多視角影像自動化實景三維建模的生產與應用

黃　健，王　繼

(江蘇省測繪工程院，江蘇 南京 210013)

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多視角影像自動化實景三維建模的生產與應用

黃健，王繼

(江蘇省測繪工程院，江蘇 南京 210013)

Production and Application of Automatic Real 3D Modeling of Multi-view Images

HUANG Jian,WANG Ji

摘要：多視角攝影是近年國際上新興發展的航空攝影技術。本文依托項目介紹了以多視角航攝獲取的多視影像數據采用基于圖像的自動化建模技術進行數字城市實景三維模型數據生產的技術和流程；進行了數據成果的質量檢測及評定，并據此對數據成果進行了相應的分析；最后結合該技術陳述了筆者的觀點，對于多視角攝影測量技術的應用和實景三維模型數據的自動化生產具有較好的參考作用。

關鍵詞：多視角航空攝影；傾斜攝影；多視影像；實景三維模型

快速、高效地獲取并更新維護數字城市三維模型數據一直是三維建模技術研究的熱點。按數據采集方式和建模手段，城市三維建模技術可分為以下幾類[1-2]：①基于CAD的建模技術；②三維組件式自動建模技術；③基于攝影測量的城市三維建模技術；④全景照片建模技術；⑤移動測量建模技術；⑥激光掃描建模技術等。

在常規建模方法中，方法①使用3ds Max等模型設計軟件，以現有大比例尺地形圖矢量數據為基礎進行三維建模，在建立逼真、高精度的三維建筑模型方面具有優勢，但是其建模生產存在成本高、效率低等問題。方法②將按照一定規則建好的如建筑物盒子、地下管線、交通設施、市政設施等具有一定的相似性或可描述性的三維模型組件存儲起來，以供在三維場景中進行調用，其特點是效率高、成本低，但是其一般只應用于模型精度要求不高的環境。方法③利用航空攝影測量技術采集測量獲取最新DLG二維或三維矢量數據，再進行建模，其優點是可高精度構建測區范圍內所有垂直方向可視的地物模型和地形地貌三維景觀等，但是垂直方向不可見的建筑物側面紋理信息需要靠其他手段來獲取并構建。從以上分析可以看出：方法②模型精度不高，在數字城市建設中應用有限，而方法①和③在三維建模階段都需要依靠大量技術嫻熟的三維建模人員使用諸如Sketch Up、3DMax等三維模型設計軟件耗費巨大工作量手工進行建模作業。數字城市三維建模的生產存在生產工藝復雜、對人員技術要求高、勞動強度大、生產周期長、產品質量不可控等不利因素，制約了三維GIS的發展和推廣。

使用多視角航空攝影測量技術獲取多視影像數據，運用基于圖像的自動化三維重建技術進行三維建模的構建，可以極大地提高數字城市三維模型的生產效率，為三維GIS提供現勢、逼真、可靠的實景三維模型數據。

一、多視角攝影技術

利用攝影測量技術進行三維建模是常規方法中精度相對較高、建模效果較好的一種。但是在攝影測量中，由于如衛星、飛機等的傳感器都是垂直于地面安置，受航高和空間攝影姿態限制，僅能獲得建筑的高度信息和頂部紋理信息，難以滿足數字城市建模三維數據獲取的要求。如果將鏡頭按一定角度進行傾斜安置，使得視準軸與建筑物側面法線夾角減小，則可以有效解決建筑物側面紋理信息的獲取問題。多視角攝影技術就是基于該理念應運而生的。多視角攝影技術又稱為傾斜攝影技術，它是國際測繪遙感領域近年發展起來的一項技術，通過在同一飛行平臺上搭載多臺傳感器，同時從垂直、傾斜等不同的角度采集影像，獲取地面物體更為完整準確的信息[3-4]是數字城市建模三維數據獲取手段的主流趨勢。雖然傾斜攝影更常出現，但因傾斜不能反映多相機、多攝影角度的特征，本文中更傾向于使用多視角攝影這一技術定語。多視角攝影技術的應用使得在航攝時可以在較相似的攝影條件和現勢性條件下獲取建筑物頂部和側面的特征和紋理信息，使得數據的相關性加強，為之后進行的基于圖像的自動化模型構建創造了條件。

Smart3Dcapture(簡稱S3C)是法國Acute3D公司開發的一套基于圖形運算單元的快速三維場景運算軟件，其運行無需人工干預，僅依靠連續的二維影像就能還原出可以達到原始影像像素分辨率的實景三維模型，是目前世界上最優秀的基于圖像的三維重建軟件[5]。S3C軟件的應用結合多視影像數據使得數字城市三維模型的自動化生產更易于實現。

二、項目概述

主城區基礎三維城市景觀建模是數字丹陽地理空間框架建設中的一個子項目。江蘇省測繪工程院聯合上海航遙公司采用AMC580多視角航空照相機系統以多視角數碼航空攝影技術實施數據獲取，采用Acute3D公司的S3C自動三維建模軟件來實施項目區域內數字城市實景三維模型構建。

本次航攝和建模的范圍為丹陽市主城區，實際航攝及建模區域面積約為120平方千米。采用多視角數碼航空攝影技術，獲取1個垂直影像和4個傾斜影像的真彩色數碼影像數據，相對航高為740 m；采用網絡RTK作業模式進行像片控制測量；采用多視影像空中三角測量技術進行區域網空三加密；采用基于GPU并行運算的影像密集匹配技術及后續三維建模技術進行Mesh模型構建及紋理映射；采用逆向工程技術對生產后Mesh模型進行模型數據修補和優化；最后采用LOD技術及OSG技術協調GIS技術實現對三維模型數據進行發布應用。

“數字丹陽”項目的基于多視角航空攝影的數字城市三維模型生產建設生產工藝流程如圖1所示。

三、精度檢測和質量評定

為驗證利用多視影像數據使用S3C軟件實施自動化三維建模所生產出的實景三維模型數據的精度和質量情況，在模型自動化創建結束之后，江蘇省測繪工程院組織對該初級模型數據進行了精度檢測。檢查方法采用人機交互檢查和通過外業實地抽樣巡查相結合的方法實施。

經檢測，其數據質量綜述如下：①影像地面分辨率為0.08 m，影像精度達到Ⅱ級；②地形模型：能反映地形起伏特征和地表影像，檢測精度優于0.75 m，達Ⅲ級要求；③建筑要素模型：主要對房屋建筑頂部和樓體采用主體建模及基本輪廓和外結構進行幾何建模表現，外立面采用能基本反映地物色調、細節特征結構的影像，屋檐、開放陽臺、下穿結構、門廊、女兒墻等突出物和重點裝飾表現不完整；④植被要素模型：對帶狀綠化樹、綠化林地、苗圃等采用主體建模表現，及采用多面片的方式表現，外立面采用能基本反映樹木色調和特征的影像，花圃(壇)、草地一般用地形表現(Ⅱ級)；護樹設施與綠地護欄一般未表現(Ⅲ級)；⑤交通要素模型：地面道路、路基、橋梁、鐵路等用主體建模表現，紋理基本能反映路面材質和交通標線(Ⅱ級)。

圖1

檢查結論為綜合模型的平面精度、高度精度、地形精度、影像分辨率、模型精細度及紋理精細度等各項技術指標達到的等級，檢查認為該三維模型成果達到二級三維模型景觀的要求[5]。

四、數據與效率分析

通過精度檢測和質量評定發現，在S3C空三解算模塊中采用該區域網控制點布設方案進行空三加密解算，再通過S3C模型重建模塊生產出的模型成果，相對于規范[10]在幾何精度上平面精度和高度精度均可滿足1∶1000的三維模型成果幾何精度要求，但是在地形精度方面還有所欠缺，只能達到1∶2000的幾何精度要求。有多視影像的參與解算并未顯著提高航空攝影測量中地形高程精度的水平。眾所周知，在航空攝影測量中，高程精度和平面精度及基高比密切相關，在高程估算上，高程精度為平面精度/基高比，對于AMC580系統的垂直相機，其焦距為55 mm，像幅寬度為40.310 4 mm，航向重疊度最小72%，對于1、2鄰片(重疊度72%)，基高比為：1∶4.873；對于1、3鄰片(重疊度24%)，基高比為：1∶1.795。其最佳高程估算值即平面最小中誤差(0.27 m)/最大攝影基線的基高比(1∶1.795)，也達到了0.485 m，無法滿足地形Ⅱ級精度要求。由此可見，地物高程精度和像片的外方位元素的定位精度及像片的基高比密切相關，如果要提高高程精度，即提高外方位元素的定位精度(增加控制點密度，但相對于航向、旁向已很高重疊度的攝區，其將給控制作業和內業轉點作業帶來巨大作業量，且提高高程精度水平有限)，或提高基高比(由于提高像片重疊度的限度有限，因此選用較短焦距的攝影相機和降低航攝高度是較有效的提高高程精度的方法，但短焦距對相機傳感器的尺寸和分辨率要求較高，而降低航攝高度對數據的獲取成本及城市的高度限制都有要求)，這需要進行綜合考慮加以實施。

地形精度代表的是模型的高程方面的絕對精度，高度精度代表的是模型在高程方面的相對精度，由于該實施方案生產出的模型的高度精度較高，可將模型單體化提取出來后安置到具有滿足地形精度要求的三維地形場景中，這也是解決模型地形精度的一種手段，但整體三維模型場景的效果將大打折扣。

模型數據雖相比于常規工藝生產出的模型具有真實、細膩的特點，但也有不盡如人意的地方，在模型質量檢測中發現：①空中有如半截高壓鐵塔等部分懸掛的遮擋物；②個別高層建筑模型立面變形明顯；③少部分池塘水面紋理有漏洞；④個別道路表面出現異常橫狀紋理；⑤個別道路表面紋理有缺損，表示不完整；⑥少部分水面紋理有明顯的拼接縫，過渡不自然；⑦個別橋下水面有變形、懸掛；⑧個別道路模型表面有起伏，與實地現狀不符等問題。

對于錯誤①：引起此類錯誤與影像數據的分辨率與計算機進行影像匹配的辨析能力有關。該類地物的厚度或部件尺寸通常過小，在分米級。當地物的厚度尺寸臨界甚至小于影像的分辨率及幾何精度水平時，計算機無法將其與周邊特征區分開來，要想通過自動化完成該地物的正確建模將是困難的，需通過人工編輯來補齊模型。

對于錯誤②：經分析，此類建筑物側面均屬于玻璃幕墻或具有較強光反射效果的材料，造成計算機識別困難甚至是無法識別，因此在重新建模時錯誤或無法建模，也需通過人工干預的方式進行模型修正處理。

對于錯誤③：由于水的流動、光的反射及紋理的單一都能造成計算機識別錯誤，需人工擬合處理缺損面。

對于錯誤④、⑥：是由于影像勻光勻色處理不到位，造成數據在紋理映射時未平滑過渡，因此映射影像數據需重新處理后再重新進行映射來解決。

對于錯誤⑤、⑧：該問題是由于該路面的紋理單一，局部影像相似度大，造成計算機視覺識別困難，以及數據濾波不充分造成，需進行模型修測處理。

對于錯誤⑦：是由于多視角相機系統的攝影角度導致數據遮擋，而在其他影像中又沒有適合的數據補充，程序在影像匹配時缺少充分的解算條件，因此造成該系列問題，需要進行模型修測處理。

以上這些模型錯誤都是在自動建模階段形成，需在其后使用第三方軟件進行模型修測處理后，再回S3C軟件進行紋理重新映射處理進行解決。

相對于使用常規手段和建模軟件手工或半自動建立起來的模型，使用S3C軟件自動化建模在效率上有了極大的提高。如對于丹陽市這樣縣級市城區規模的測區(約100 km2范圍)，利用傳統手段，需10～20個熟練建模作業人員約一年的時間才能完成三維模型的構建；而使用自動建模模式在S3C軟件下建模，從航攝到最終模型生成，僅需1～2人使用擁有4個節點的S3C系統構建在不到3個月的時間即可完成。但是，由于以上質檢中存在的問題，需要對模型進行修測和優化處理，這當中就需要加派能夠熟練運用逆向工程軟件的作業人員對模型進行處理，這樣需要約十人左右，持續2～3個月才能完成。這樣計算其效率相對于傳統模型的構建，提高僅2～4倍。當考慮到多視角影像的航攝成本，以及S3C軟件系統的前期投入和整個測區以數十甚至數百TB的數據存儲量，其投入和產出需要權衡考慮。

五、相關技術思考

三維實景模型屬于三維模型的范疇。三維實景模型以其生產自動化的高效率和逼真細膩地物的現勢景觀表現而體現出其相對于其他建模方式模型在大范圍城市三維場景模型方面的巨大優勢。但在現有的三維模型應用條件下，三維實景模型也有其局限性，如：①數據的存儲容量過大，三維可視化數據加載困難；②模型面片數過多，模型數據的單體化效果不佳，不利于GIS對模型數據進行分析；③模型的細部表現噪聲較多，當屏幕鏡頭拉近時，展示效果不佳等。

對于①，通過LOD技術對數據進行分層分塊組織實際上已經解決，此外,即是使得顯示效果更流暢的問題。同時參照DOM數據和DEM數據，它們也不是在一個文件中存放整個測區的數據，而是需要對其進行數據分幅管理，由于LOD技術已經涉及將數據分塊，即將模型數據分為若干個Tile，再根據Tile的索引組織成索引文件去進行調度管理。由于傳統的三維模型大多為手工創建，各作業人員建模難免會有差異，為保持模型的完整性，通常模型的分塊存儲是以街區為單位，以保持模型的完整性，這樣模型文件的分塊和組織就比較隨意和無規律。但是以本技術流程自動生產的實景三維模型由于是自動連續生產出來的，不存在數據接邊問題，數據分塊也可以精確控制，因此可以對模型數據進行標準化管理，將Tile塊按照相應比例尺進行分幅。但是，基于Tile數據的優化考慮，即單個Tile的存儲容量、模型數據的三維可視化加載和顯示的流暢性等，不能以對應的成圖比例尺去分幅，而是建議按對應比例尺的模型數據分為4個Tile塊，分別命名為圖幅號+A、B、C、D來組織和存儲數據。

②中的困難實際上可歸結于是否有必要簡化模型的面片和實施模型的單體化的問題。生產出的三維實景模型本質上就是在DSM上映射了航攝像片的紋理信息，其更接近于二維地理信息數據中的DOM數據，例如在GIS系統中，不會為提取DOM中某個目標地物而將其影像單獨裁切開來，而是使用與之匹配的點或是面來反映該地物的信息，在三維GIS系統，完全可以使用點或地物的外包盒子來掛載該地物的GIS屬性信息，而三維實景模型只需反映該地物的實體外殼特征。這樣只有地物的獨立顯示和消隱等少數三維GIS操作實現起來較困難，而其余的三維GIS可視化應用交互都基本上可以實現。

③實際上是一個模型顯示尺度的問題，例如DOM數據，對于比例尺1∶1000的DOM，在小于1∶1000的尺度上去觀察，它是完全滿足視覺要求的，如果強行將其放大到1∶100的尺度去觀察，其分辨率將無法滿足視覺的辨析要求。同樣，對于以比例尺1∶1000的要求生產出的三維實景模型，如若強行將其拉到很近去觀察，并評價其精細度水平，其評價方法也是不合理的。因此，對于③中的問題，是否應該考慮進行相應的條件限制，從而可以宏觀上去把握產品的整體質量。

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中圖分類號：P23

文獻標識碼：B

文章編號：0494-0911(2016)04-0075-04

作者簡介：黃健(1975—)，男，碩士，高級工程師，主要從事攝影測量與遙感的技術研究與應用。E-mail：304417348@qq.com

基金項目：江蘇省測繪地理信息科研項目(JSCHKY201419)

收稿日期：2015-05-13

引文格式： 黃健，王繼. 多視角影像自動化實景三維建模的生產與應用[J].測繪通報，2016(4)：75-78.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0125.