基于倾斜摄影测量的三维建模关键技术研究与应用

赵政权 罗虹

摘 要：为了快速高效地获取高精度的三维模型，本文提出了一种基于倾斜摄影测量的三维建模方法。经过测量数据预处理，利用Context Capture 进行空三计算、密集影像匹配、纹理映射，实现三维模型的构建，并对三维模型的质量进行检查，同时优化模型，最后采用15个检查点进行精度评价。结果表明：模型成果可以满足相关的规范要求，该方法可以满足大面积区域的三维模型高效构建的需求。

关键词：倾斜摄影测量;纹理关联;三维建模

中图分类号：P23   文献标识码： A

随着“数字城市”“智慧城市”的发展，城市建设越来越倾向于精细化、高效化、动态化的方向发展。如何快速高效地获取高精度真三维模型成为迫切的需求。按数据的建模方法和采集方式的差异，大致分为：（1）基于矢量数据的手工建模。如Sketch-UP、3D Max等建模软件进行手工建模，但有明顯的周期长、成本高，且对专业建模人员要求技术娴熟等劣势。（2）基于点云数据的三维建模。主要通过三维激光扫描仪或通过改进的三维激光扫描车等来获取点云数据。（3）三维组件式建模。把建筑物、树木、市政设施等三维组件模型存储在计算机内，根据需要调用，具有节省时间，成本低的优点，但是不能满足精细个性三维的要求。（4）基于倾斜摄影的三维建模技术。通过飞行器（一般为无人机）搭载多镜头的相机，获取丰富的建筑物顶面及侧视的高分辨率纹理，具有获取数据简单、快速、周期短等优势。

近年来，基于倾斜摄影测量进行三维建模有了很快的发展，专家学者做了大量的研究。如王建强等[1]提出利用多视角影像人工交互半自动生成几何模型，自动映射纹理，建立城市建筑物的三维模型。黄健等[2]利用Smart 3D Capture软件进行城市三维建模，并对成果质量及精度进行评价。张平等[3]选用Street Factory作为处理平台，建立资阳城区的街景模型，并对精度进行评价。赵宏等[4]基于倾斜摄影测量技术进行昆明市主城区三维模型创建，数字高程模型（digital elevation model，DEM）、数字表面模型（digital surface model，DSM）、数字正射影像图（digital orthophoto map，DOM）、5D数字真正射影像图（5D true digital orthophoto map，TDOM5D）产品的制作及分析。关丽等[5]总结了在建设三维城市过程中，三维模型的具体技术途径及应用方式。周晓敏等[6]提出利用Street Factory人工少量干预快速构建城市三维模型的方法。谭仁春等[7]利用MAX和倾斜摄影技术相结合进行三维建模。李祎峰等[8]利用机载摄影测量数据进行三维建模和单斜片测量的应用研究。本文以倾斜摄影测量的影像为基础，利用Context Capture、区域网平差、空三加密、多视角影像密集匹配及纹理映射等技术，快速实现人机交互三维模型的构建。

1 倾斜航空摄影测量技术及建模平台

多视角倾斜航空摄影测量是通过在同一飞行平台上携带多个传感器，从垂直、倾斜等多个不同的角度采集图像，以在物体的顶视图和侧视图获得高分辨率清晰影像。其通过先进的定位、融合和建模技术生成真实的三维模型，被广泛应用于历史文化保护、国土安全、应急指挥、教育经济发展等多个领域。

目前，市场上流行的建模软件包括：Context Capture、PIX 4D、PhotoScan、Street Factory、Photomesh等。Context Capture可以基于摄影测量影像运算生成超高密度点云，并以此生成基于真实影像纹理的高分辨率实景真三维模型。它不依赖POS的优化，单纯利用控制点的拉动来完成绝对定向，无需椭球定义投影，简单快捷。Context Capture具有以下优势：广泛的数据源兼容性，输出的格式类型多;快速、简单、全自动，难度适中;人工（后处理）修复数据工作量较少，适合中距离的景物建模和复杂几何形态、哑光图案表面物体的建模，也可以对大自然景观的大场景大区域建模。

2 建模流程及关键技术

2.1 技术流程

三维建模技术流程如图1所示。

2.2 预处理

对原始影像预处理，主要是对原始影像进行色彩、亮度和对比度的调整和匀色处理。在获取影像的过程中，由于时间和空间的不同，影像会有一定的色差，应进行匀色处理，使影像间影像清晰、色彩鲜明、色调均匀、反差适中、层次分明，保持地物色彩不失真，不应有匀色处理的痕迹。拍摄影像上不应该存在云、烟、污点、大面积反光等缺陷，应有较丰富的层次，能辨别与地面分辨率相适应的细小地物影像，能够建立清晰的立体模型，且拼接影像应无明显模糊、重影、错位现象。

2.3 空中三角测量

空中三角测量（aerotriangulation，AT）过程将相机参数、影像数据、POS 数据进行多视角影像特征点密集匹配，建立在空间尺度可以适度自由变形的立体模型，完成相对定向;将外业测定的像片控制点成果，在内业环境中进行转刺，利用这些点对已有区域网模型进行约束平差解算，将区域网纳入到精确的大地坐标系统中，完成绝对定向。本文通过Context Capture对导入的倾斜摄影测量影像进行计算，提取大量的特征点，并对特征点进行多视角影像同名点匹配，进而计算出每张原始像片的姿态和空间位置信息，最终确定出各像片间的关系。空三解算完成后，可在Context Capture中查看整个航带的布设情况，解算出空三点的位置密度、每张像片的相对位置、像片所覆盖的范围方位角等信息。

普通摄影测量更多地获取建筑物顶部的纹理信息，而倾斜摄影测量则尽可能多地获取侧面纹理信息。同一地物会出现在不同的影像上，选择最佳纹理非常重要，可以有效减少影像纹理过度变形。通过计算三维不规则三角网（triangulated irregular network，TIN）模型的三角形面与影像对应的区域间几何关系，寻找最佳纹理进行投射，实现纹理贴附。整个建模过程：基于tile（瓦片）技术把整个区域分割成若干个子区;根据瓦片尺寸和等级，进行切片，分别存储;利用并行算法处理各个瓦片，同时建立不同细节层次（levels of detail，LOD）优化结构，提高模型浏览效率。

3 研究区域

3.1 测区飞行参数设计

测区位于昆明市东南部地区，以阳宗海风景名胜区周边区域约5 km2为试验区域，海拔1 800～1 980 m。本项目主要采用DJI PHANTOM 4飞机搭载DJI FC6310倾斜相机（前视和下视视觉系统）来进行摄影测量工作，共获取8 959张有效影像;核心区（建筑密集区）采用DJI Inspire 2飞机搭载DJI FC6520倾斜相机来进行补充摄影测量工作，共获取1 536张有效影像。

3.2 航线规划与设计

航线应按摄区走向直线方法敷设，平行于摄区边界线的首末航线必须确保侧视镜头能获得测区有效影像。航向重叠度为75%，旁向重叠度为70%，同一航线上相邻像片的航高差不得大于30 m，最大航高与最小航高之差不应大于50 m。注意检查像片重叠度、清晰度和拍摄角度，这些都影响空三加密的解算。

飞行过程应注意：（1）相关飞行禁令，避开障碍物，特别应注意陡峭的山峰、高楼。（2）综合考虑大风和暴雨等复杂天气条件下的天气预报和响应机制。保证有充足的光照，大气透明度较好，避免或减少地表植被和其他因素的影响，如：积雪、沙尘等。（3）考虑最小转弯半径、最大俯仰角、最低安全飞行高度。

3.3 控制点及检查点

为得到高质量、高精度的产品，此次作业还进行了野外控制点的测量工作，共有20个控制点及15个检查点，坐标系为国家2000坐标系，85高程基准，中央经线为102°，3度分带。

3.4 模型优化

三维模型能够反映各地理要素在三维立体形态下的位置、几何形态、纹理特征、属性等信息[9-10]。模型建好后，发现有一些不足之处：（1）个别地形表面起伏与实际不符。可能是个别地物色调纹理都较为一致，系统不能很好识别;也有部分地物像片的解算条件不足，不能正确反映实际地面起伏，根据需要进行补拍或后期人工修改模型进行处理。（2）半空有路灯、信号塔等悬挂的地物存在。信号塔等地物顶端部分因尺寸过小，系统不能很好地与周围地物特征相区别。因此，空中细节部分会有缺失，需后期进行人工编辑。（3）部分水面有漏洞、变形，色调不均匀，过渡不自然。水面的波动导致反射强度不一，纹理单一也会造成系统区分错误;预处理匀光匀色效果不好，会使纹理未能平滑过渡，需进一步人工处理。（4）窗户有拉花，色调不一致的情况。因为玻璃是强反射物体，会造成色调不均匀，可通过后期编辑解决。航摄时建筑物会有遮挡，像片空三解算条件不足，也会导致上述现象。（5）建筑物等物体表面纹理有缺失。建筑物纹理映射时不能正确反映实际纹理特征，需重新映射纹理。（6）部分道路面上有裂纹和缺损。道路纹理单一，计算机识别困难，需要进行人工编辑。

模型修补有以下处理方法：（1）Context Capture软件自身修补所有的漏洞。（2）Geomgics、3Dmax等软件进行二次编辑和修复。（3）补摄需要的区域，重新提交空三，空三完成后，保持參数不变。只提交不满意的tiles即可，提高效率。本文综合应用前2种方法进行优化，模型局部结果如图2和图3所示。

4 质量评定

三维模型的组成类型主要包括地形模型、交通要素模型、植被要素模型、建筑物要素模型、水系要素模型、场地模型、管线及地下空间设施要素模型[9]。

对基于倾斜摄影测量构建的三维模型进行质量评定，结果如下：

地形模型：主要用于地面起伏形态的三维模型。以DEM为基准，将DOM贴附于模型表面，形成具有丰富地形信息且有起伏特点的三维模型，能够满足Ⅲ级地形模型制作的要求。

交通要素模型：纹理细节清晰，铺装图案材质、颜色及各类交通标识基本与实际情况一致。可以较为清晰地反映出建模物体的位置、高度、分布、样式、质感及色彩等，能够满足Ⅱ级交通要素模型制作的要求。

植被要素模型：行道树、绿地及景观植物的形态、高度真实可视，树种选择与色彩搭配协调美观，树木的高低、大小、形态应与所在环境的尺度和空间层次相适应，能基本真实反映出树冠色彩、形状、树叶纹理等特征，能够满足Ⅱ级植被要素模型制作的要求。

建筑要素模型：研究区域的建筑物的分布特点可大致分为简单独立建筑物、多层建筑物及复杂建筑物。建筑要素模型的纹理拼接过渡自然，基本反映出建筑物的色调、质地、图案和局部细节特征。模型的基底能够与地形起伏相吻合，基底、外立面几何结构与建筑高度准确，附属设施的烟囱、水箱、门廊、台阶、室外扶梯、屋檐、建筑物立面突出物以及屋顶装饰等有所缺失[9]，能够满足Ⅲ级建筑物要素模型制作的要求。

水系要素模型：底面与地形起伏相吻合，水面用示意纹理表达，能基本反映出建模物体的形状、质感、色彩信息，能够满足Ⅱ级水系要素模型制作的要求。

场地模型：场景整体色彩、光照效果应协调一致。主要道路、广场等场所清晰表示，能够满足Ⅱ级场地模型制作的要求。

管线及地下空间设施要素模型：涉及内容繁杂，在研究区域不做研究，不做赘述。

5 精度检测和评价

三维模型的数据质量主要包括模型的完整性、位置精度、表现精度、属性精度、现势性和逻辑一致性。模型的整体效果、色调、光影关系应协调一致，应尽量保持完整，确保无遗漏，减少数据冗余，纹理精细适中，贴图正确，保证不同类型、不同细节层次数据的拓扑关系完整、正确[10];在位置精度及表现精度方面，保证平面精度、高度精度、地形精度、形状精度、比例精度等几何精度的准确性，模型在场景中表达逻辑的正确性以及各级别模型优化制作的合理性检査;在逻辑一致性方面，三维模型在遵循的概念模式（分层、分类、结构和模型间关系）规则上、存储的数据格式及位置拓扑上应具有一致性。利用布设的15个检查点，通过实际测量得到的三维坐标与模型上读取的坐标较差，进行几何精度统计，结果见表1。