基于人工建模和倾斜摄影测量相结合的三维建模流程

蔡利波 吴二立

（1. 宁波冶金勘察设计研究股份有限公司 浙江宁波315100 2. 宁波市天一测绘设计研究有限公司 浙江宁波315100）

引言

随着社会经济建设逐渐提升，城市化发展的步伐也呈现信息化、现代化方向发展，城市建设中基础设施规划与部署也呈现数字化特点。近年来，我国各个城市项目建设逐渐朝着信息化、数字化方向迈进。“数字城市建设”的成果已逐步在国民经济建设中广泛传播。而三维数字城市建设服务以直观、形象、信息更广泛为特征，成为应用创新的推动者。当前，在“数字城市”建设的过程中主要依赖计算机技术、大数据、云计算等现代化建设手段，选择基于三维模型数字规划，进而能够提升城市管理者形象，更为准确的预测城市建设与发展未来，决策城市发展方向和步骤。

在传统的三维建模中，主要采用的是人工建模方式，其主要优点是纹理真实，但是工作量大，对作业人员经验要求较高。但是近年来，随着我国航空摄影技术正在不断发展，倾斜摄影三维建模影成为当下工程建设、城市规划等众多领域广泛应用的三维建模手段之一[1-3]。其主要优点是效率高，成本低，但是其缺点也比较明显，在城镇比较狭窄道路两侧或者树木比较密集区域，所建模型的建筑物纹理分辨率低且容易出现拉伸变形和树木遮挡情况，建模效果较差。因此本研究基于倾斜摄影测量技术并结合传统人工加工模型技术相结合来探讨三维精细化建模流程，以期为国内开展类似研究提供参考依据。

1 三维数字模型简介

传统地图符号指的是在二位平面上搭建自然地理信息、人文事务等。随着计算机技术的发展和使用，在地图编写和设计上能够实现大众语言的转变和利用，通过较为直观的三维图示展现二维平面中的欠缺和盲区。三维立体地图能够实现直观性、真实性、整体性，市场可接受程度更高。这种具有现代化城市建设形式的构建平台建设，对于仿真技术、虚拟现实技术等提出了更高的要求。

三维数字模型概念非常宽泛，包括了机械构件三维数字模型、文物三维数字模型等，本研究中的三维数字模型限定于与地理信息相关、或地理信息领域相关的三维数字模型，即三维地理信息模型。所谓三维地理信息模型，是指能可视化反映相关地理要素在立体空间中的位置、几何形态、表面纹理及其属性等信息的数字三维模型，包括各种地上主要地理信息的外部及地下空间，不含地上各建(构)筑物地理信息内部[4]。三维数字模型是三维地图、虚拟现实场景中地物(特别是人造地物)的主要表现形式，是地理信息要素的信息载体，三维数字模型的生产技术研究和规范化对智慧城市建设具有重要意义。

1.1 传统的三维建模方式

在以往的三维建模均是采用大比例尺地形图数据并结合高程数据。该方法主要基于整栋建筑物的三维矢量数据，并利用外业采集的建筑物顶面和立体纹理照片，最后整合成建筑物三维模型和地形三维模型。该方法的主要优点是纹理真实，不易拉伸，精度高，适合面积小和局部精度要求高的作业区域。主要缺点是效率低，工作量大，生产费用高，不合适大规模三维模型制作无法满足数字城市、智慧城市在时间上的需求。

1.2 基于倾斜摄影的快速三维建模

近年来，随着无人机低空摄影的快速发展，利用倾斜摄影测量技术相比原来的三维建模技术有着很大的优势[5]。为了在短时间内建设城市三维模型，倾斜摄影技术应运而生，在近一两年中获得了广泛使用空间，并且得到快速发展。倾斜摄影技术在使用过程中依赖于多台传感器搭建的飞行平台，能够实现五个平台共同进行的多角度拍摄。将取得的信息进行立体测量后，通过专业的建模软件(如3ds max) 将测量的数据构建成三维立体模型。构建好三维立体模型后，通过倾斜摄影技术收集的影像信息进行纹理提取，为完成建筑精细模型制作，可通过程序半自动匹配以实现纹理贴。最后将构建完成的模型输出。它的优点主要体现在自动化、批量化、范围广、精度高、建模周期短等。十分适合大面积以及对精度要求一般的三维建模。它的缺点主要有获取的信息冗余度高、建筑物纹理分辨率低且容易出现拉伸变形和树木遮挡情况。因此，不适合对建模精度要求比较高的精细化三维建模。

2 研究方法

本研究项目区域位于湖北省某县级市，项目施工区域主要有以下两大特点：一是，县城中密集的城中村较多，房屋密集，建筑物不规整；二是，建模区域的部分商业街道人多、车多、树多，建筑物遮挡情况比较多。因此，本项目选用人工建模和多旋翼无人机相结合的作业方案进行三维模型数据制作，这样既保证了作业效率，又提高了建模精度，从而为高标准、高效率完成城市三维数据采集工作提供了保障。

3 模型建立

3.1 技术路线

本研究所采用的技术路线如下所示:

图1 技术路线图

3.2 关键技术

在本研究中所采用的关键技术如下：

（1）多视影像联合平差

多视影像包括垂直摄影和倾斜摄影数据。然而，一些传统的测量系统不能很好地处理倾斜摄影数据。因此，在多视影像的通用设置中，应充分考虑图像之间的几何变形和遮挡关系。结合POS 系统提供的外方位元素，采取由粗到精的金字塔匹配策略在每级影像上进行同名点自动匹配和自由网光束法平差，得到较好的同名点匹配结果。

（2）多视影像的密集匹配

多视影像具有分辨率高、覆盖面积大等特点。多视影像定制的关键是如何充分查看匹配过程中的冗余信息，快速准确地得到多视影像上同名点的坐标，进而得到图形的三维信息。近年来，随着计算机图像学技术的快速发展，多视影像的密集匹配成为研究的热点。目前，这方面已取得重大进展。通过搜索建筑物边缘、墙体边缘和纹理等多维矢量数据输入图像的特征，将不同视角下的建筑物二维矢量数据输入图像的二维特征转化为三维函数。在确定墙面时，可以设定几个影响因素，并给出一定的权重，将墙面分为不同的类别，对建筑物的各个墙面进行扫描分割，得到建筑物的侧面结构，然后通过重建提取建筑物屋顶的高度和轮廓。

3.3 三维建模

在本项目中，首先利用倾斜摄影三维建模技术采集研究区域的三维模型。该技术是基于影像的三维建模技术，主要步骤分为：特征点提取与相对定向；投影重建与相机标定；密集匹配；重建三维模型。

其中倾斜摄影三维模型重建技术在此基础上添加了倾斜摄影技术、空中精确定位技术等，通过提供多镜头组合摄影平台，从多角度获取影像，利用POS系统或GPS 差分系统进行精确定位，提供每张影像POS 信息，再结合基于影像的自动空三加密、影像密集匹配、纹理映射及模型生成等系列步骤，完成整个三维重建过程。

对于城镇比较狭窄道路两侧以及需要重点精细化建模区域，采用三维模型精细制作方式，主要是利用倾斜摄影三维建模中所采集的建筑物位置信息，并结合人工精确采集的树木所遮挡的照片纹理，最终形成精细化三维模型，具体建模过程及最终效果图如下图所示，其中图2 为人工加工三维数据模型，图3 和图4 为最终建模效果图。

图2 人工加工数据模型

图3 最终三维建模效果图

图4 最终三维建模效果图

3.4 建模结果精度分析

针对最终成果数据，选取建筑物的楼角或房角作为外业检测点，套合到三维模型上，检查外业点是否落在相应的点位上。在本研究中利用天宝GPS 和拓普康全站仪对三维模型进行精度检验，采用高精度检测方式，具体检测公式如下所示：

上述公式中，M 为成果中误差，n 为检测点总数，Δi 为较差。

最终计算出三维模型的平面和高程位置中误差，结果如下表，一共选取检查点数103 个，平面位置中误差±0.26m,高程位置中误差±0.55m，检查结果满足CJJ/T157-2010 对三维模型精度的要求，检查结果如表1 所示。

表1 三维精度统计表

4 结束语

传统的三维建模通常使用3DX MAX、AutoCAD等建模软件，根据图像数据、CAD 平面图或照片，来估计建筑物的轮廓和高度。这样，模型数据的准确性低，生产过程需要大量的人参与，纹理与实际效果的差异大；同时，数据生产周期长，导致数据时效性低，无法真正满足用户的需求。因此本文探讨了利用人工三维建模加倾斜摄影建模相结合的三维模型制作方法，并对于研究成果进行了精度检验，结果表明采用该方案建模，这样建筑物可以达到比较好的效果，并且建模精度也得到了保证。本研究的技术流程也可以为国内类似研究提供参考依据。