基于无人机倾斜影像的模型重建单体化及精度研究

郑月 陈吉 孙韬

摘要：随着数字城市、智慧城市建设进程的推进，全要素城市三维模型构建极其关键。无人机倾斜摄影测量作为当前基础三维数据采集的有效手段之一，为快速实景三维建模带来了便利。倾斜三维模型可直观表达真实的三维场景，其实质为一体化数字地面模型，但无法实现单体对象的分离提取。常用的倾斜模型单体化方法并不能实现单体模型分割，因此，本文基于无人机倾斜影像自动建模，并采用DP-Modeler软件，以建筑对象的场景模型为依据，通过人工描绘编辑重新塑造建筑物的轮廓线，对几何面进行纹理映射，生成的建筑单体模型，几何细节可控、墙面平整，整体效果较好。

关键词：倾斜摄影;三维模型;单体化

中图分类号：P231                    文献标识码：A

随着数字城市、智慧城市建设进程的推进，全要素城市三维模型构建极其关键[1]。无人机倾斜摄影测量作为基础三维数据获取的有效手段之一，可真实、高效地获取地面目标的多视角影像信息，进而实现快速实景真三维建模[2]。实景倾斜三维模型可看作是連续的TIN三角网所构成的表面模型，能够直观地表达真实的三维场景，但无法将单体建筑、水系、道路和植被等要素从中分离出来[3]。因此，如何基于倾斜三维模型对目标对象进行单体化（对象化）处理，进而实现深层次的三维GIS应用极为重要。

常用的倾斜模型单体化方法主要包括物理分割法、标记ID法和动态包合渲染法等三种[4]。物理分割法是基于对象的矢量边界线作切割得到对象的单体化模型，是真正意义上的单体化;标记ID法是指结合已有的二维矢量面数据，将对应矢量面的ID值作为属性赋给同一对象的三角面顶点[5];动态包合渲染法是将配套的二维矢量面与倾斜摄影模型加载到同一场景中，在渲染模型数据时把矢量面贴到倾斜模型对象表面，然后设置矢量面的颜色和透明度，从而实现单独选中地物的效果[6]。这3种方法的比较如表1所示。

尽管动态包合渲染法在模型效果和GIS功能实现方面具有较大优势，但此方法也并未真正将目标对象从倾斜模型中分离，实现单体又分离的目的[7]。本文基于无人机倾斜影像构建实景三维模型，采用基于DP-Modeler的模型重建单体化方法，将目标建筑从倾斜三维模型中分离出来。

1  模型重建单体化方法

1.1  基本原理

模型重建单体化技术是指根据应用所需的要素对象，进行独立、对象处理，使倾斜模型成为一个个可单独处理、编辑以及附着属性信息的个体[8]。基于DP-Modeler的模型重建单体化以无人机倾斜摄影测量获取的影像为基础数据源，利用ContectCapture软件完成相关参数配置和空中三角测量过程生成密集点云并完成三维重建，接着将倾斜三维模型导入DP-Modeler软件进行模型精修处理和二维矢量创建，进而实现对象的单体模型提取。该方法需要较多的人工干预，更侧重于产品表达，具体技术流程如图1所示。

1.2  具体过程

1.2.1  无人机倾斜影像获取

受模型精度影响，低空无人机倾斜摄影测量的实施比较普遍，通常需要结合测区地形和周围建筑物高度制定航摄计划，选定相机类型，设计航线，选择晴朗无云的天气进行倾斜摄影，获取基础倾斜影像数据。同时，需要对测区进行外业控制测量，测定控制点坐标数据。

1.2.2  ContextCapture自动建模

基于ContextCapture软件的实景三维建模，主要利用倾斜摄影所获取的影像数据和外业控制测量所获取的控制点坐标为基础，通过影像预处理、像片控制点测量和空中三角测量过程生成密集点云，经多视影像匹配后构建TIN网并进行纹理映射，三维重建生成多种格式的真三维模型，这些格式的三维模型可以利用不同软件进行加载和查看。

1.2.3  DP-Modeler精细建模

倾斜三维建模往往受到诸多因素的影响，容易出现建筑立面不平整、水面凸起与空洞、悬浮物等问题。因此，倾斜模型的精细化处理尤为重要。DP-Modeler软件可以对倾斜三维模型进行补洞、平整化、悬浮物删除、垂直化等局部修饰，支持对三维场景拉花里面的修饰、道路平整、水面破洞、补充城市部件等操作，通过多种类型的细节处理达到模型精细化构建的目的[9]。

1.2.4  目标建筑单体化提取

倾斜模型是一体化三维模型，其实质是一个Mesh模型。实景模型单体化以精细化倾斜模型为数据源，依据建筑物影像的场景模型采用人工交互的半自动方式描绘出一个新单体模型，通过人工描绘编辑来重新塑造建筑物的轮廓线，然后对几何面进行纹理映射，得到几何细节可控、较为规则的建筑物的单体化模型[10]。

2  实验及精度分析

2.1  实验数据及成果

2.1.1  实验数据

本文以5镜头相机倾斜摄影获取的前、后、下、左和右视共计1 320张影像为基础数据源，传感器尺寸为13.2 mm，摄影机主距为10.4 mm。本次数据为某城市郊区无人机倾斜影像，以房屋建筑物居多，建筑物密度较大，相邻建筑物之间的间距较小，对其中的单一建筑进行倾斜摄影难度较大，侧面纹理的获取存在一定问题。

2.1.2  倾斜模型成果

利用ContextCapture自动建模效率取决于计算机硬件配置等级，1 320张影像的倾斜三维建模需要利用计算机集群以降低单台计算机的负荷。由于联排房屋之间的间距较小、镜头畸变等原因，所建倾斜三维模型中存在纹理缺失、墙体变形等问题。倾斜三维模型的实质为DSM，模型成果如图2所示。

2.1.3  单体建筑模型成果

本文选取倾斜模型场景中的两栋建筑为目标对象，基于DP-Modeler的模型精细化处理过程主要针对建筑物的墙体扭曲、墙面不平整、立面修复等细节问题进行处理，之后基于精细模型沿着建筑物的外部轮廓勾线，构建建筑对象的主体轮廓，最后形成目标对象的单体模型。这3栋建筑的单体模型如图3所示：（a）对应建筑1，（b）对应建筑2，（c）对应建筑3。

2.2  精度分析

由图3可知，3栋建筑细节可控，墙面平整，整体效果较好。将单体建筑模型在3DS MAX中打开，通过软件量测得到建筑1、建筑2和建筑3的两条边的长度即为“模型量测距离”，利用GPS-RTK技术进行实地测量所得建筑边长即为“实地测量距离”，具体数据及二者间的差值绝对值如表2所示。由表2可知：差值绝对值最大为0.501 m，最小为0.233 m，整体差值均在1 m范围内。

3  结论

基于无人机倾斜影像的模型构建及单体化实现是三维GIS应用的重点问题，本文以无人机倾斜影像为基础数据源，通过ContextCapture数据处理和三维重建生成倾斜模型，并基于DP-Modeler软件对倾斜模型进行精修处理，实现了对建筑1、建筑2和建筑3的单独提取，建筑单体模型整体误差在1 m范围内，验证了模型重建单体化方法的有效性。

（责任编辑：张  琼）

参考文献：

[1]王勇，郝晓燕，李颖.基于倾斜摄影的三维模型单体化方法研究[J].计算机工程与应用，2018（3）：178-183.

[2]潘天祥，賴华荣.基于倾斜影像的三维模型动态单体化方法研究[J].测绘标准化，2019（3）：23-26.

[3]陈良超，詹勇，王俊勇.一种倾斜摄影实景三维模型单体化方法[J].测绘通报，2018（6）：68-72.

[4]何忠平.智慧余杭建设中倾斜摄影实景单体化建模方法的思考[J].测绘技术装备，2019（2）：45-48.

[5]莲蓉，丁忆，罗鼎，等.倾斜摄影与近景摄影相结合的山地城市实景三维精细化重建与单体化研究[J].测绘通报，2017（11）：128-132.

[6]陈杭.一种基于多重纹理映射的倾斜摄影模型单体化技术[J].测绘与空间地理信息，2018（10）：250-252

[7]黄文诚.基于倾斜摄影的城市实景三维模型单体化及其组织管理研究[D].长安大学，2017.

[8]蔡香玉.基于无人机倾斜摄影场景建模的建筑物单体化方法[D].南京师范大学，2018.

[9]李莹.多视影像匹配密集点云的建筑物单体化构建研究[D].辽宁工程技术大学，2017.

[10]王勇.基于NewMap World的倾斜摄影数据三维可视化表达及单体化的研究与实现[D].太原理工大学，2017.