空地一體精細(xì)化三維模型構(gòu)建方法

卞 敏，徐 亮，駱元鵬，周曉波，趙慧峰，楊化超

(1. 中國礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測繪學(xué)院，江蘇 徐州 221116; 2. 徐州市勘察測繪研究院，江蘇 徐州 221000)

近年來，三維重建已廣泛應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)、智慧城市、災(zāi)害監(jiān)測等領(lǐng)域。當(dāng)前主流的獲取物體三維信息技術(shù)的手段有無人機(jī)低空傾斜攝影測量、三維激光掃描、3ds Max、近景攝影測量等[1]。傾斜攝影測量是通過在無人機(jī)上搭載不同視角的傳感器獲取地物的紋理結(jié)構(gòu)信息，該方法快速高效，較之傳統(tǒng)的航空攝影測量，能夠獲取物體側(cè)面豐富的紋理和結(jié)構(gòu)信息，成為實(shí)景三維建模的主流方法[2]，目前已取得較好效果[1-4]。然而，由于無人機(jī)飛行高度及空中攝影采集角度的局限，近地面及被遮擋區(qū)域會(huì)造成地物紋理結(jié)構(gòu)信息丟失或不足，實(shí)景三維模型放大會(huì)出現(xiàn)拉花變形及破洞等現(xiàn)象；三維激光掃描技術(shù)也是當(dāng)前主流的三維建模的有效手段，文獻(xiàn)[5—6]采用三維激光掃描技術(shù)分別完成了歷史建筑和工業(yè)設(shè)備的精細(xì)化重建，均效果顯著，然而其外業(yè)采集效率低下且后續(xù)數(shù)據(jù)處理流程較為復(fù)雜；3ds Max等專業(yè)三維建模引擎是目前較為成熟的建模方法，文獻(xiàn)[7—8]利用3ds Max分別進(jìn)行古建筑和城市建模，均取得了較精細(xì)的結(jié)果，但是其需要大量的人機(jī)交互工作，耗時(shí)耗力;近景攝影測量技術(shù)廣泛應(yīng)用于文物重建、工業(yè)測量等領(lǐng)域，文獻(xiàn)[9—10]采用地面近景攝影測量方法分別完成了文物和采石場巖體邊坡精細(xì)化三維重建，其作業(yè)方式簡單快捷，適合對近地面較小目標(biāo)進(jìn)行建模，但是其效率低下，不適合大場景三維重建。因而，本文在三維數(shù)字化校園的建設(shè)中，提出了融合上述多種建模手段的技術(shù)優(yōu)勢，通過空地一體、虛實(shí)結(jié)合來構(gòu)建精細(xì)化校園三維模型的方法，取得了較好的效果。

1 研究方法與技術(shù)路線

本文總體技術(shù)流程如圖1所示。較大范圍場景區(qū)域的三維建模采用效率高、成本低的無人機(jī)低空傾斜攝影測量技術(shù)完成。針對三維重建后出現(xiàn)的問題，提出了一系列模型精細(xì)化處理技術(shù)，并進(jìn)行多種建模方法的融合以構(gòu)建精細(xì)化的校園三維模型。

2 空地一體精細(xì)化三維模型構(gòu)建

2.1 低空傾斜攝影實(shí)景三維模型構(gòu)建

大范圍的三維場景采用效率較高的無人機(jī)低空傾斜攝影測量技術(shù)來完成。校園航攝面積約為1.89 km2，采用大疆精靈4pro旋翼無人機(jī)搭載五鏡頭傾斜相機(jī)系統(tǒng)(如圖2所示)，相機(jī)焦距為8 mm，像幅大小為4000×3000像素，同時(shí)從垂直和4個(gè)傾斜視角采集地物數(shù)據(jù)。拍攝航向和旁向重疊度均設(shè)置為80%，相對航高設(shè)為80 m，地面分辨率為2.635 cm，共獲取影像53 160張。為提高空三效率，采用分區(qū)空三的處理方法。將測區(qū)均勻分塊，每個(gè)區(qū)塊中均勻布設(shè)4～6個(gè)控制點(diǎn)，共布設(shè)38個(gè)控制點(diǎn)?？刂泣c(diǎn)選取實(shí)地易分辨且較精細(xì)、穩(wěn)定的特征點(diǎn)，采用網(wǎng)絡(luò)RTK作業(yè)模式進(jìn)行像控測量。

傾斜攝影三維重建的核心技術(shù)包含數(shù)據(jù)預(yù)處理、空中三角測量、影像密集匹配、自動(dòng)紋理映射等步驟[11]。數(shù)據(jù)預(yù)處理主要是刪除起飛和降落的像片，影像數(shù)量檢查及依據(jù)區(qū)塊分別進(jìn)行各個(gè)鏡頭的合并等。空三是依據(jù)像片上量測的像點(diǎn)坐標(biāo)，以少量地面控制點(diǎn)為平差條件，求解影像定向及地面點(diǎn)的加密問題[12]?？杖馑惆ㄓ跋衤?lián)合平差、影像匹配等。多視影像聯(lián)合平差需結(jié)合POS系統(tǒng)提供的外方位元素，提取同名特征點(diǎn),在GCP、連接點(diǎn)、連接線之間建立區(qū)域網(wǎng)平差的誤差方程，聯(lián)合解算出像片的外方位元素和加密點(diǎn)的物方坐標(biāo)[13]，光束法區(qū)域網(wǎng)平差的數(shù)學(xué)模型為

(1)

式中，(u,v)為像點(diǎn)坐標(biāo)；(u0,v0)為像主點(diǎn)坐標(biāo)；f為相機(jī)焦距；(X,Y,Z)為物體的物方空間坐標(biāo)；(XS,YS,ZS)為影像外方位元素的3個(gè)線元素；ai、bi、ci(i=1,2,3)為3個(gè)外方位角元素(φ,ω,κ)構(gòu)成的方向余弦。多視影像密集匹配可獲取高密度點(diǎn)云，通過密集點(diǎn)云構(gòu)建TIN網(wǎng)并創(chuàng)建白模，最后進(jìn)行紋理映射。

本試驗(yàn)采用Context Capture(CC)軟件,空中三角測量、三維實(shí)景建模自動(dòng)化水平的提高極大便利了三維實(shí)景重建[14]。分區(qū)空三，獲取每張像片外方位元素的同時(shí)生成密集點(diǎn)云，然后基于空三成果和點(diǎn)云數(shù)據(jù)提取深度圖并構(gòu)建三維TIN[15],依據(jù)三維TIN的位置信息，匹配最佳視角影像進(jìn)行紋理映射[16]，從而完成地面實(shí)景三維建模。實(shí)景三維建模流程如圖3所示。建模完成后，進(jìn)行非建模區(qū)域的剪除和水面、建筑物破洞及結(jié)構(gòu)變形的修飾，圖4為傾斜攝影測量三維實(shí)景建模成果。

2.2 空地一體局部三維精細(xì)建模

對于尺寸較大、結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜、低空攝影時(shí)容易產(chǎn)生遮擋的物體，采用2.1所述的方法通常得不到高質(zhì)量的重建結(jié)果。因此，本文擬采用空地一體的局部三維模型構(gòu)建手段來完成此類物體的精細(xì)重建。

低空傾斜攝影獲得的模型存在嚴(yán)重變形和結(jié)構(gòu)缺失的情況，為此，采用超低空與地面近景聯(lián)合拍攝進(jìn)行精細(xì)化建模。本文試驗(yàn)以地球儀模型為例，地球儀高度約為3.5 m。影像數(shù)據(jù)采集方面，超低空攝影采用大疆精靈4 pro搭載單鏡頭相機(jī)，如圖5(a)所示，焦距為24 mm。在離地球儀頂部5 m俯視環(huán)繞拍攝，再分別下降2 m、3 m手動(dòng)傾斜一定角度環(huán)繞拍攝；地面近景拍攝可采用單反相機(jī)、手持云臺(tái)、手機(jī)等方式，本文采用焦距35 mm的某品牌相機(jī)分遠(yuǎn)近兩個(gè)層次拍攝 (地面近景拍攝設(shè)備如圖5(b)所示)，拍攝時(shí)需保證與超低空攝影有一定的重疊度。像控測量方面，在地球儀周邊均勻布設(shè)4個(gè)人工地標(biāo)點(diǎn)作為像控點(diǎn)。

采集完數(shù)據(jù)后，將拍攝的兩組影像采用CC軟件聯(lián)合建模。影像空三及最終建模成果如圖6所示。需要注意的是，采用CC軟件在空地聯(lián)合建模過程中，需將該模型的坐標(biāo)原點(diǎn)設(shè)為與低空傾斜攝影測量模型坐標(biāo)原點(diǎn)一致,并在DPModeler中踏平、刪除原模型，以實(shí)現(xiàn)空地聯(lián)合近景攝影模型與低空傾斜攝影測量模型的無縫套合。

2.3 3ds Max虛景精細(xì)三維模型構(gòu)建

對于細(xì)高物體，如路燈、旗桿、水準(zhǔn)尺等，由于匹配截面過小導(dǎo)致提取的特征點(diǎn)數(shù)目較少，采用2.1所述方法會(huì)造成模型缺失；對于形狀規(guī)則，紋理豐富且接近地面的物體，由于傾斜攝影獲取不到或數(shù)據(jù)點(diǎn)關(guān)聯(lián)不足，采用2.1所述方法會(huì)造成模型變形、紋理缺失等。此時(shí)，擬采用3ds Max虛景建模來完成此類物體的精細(xì)化重建。

以圖7所示的模型為例，低空傾斜攝影存在嚴(yán)重的模型變形和紋理缺失情況，為此，采用3ds Max技術(shù)對此類物體進(jìn)行精細(xì)化重建。處理方法為實(shí)地量測物體的尺寸，相機(jī)拍攝物體每個(gè)面，借助Photoshop處理比例失調(diào)、畸變的圖片，使之與模型完美貼合。在3ds Max中依據(jù)實(shí)際尺寸通過捕捉、車削、擠出等命令堆疊標(biāo)準(zhǔn)基本體，之后進(jìn)行賦材質(zhì)和貼圖，利用3ds Max展UV的操作進(jìn)行紋理映射。注意3ds Max中模型坐標(biāo)歸0，導(dǎo)出為obj格式，在DPModeler中踏平原扭曲變形的模型，再根據(jù)模型的絕對坐標(biāo)將3ds Max模型導(dǎo)入DPModeler中，以期實(shí)現(xiàn)3ds Max虛景三維模型與低空傾斜攝影實(shí)景三維模型的精確套合。3ds Max精細(xì)化建模結(jié)果如圖8所示。

2.4 地面近景攝影精細(xì)三維模型構(gòu)建

對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、點(diǎn)較多的近地面低矮物體，采用2.1所述方法重建效果通常不佳，而且其他設(shè)備不能進(jìn)行常規(guī)測量，此時(shí)，擬采用地面近景攝影測量方法獲取物體空間位置和姿態(tài)。

以圖9(a)銅人模型為例,采用低空傾斜攝影測量重建效果較差，為此，采用地面近景攝影測量手段完成此類物體的精細(xì)化重建。在銅人周邊均勻布設(shè)6個(gè)人工地標(biāo)點(diǎn)作為像控點(diǎn)。銅人高約1.5 m，采用焦距35 mm的某品牌相機(jī)進(jìn)行拍攝，在高度上分層拍攝，以便采集到銅人頂部的數(shù)據(jù)；環(huán)繞拍攝，保證像片之間的重疊度大于60%，兩張連續(xù)像片的拍攝夾角小于15°。圖9(b)、(c)為近景攝影測量影像空三及最終建模成果。同理，三維重建過程中，需將該模型坐標(biāo)原點(diǎn)設(shè)為與低空傾斜攝影測量模型坐標(biāo)原點(diǎn)一致，并在DPModeler中踏平、刪除原模型，以實(shí)現(xiàn)地面近景攝影精細(xì)模型與傾斜攝影大場景模型的無縫套合。

3 結(jié) 論

無人機(jī)傾斜攝影因其多角度、大范圍、高精度等優(yōu)勢成為大場景三維重建的首選方法。本文根據(jù)其建模后不同類型地物出現(xiàn)的問題，提出了融合低空傾斜攝影測量、空地一體近景攝影測量、3ds Max技術(shù)、地面近景攝影測量等多種建模手段通過空地一體、虛實(shí)結(jié)合來構(gòu)建精細(xì)化校園三維模型的方法，對傾斜攝影三維模型的精細(xì)化建模具有重要的參考價(jià)值。