基于Smart3D的山西工程職業學院唐槐校區三維實景建模研究

董陽武

摘 要：利用無人機傾斜攝影測量技術進行快速三維實景建模，是測繪地理信息熱點方向之一，具有速度快、精度高、過程自動化等特點。本文以山西工程職業學院唐槐校區東北角為試驗場地，利用Phantom 4 Pro無人機獲取傾斜影像數據，Smart3D 軟件生成滿足1：500大比例尺測圖標準的三維實景模型，并對成果精度分析驗證，總結了建模過程中關鍵技術要點和潛在問題，取得了一定成果。

關鍵詞：傾斜攝影測量;三維實景建模;Smart3D;精度分析

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.22.083

1 引言

隨著無人機技術的快速發展，無人機傾斜攝影三維建模正成為較為火熱的研究領域。該方式具有自動化程度高、效率高、精度高、靈活、成本低的特點，彌補人工建模的諸多不足。該建模方式受到越來越多的關注和發展[1]。

Smart3D 軟件是我國廣泛使用的傾斜攝影建模軟件，能在無需人工干預的情況下自動建立城市實景三維模型，具有科學的計算機視覺三維重建過程，經過空三加密、點云匹配、紋理映射等流程環節，自動化、高精度地完成三維重建[2]。此外，美國的Photomesh、瑞士的 Pix4D Mapper、俄羅斯的 Photo Scan等軟件均是在世界上享有盛譽的傾斜攝影測量軟件。

本文以山西工程職業學院唐槐校區東北角為試驗場地，利用Phantom 4 Pro無人機獲取傾斜影像數據，用Smart3D 軟件進行三維實景生產，用南方 RTK儀器在試驗區測量30個檢測點坐標高程值，用實測數據與模型采集數據對比分析，對試驗結果進行精度評定。并總結了建模過程中關鍵技術要點和潛在問題，取得了一定成果。

2 三維實景數據生產

2.1 測區基本概況

此試驗區為山西工程職業學院唐槐校區東北角。試驗區主要有圖書館、體育場、部分學生及教職工宿舍、部分教學樓等建筑，地物類型較多，難易程度適中，適合三維建模試驗。經緯度坐標范圍為 112.6031°E～112.6075°E，37.6778°N～37.6806°N。如圖1所示。

2.2 技術路線

具體技術路線如圖2所示[3]。

2.3 無人機外業航飛

本文試驗于 2018 年4 月24日進行了航飛作業。采用Phantom 4 Pro無人機，相機型號為FC6310，傳感器大小為12.8mm，相機焦距為24mm，航向和旁向重疊度均為80%，地面分辨率為2.47cm 。本次試驗獲得312張帶POS坐標的傾斜影像。布設控制點5 個，坐標系統為西安 80，1985 國家高程基準。

2.4 Smart3D建模

將POS數據、傾斜影像、地面控制點導入 Smart3D工程進行空三加密，使用 POS 數據平差，軟件自動進行相機校驗和像片模型相對定向。將控制點具體位置標定在相關影像上。第二次空三，使用控制點平差，進行模型絕對定向。經過空三加密后獲得密集點云，構建不規則三角網TIN，生成白模，完成紋理映射，生成實景3D模型[4]（圖3）。

3 精度分析

3.1 空三精度評價

空三精度決定3D模型質量，需對空三進行精度控制和分析。本次試驗使用控制點5個。5個控制點X 坐標中誤差為0.004m，Y 坐標中誤差為0.008m，平面中誤差為0.009m;高程中誤差為0.001m;重投影均方根中誤差為0.31px;3D 中誤差0.009m。精度達到要求。

3.2 模型精度評價

為了檢驗模型精度，測區選用30個地物點，用RTK實測其坐標高程值。對檢測坐標和三維模型采集點獲取坐標對比，進行精度評定[5]。評定公式為：

其中，M為成果中誤差;n為檢查點總數;為較差。對檢查點采集值和檢測值較差波動分布統計，、和分別在-0.08～0.09m、 -0.07～0.10m和-0.09～0.06m之間波動，平面中誤差為0.06m，高程中誤差為0.05m，滿足1：500地形圖成圖精度要求[6]。

4 成果及關鍵技術問題總結

（1）此技術方法具有速度快、成本低、自動化程度高、模型精度高、紋理清晰等優點，能完全滿足1：500比例尺地形圖成圖精度要求。

（2）有時Smart3D空三計算失敗，可能由于影像畸變能力較弱，相機校準參數偏離真值等問題[7]。可以采用其他軟件比如photoscan空三加密，成果導入 smart3D進行高精度自動化的三維建模。

（3）為獲得較好的3D模型和表面紋理，應使航帶具有合理的航向重疊度和旁向重疊度[8]。

（4）對于攝影盲區和河流湖泊的建模等常會出現空洞區域，需導入第三方修模軟件（比如Meshmixer、3DMAX）進行處理優化。

參考文獻：

[1]范攀峰，李露露.基于Smart3D的低空無人機傾斜攝影實景三維建模研究[J].測繪通報，2017（S2）：77-81.

[2]任東風，楊帆，潘紅汐.基于 Smart3D 的遼工大北校區三維實景建模研究[J].測繪與空間地理信息，2019（02）：16-18.

[3]熊強，王雙亭等.基于Smart3D的傾斜攝影測量模擬系統三維建模[J].測繪工程，2018（07）：55-59.

[4]鄭盼.基于Smart3D軟件的無人機傾斜攝影三維建模及精度評價[D].成都：成都理工大學，2018.

[5]關麗，丁燕杰，張輝等.面向數字城市建設的三維建模關鍵技術研究與應用[J].測繪通報，2017（02）：90-94.

[6]趙澤華，趙鵬全，趙永貴.基于Smart 3D的無人機航測地形圖方法[J].地礦測繪，2018（04）：22-24.

[7]李瑩，林宗堅，蘇國中等.Smart3D數據的三維模型重建[J].測繪科學，2017（09）：88-93.

[8]ACKERMANNF.Practical Experience with GPS-sup-ported Aerial Triangulation[J].Photogrammetric Re-cord，1994，16（84）：861-874.