城市傾斜攝影實景三維模型數據質量檢查方法研究與實踐

劉增良，陳 思，陳品祥

(1. 北京市測繪設計研究院，北京100038； 2. 城市空間信息工程北京市重點實驗室，北京100038)

近幾年來，傾斜攝影測量技術飛速發展，無人機、傾斜相機越來越普及，尤其是以街景工廠、ContextCapture Center、PhotoScan、PhotoMesh等為代表的一批傾斜攝影三維建模軟件的發展和應用，為大規模城市實景三維數據的快速生產提供了可行的解決方案。相對于傳統人工建模，傾斜攝影實景建模具有生產周期較短、效率高、費用低、模型效果真實等特點[1-2]。當前，國內很多城市都開展了大量的傾斜攝影實景三維模型數據生產，但對于實景三維模型數據質量檢查，目前還沒有針對性的標準規范可遵循，大都參照傳統三維建模成果檢查相關技術規范，依據經驗進行檢查[1,3]。本文結合北京市大規模傾斜攝影實景三維數據質檢檢查的實踐，對實景三維數據質檢過程中發現的問題進行總結，分析實景三維質量檢查的特點，探討實景三維模型數據質量檢查方法和內容，為實景三維成果質量檢查和質量評價提供參考。

1 傾斜攝影實景三維模型特點分析

1.1 實景模型的“一張皮”

實景模型的“一張皮”表達與傾斜攝影三維建模原理與技術處理算法有關，成果以TIN網模型將整個場景各類地物要素“粘連”在一起，形成“一張皮”。各類要素并沒有實現對象化，而是所有地物要素模型為統一的結構模型。因此，實景模型質量檢查不能照搬現有標準進行。

1.2 模型結構特點

模型的精細度取決于原始影像分辨率和傾斜三維處理軟件算法。由于為軟件自動建模，地物模型結構取舍標準是一致的，即各類地物要素模型的精細度基本一致，與地物要素重要性等級無關。一般情況下，區別于地物要素的體量大小和地物周邊遮擋，三維場景中建筑物模型、道路模型、水系模型、地形模型結構比較完整，建筑物的門窗、墻面、陽臺等細節表現較好；植被模型細節一般表現不完整，樹木會出現漂浮、殘缺情況；部分較小地物如電線桿、指示牌、圍墻、塔吊等模型結構一般不完整，出現漏洞、漂浮、殘缺現象[1,3]。這些決定了在實景三維模型質檢過程中，要區別對待不同地物要素，有選擇、有重點地進行檢查。

1.3 模型紋理特點

由于實景模型紋理均來自航攝影像，地物紋理的分辨率基本一致，紋理自動映射，并無人工處理和修飾，其效果真實性強，考慮傾斜航攝時間通常較短，其紋理現勢性較好。在質檢過程中，體量較小的地物要素因其紋理貼圖總像素數小，在近距離瀏覽時，存在紋理模糊的情況。

1.4 模型的空間精度

實景模型的絕對空間精度與航攝影像分辨率大小有關，由于建模過程人工參與較少，相對于傳統三維建模而言，減少了人為誤差，模型空間精度普遍高于傳統三維模型。在原始影像分辨率確定的情況下，模型的整體位置精度取決于空中三角測量精度。在精度檢查過程中，應選擇平整道路地面特征點及建筑物上建模效果較好的房角點進行綜合點位精度檢查。

1.5 三維場景近地面瀏覽

高大建筑及地物間的相互遮擋導致部分地區缺失影像；近地面附近地物側面紋理分辨率低，導致在建模過程中無法進行紋理匹配，模型在近地面出現紋理扭曲變形、局部拉花等現象。在質量檢查過程中，若場景瀏覽觀察視角選擇在近地面，則模型將出現大量展示效果質量問題。因此，在對傾斜模型進行檢查時，應將瀏覽觀察視角選擇在一定高度，即以模型紋理影像最佳分辨率高度進行檢查，而非無條件降到近地面進行檢查，這一點與傳統三維模型質量檢查有很大區別。

2 實景三維模型數據質量檢查方法

目前，實景三維模型數據質量檢查尚無針對性的標準規范可遵循。在現行三維地理信息模型數據質檢驗收的行業標準規范中，其檢查質量元素包括空間參考系、位置精度、表達精細度、完整性、邏輯一致性、屬性精度、時間精度、場景效果、附件質量等方面[3-6]。本文借鑒行業標準規范檢查指標，并考慮實景三維模型數據質檢的技術特點，從空間參考系、模型精度、建筑物模型完整性、場景協調性、數據組織和附件質量等幾方面進行重點分析，總結提出針對傾斜攝影實景三維模型數據的質量檢查方法。

2.1 空間參考系

空間參考系主要檢查實景模型成果數據的平面、高程坐標系統是否符合要求。

2.2 模型精度

精度檢查包括平面位置、高程精度檢查，通過將實景三維模型數據成果與實測的檢查點進行定量比對，統計計算實景模型主體建筑物成果的幾何精度[7-12]。具體方法為：將檢查點的實測三維坐標作為真實值，在模型成果上量取與之對應位置的三維坐標作為實際值，統計真實值與實際值之間的差值，計算中誤差，檢查點選擇包含地面點和建筑物房角點。

2.3 建筑物模型完整性

城市建筑物是傾斜攝影實景三維模型地物要素重點表達對象，而且建筑物模型結構較完整，建筑物的門窗、墻面、陽臺等細節表現較好。因此，在實景模型完整性檢查方面，重點檢查建筑物模型的完整性。具體檢查項包括：建筑物主體是否存在模型多余、遺漏情況，玻璃幕墻漏洞情況，模型扭曲變形情況及紋理的正確性和變形情況。通過檢查人員人機交互的方式，檢查建筑物模型的完整性。

2.4 場景協調性

檢查內容包括場景完整性、水面漏洞情況、場景接邊錯誤等。具體檢查方法包括：由檢查員通過上機對場景進行目視瀏覽，檢查場景完整性情況，檢查水面是否存在漏洞，檢查相鄰區塊是否存在未接邊問題。

2.5 數據組織及附件質量

該項主要包括：分析數據文件的存儲、組織是否符合技術設計要求，數據文件格式、文件命名是否正確，數據文件有無缺失、多余，數據是否可讀。核查分析各種基本資料及參考資料的完整性、正確性和權威性，技術設計、技術總結、檢查報告、原始記錄及其他文檔資料的齊全性、規整性。

2.6 場景瀏覽觀察視角高度

確定場景瀏覽觀察視角高度，即以模型紋理影像最佳分辨率高度對城市實景三維模型完整性、場景協調性、效果進行質量檢查。瀏覽視角高度確定與影像分辨率、TIN三角形最小建模單元邊長、常用計算機屏幕分辨率等因素有關。如影像分辨率為5 cm，TIN三角形最小建模單元邊長為10 cm，在屏幕分辨率為1980×1080像素情況下，在三維場景中觀察視角高度在300～350 m左右。

3 北京六環實景三維模型質量檢查實例分析

北京六環范圍實景三維建模項目面積約3600 km2。項目采用運12和直升機兩種機型作為航攝飛行平臺，傾斜航攝儀選型主要采用了AMC5100和SWDC-5 AP100相機，幅面11 608×8708，單臺相機達1億像素，5臺相機總像素高達5億像素。航攝共劃分10個航攝分區，航向重疊度為80%，旁向重疊度為70%，項目共獲取180多萬張影像，下視影像分辨率平均為5 cm。

項目采用Bentley公司的ContextCapture Center軟件進行空三處理和三維建模工作，共劃分了19個建模分區。其軟件空三模塊采用光束法局域網平差空中三角測量，支持垂直影像和傾斜影像同時導入參與空三計算；由空三建立的影像之間的三角關系構成三角TIN，再由三角TIN構成白模，軟件從影像中計算對應的紋理，并自動將紋理映射到對應的白模上，最終形成真實三維場景。針對自動建模Mesh模型存在建筑物結構漏洞、結構變形、扭曲、玻璃幕墻結構扭曲等問題，本文通過人工方式進行模型修補，再將修補后的模型重新進行紋理映射、模型重建，生產出符合要求Mesh三維模型數據。模型成果為OpenSceneGraph二進制格式(OSGB)，坐標系統采用2000國家大地坐標系、1985國家高程基準。

3.1 質量檢查內容與方法

項目實景三維模型數據檢查主要包括空間參考系、模型精度、建筑物模型完整性、場景協調性、數據組織和附件質量等。上機檢查三維場景瀏覽視角高度統一設置為300 m。其檢查方法主要為：①在ContextCapture Center軟件環境下，采用人機交互檢查方式，檢查空間參考系、建筑物模型完整性、場景協調性等；②采用野外實測的方式獲取檢查點，通過檢查點與Mesh模型對應點坐標比對檢核的方式檢查模型精度；③通過人工查閱設計文檔、數據成果文件，檢查數據組織、附件質量等。

三維模型質量評定標準參考現有三維數據檢查規范，同時針對實景三維模型的實際特點，在質量元素權重方面，適當提高模型精度和建筑物模型完整性兩項質量元素權重占比。

3.2 質量檢查問題分析

對三維模型的空間精度檢查進行了外業實測，19個建模分區共實測檢查點1220多個，各建模分區平面中誤差在0.09～0.19 m之間，全區平面中誤差為0.136 m，各建模分區高程中誤差在0.07～0.15 m之間，全區高程中誤差為0.108 m。

對建筑物模型完整性和場景協調性問題進行了重點檢查，其主要問題為：建筑物結構漏洞問題，建筑物結構扭曲變形問題，玻璃幕墻結構扭曲問題，水面漏洞問題，模型接邊處紋理變形問題，如圖1所示。

模型存在的問題，如由于遮擋、水面、玻璃等缺少紋理特征且易產生反射現象的表面造成模型產生漏洞、扭曲的，可通過人工交互編輯進行修飾修補，以優化模型效果[13]。模型優化處理過程為：在ContextCapture Center軟件環境中，通過工具導出需要編輯的瓦片數據，輸出為OBJ格式，導入第三方軟件3ds Max、GeoMagic環境中進行模型結構恢復，對凹凸不平進行拉平，冗余進行刪除，再將恢復結構的OBJ文件導入ContextCapture Center軟件中重新匹配紋理，生成修改后的模型，如圖2所示。

受傾斜攝影實景三維建模軟件算法、影像重疊度、影像航飛獲取時間、天氣情況等限制，目前部分模型問題通過傾斜攝影技術手段暫時無法處理，需要后期補充影像信息，采用人工重新建模等方法進行解決，此類問題在實景三維模型數據檢查中暫不處理，問題歸類如下：

(1) 部分模型存在紋理色調差異、色彩斑駁、表面黑斑問題。

(2) 建筑物本身存在飛檐、內凹、夾縫、鏤空等結構及部分附屬物等細小結構，造成模型紋理出現扭曲或缺失問題。

(3) 地物密集區建筑物、構筑物等部分結構扭曲、紋理失真問題。

(4) 近地面地物間粘連、地物貼圖錯誤、地面陰影匹配錯誤等問題。

(5) 移動物體造成的路面、水面紋理錯誤、表面物體密集等問題。

(6) 薄墻、路燈、發射臺、電線、廣告牌等地物破損或缺失問題。

(7) 地面樹木、植被與其他地物粘連、懸浮問題。

(8) 施工區域模型懸浮、不完整問題。

3.3 質量控制方法分析

通過大規模傾斜攝影實景三維模型數據質檢實踐，及對質檢問題進行歸類梳理，存在的質量問題主要為空間精度問題、建筑物不完整、場景效果問題等，模型在空間參考系、數據組織方面一般質量問題較少。對傾斜攝影實景三維模型數據質量的控制取決于多方面因素，其涉及航攝設計、航飛、外控測量、影像處理、空三、三維建模多個階段，具體環節因素包括：①影像分辨率；②影像重疊度；③影像質量(季節、時間、色彩、云影、云霧、反光等)[14-15]；④像控點精度；⑤空三處理精度；⑥建模軟件處理算法。需要控制好每個環節的各個因素，才能生產出高質量傾斜攝影實景三維模型數據。

4 結 語

目前傾斜攝影實景三維建模技術已廣泛應用于城市大規模三維模型數據生產中，但針對性實景三維模型數據成果的質檢規范尚未出臺，本文在大規模實景三維數據質量檢查實踐基礎上，分析了實景三維模型數據質量檢查內容、檢查方法，提出了針對實景三維模型檢查重點內容，包括模型精度、建筑物模型完整性、場景協調性等方面，通過實際案例對問題進行具體歸類分析，提出了相應改進方法，以期為城市傾斜攝影實景三維模型數據成果質量檢查和質量評價提供技術參考。