纹理丢失。

6 结束语

本文介绍的倾斜摄影三维建模生产技术流程效率高，南京牛首山试点区三维成果精度符合要求，根据外业实测特征点与三维模型上特征点坐标进行对比，统计计算出三维模型精度为：平面位置中误差为±0.098 米，高程±0.094 米。本文介绍的倾斜摄影三维建模生产作业方法可供同类项目借鉴。