基于傾斜攝影和近景攝影技術的實景三維模型制作

姜如波

(蚌埠市勘測設計研究院，安徽 蚌埠　233000)

1　引　言

近年來，隨著經濟社會的快速發展，城市建設水平的不斷提高，當今城市的發展正在從數字城市向智慧城市邁進，傳統的模擬三維模型難以滿足智慧城市的規劃、建設、管理需求[1]。隨著無人機傾斜攝影測量技術的快速發展，利用無人機搭載多視鏡頭進行傾斜攝影，快速生成城市的實景三維模型，已成為獲取地面三維信息的重要手段[2]。傾斜攝影技術雖然具有真實性、全要素的優勢[3]，但是，在實景三維的應用中發現很多不足之處，特別是近地面和建筑側面細節表現上，往往出現大面積的數據丟失、模糊、拉花等現象。本文從傾斜攝影測量的不足之處著手，將傾斜攝影和近景攝影技術有機融合進行聯合建模，來彌補傾斜攝影測量的局限性。再將傾斜影像模型的丟失和模糊的細節進行修復，得到清晰度和識別度更高的實景三維模型。

2　傾斜與近景攝影測量系統簡介

2.1　傾斜攝影測量系統

傾斜攝影是測繪領域近些年發展起來的一項高新技術，該技術通過從1個垂直、4個傾斜鏡頭同步采集影像，獲取豐富的地面高分辨率影像信息。它不僅能夠真實地反映地物情況、高精度獲取建筑物紋理信息，還可以通過先進的定位、融合、建模等技術生成真實的三維城市模型。傾斜攝影測量系統如圖1所示。

圖1　傾斜攝影測量系統

2.2　近景攝影測量系統

影像測量儀(vRTK)是近景攝影測量領域新興的一款開拓性產品，該產品采用單鏡頭搭配成熟的RTK進行外業采集影像數據、位置信息，內業結合專業的數據處理軟件，可生成高精度點坐標、三維模型等可視化交互物。近景攝影測量系統如圖2所示。

圖2　近景攝影測量系統

3　數據源分析

3.1　傾斜攝影數據源分析

傾斜攝影測量相比于傳統航空攝影測量，它可以通過一次飛行，同時獲取垂直、前后、左右5個角度的地面影像信息，同時通過POS系統獲取與每組曝光影像相對應位置及姿態信息[5]，從而得到用于實景三維建模的影像及姿態位置文件。該方法獲得的數據具有高真實性、可量測性、全要素性。但是，由于建筑物等地面實體的遮擋和攝影角度的不同，可造成近地面和建筑物側面數據的丟失、細節顯示不清晰。

3.2　近景攝影數據源分析

近景攝影測量技術作為一項發展較為成熟的技術，vRTK是近景攝影測量領域新興的一款開拓性產品，相比于傳統的手持相機拍攝影像，它拍攝的同時，利用RTK獲取每張曝光影像相對應的高精度位置、姿態信息，現場作業后無須再布設像控點。其拍攝的近地面和建筑側面要素數據完整、細節清晰，是傾斜攝影獲取的影像數據的補測，能夠很好地修復傾斜攝影在近地面和建筑側面的數據失真現象。

4　實景三維模型制作的總體技術流程

實景三維模型空地數據聯合制作的思路：以無人機傾斜攝影測量、地面近景攝影測量系統獲取的數據作為實景三維建模的基礎數據，利用vRTK影像測量儀進行建筑物底部及側面數據采集，通過影像定向后獲取后續聯合建模所需的成果包，其中基于近景攝影測量前方交會原理[6]，經過“刺點”后提取的特征點坐標用于傾斜影像空三解算的像控點，實現空地數據的坐標系統統一，然后聯合傾斜實景模型和地面vRTK數據進行建筑物模型精細單體化建模，最后將單體化模型重置于三維場景中。機載傾斜攝影數據與近景攝影數據聯合處理技術流程如圖3所示：

圖3　數據聯合處理技術流程

5　實景三維模型制作的實現

利用傾斜攝影和近景攝影技術進行實景三維聯合建模的關鍵技術主要包括數據源的空中三角測量，傾斜影像實景三維模型的快速生成，實景三維模型單體化及三維場景重構。

5.1　數據源的空中三角測量

為了保證空中傾斜影像與地面近景影像能夠自動配準，采用統一的平面坐標系和高程基準，首先需對地面近景影像進行空三解算，采用儀器配套的VRTK Access軟件進行數據處理，該程序能夠自動完成分組內影像的特征提取、特征匹配、空三解算等步驟[7]，導出解算后的空三成果文件(影像列表、相機內參數、外方位元素)與畸變影像，解算過程如圖4所示。解算完成后，選擇定向好的兩張不同影像通過刺點方式進行特征點坐標采集，將坐標成果導出用于傾斜影像空三解算的像控點，特征點選取需滿足傾斜影像和地面影像上目標影像都清晰、易于判讀的線交位置或低矮房屋的明顯拐點。

圖4　近景影像解算過程

5.2　傾斜影像實景三維模型的快速生成

ConTextCapture軟件實景三維建模中應用較為廣泛的軟件，它通過加載采集端獲取的多視覺影像可以快速生成具有高分辨率的真三維模型，其優點包括對區域進行整體三維重建，并且數據處理過程具有全自動化、高效率等特點，同時還可以采用集群式聯機運算，大大縮短數據處理時間。利用ConTextCapture進行實景三維建模，首先加載POS數據和傾斜影像，經控制點刺點后進行傾斜影像聯合平差，精確計算每一張影像的外方位元素同時生成高密度高精度的三維點云數據，在點云的基礎上提取深度圖并構建三維TIN，最后根據三維TIN的空間位置，獲取影像進行自動映射紋理[8，9]，從而快速得到傾斜實景三維模型，如圖5所示。

圖5　傾斜實景三維模型

5.3　實景三維模型單體化建模

傾斜實景三維模型可以看成是一張表面覆蓋高分影像的連續TIN三角網，在GIS管理和應用中，傾斜攝影模型中的對象不能單獨被選中和進行屬性查詢，只能像影像一樣作為底圖進行瀏覽，無法進一步深入應用，因此需要對傾斜三維模型進行單體化。目前應用較為廣泛的單體化方法主要有以下兩種：邏輯單體化、物理單體化。邏輯單體化是指通過對傾斜三維模型中的對象進行單純的疊加二維矢量底面，在渲染層面實現建筑物、道路等地物單體化，并通過矢量面作為載體進行屬性掛接，從而實現對象的單獨管理、屬性查詢等功能。該方法只是簡單查詢建筑輪廓的矢量面、并非真正意義上的單體物理分離，而物理單體化是通過人工重建的方式將建筑物、道路等對象進行物理分離，重建的實體能夠進行編輯和修改、并附加屬性來實現查詢統計和分析等功能[10]。目前可以實現物理單體化的軟件主要有DP-Modeler、Oblique Sketch等軟件，這兩款軟件都是在傾斜影像模型的基礎上，進行建筑物的邊界提取、紋理自動匹配及三維模型場景重構等過程。其中DP-Modeler是國內應用較早的一款支持多源數據聯合建模軟件，本文以DP-Modeler為例，詳細介紹物理單體化建模的實現過程。

(1)物理單體化建模技術流程。DP-Modeler是一款基于三維影像的建模軟件，可對傾斜影像的自動建模成果進行單體化修飾，懸浮物刪除等工作[11]，可得到建筑物的精細模型，其技術流程如圖6所示。

圖6　單體化技術流程

(2)物理單體化建模過程。首先加載空地影像的空三加密成果進行數據配置，以傾斜三維實景模型為基礎，在頂視圖模式下進行建筑輪廓勾勒，對其進行編輯、調整，推拉至基準面得到建筑主體模型，然后利用傾斜影像和地面RTK影像獲取建筑物的側面及底商結構信息，并經編輯、推拉等操作形成凸凹明顯的結構，建筑結構完成后，利用建筑紋理信息可采集的特點，實現模型一鍵自動貼圖。建筑物頂部采用無人機垂直影像貼圖，側面及底商結合傾斜影像和地面RTK影像拍攝效果進行人工干預選擇貼圖。從而實現單體化模型精細化修飾效果。圖7(a)為傾斜攝影直接建模效果，圖7(b)為聯合單體化建模效果。與近景攝影聯合建模后，可以看出傾斜攝影建筑物模型側面信息模糊、丟失、紋理拉花等現象得到很好修復。

圖7　精細單體化聯合建模

5.4　實景三維模型重構

基于DP-Modeler軟件對三維模型精細單體化建模后，在傾斜實景三維模型中勾繪修飾區域范圍線，通過模型踏平、刪除、重構等方式，將新建的單體化模型與場景融合，進而形成可單體化管理的精細實景三維模型。從而達到傾斜實景模型深入GIS應用的目的。場景重構前后效果比對如圖8所示。

圖8　場景重構前后對比圖

6　生產效率對比分析

目前常規建模技術主要分為以下4類：傳統人工建模、三維激光掃描建模、數字近景攝影測量建模、傾斜攝影測量建模。其中傳統的三維建模通常使用3ds Max、AutoCAD等建模軟件，基于CAD二維矢量圖、影像數據或者手工拍攝的照片估算建筑物的輪廓和高度信息進行人工建模。該方法制作的模型外觀美觀，但精度較低，并且生產過程中需要大量的人工參與、制作周期較長。三維激光掃描技術可以快速連續對觀測對象進行掃描測量，獲取對象表面的三維點云數據，該方法具有非接觸、高精度等優點，后期通過對點云數據進行配準、降噪、提取、封裝等一系列操作構建三角網模型，最后通過手工方式映射紋理信息獲得三維模型。這種方法不僅生產周期長、效率低，同時模型的映射質量一般，適用于小范圍的精細模型構建。數字近景攝影測量技術可以對非接觸、面狀地物進行快速拍攝，通過對拍攝的影像進行自動匹配、空三解算、生成點云、紋理映射等一系列操作來構建三維模型，該方法具有模型效果好、精度高等特點，但也存在建筑物死角、頂部無法拍攝的缺點。傾斜影像建模技術外業航拍作業范圍更廣、成本低、效率高，內業數據處理對計算機硬件配置要求較低，可以實現計算機集群式處理，更適用于大范圍的三維模型構建，但該方法也存在建筑物側面、底部信息采集不全的缺點。以上四種建模方法優缺點對比總結如表1所示。

不同建模方法對比　　　　　　　　　表1

本文基于傾斜和近景攝影測量的基本原理，對傾斜和近景攝影測量三維建模技術的優勢和不足分別進行了詳細的分析，將傾斜攝影與近景攝影技術進行有機聯合，采用統一的空間基準及坐標系統進行空地數據聯合單體化建模，該方法在保證三維模型精度的情況下，可大幅提升三維模型的生產效率和顯示效果，與其他傳統建模技術相比、模型制作時間減少一半以上、投入人員減少2/3。目前、該方法還存在無人機飛行姿態受天氣影響較大、需搭載PPK后差分處理系統來保證精度等問題，在今后的實際項目中，也可以考慮利用機載三維激光掃描獲得的高精度點云數據與傾斜攝影測量技術獲得的三維模型數據進行融合建模，從而進一步提高模型的整體精度。

7　結　論

在三維城市建設項目中，隨著三維城市建模需求和范圍的增大，無人機傾斜攝影測量的影像快速采集、自動化空三及建模技術，在生產效率上顯現出強大的優勢。本文提出的基于傾斜和近景攝影技術的實景三維模型制作的方法，在實際工程項目中進行了驗證，對建筑物單體化重建的同時，修復了建筑物側面和底部紋理，并大大提升了城市三維建模的生產效率和模型效果。經單體化建模后的精細模型，附加屬性后重置于傾斜實景三維模型中，實現了傾斜實景三維模型的精細化重建與單體化管理，為后期三維場景的深入行業應用提供了便利。