基于傾斜攝影測量技術的校園實景三維模型研究

付紅云 禹 信

（山西能源學院,山西 太原 030600）

1 概述

傾斜攝影測量是一門新興技術,在同一駕飛機上配備多角度相機系統,多角度獲取地面圖像,突破了傳統航空攝影測量技術僅僅只能從單個方向獲取大量數據信息的局限性,更加真實地反映地面的具體情況。

一個真三維場景是智慧平臺搭建的基礎,以往構建三維模型的方法通常利用大比例尺二維數據建立三維模型,但是這種方式構建的模型紋理都是依靠人工貼圖的方式,后期工作量很大,成本較高,更加適合少量部分模型的建立與更新；利用三維激光掃描技術建立三維模型雖具有獲取數據的效率高的優勢,但是處理工作復雜,容易造成數據冗余等[1]。目前,在建立大規模的三維模型時,所有原始數據的獲取采用的都是航空攝影測量技術[2],傾斜攝影測量技術主要是利用無人機或一些其他的飛行器從多個角度取去拍攝地面獲取其影像信息,通過多視影像聯合平差、密集匹配等技術,借助于專業的建模軟件完成建模。本文以山西能源學院校區為例,基于無人機傾斜攝影技術并利用Smart3D 軟件構建校園三維模型,試圖為無人機傾斜攝影的三維建模提供一套可參考的解決方案,并可應用于虛擬校園平臺中的高精度模型的構建。

2 基本原理與關鍵技術

傾斜影像在三維建模方面的廣泛應用相比于傳統的垂直式的航空攝影有著明顯的獨特性和優點,傳統的航空攝影只能進行垂直拍攝,建筑物的側面和底部信息不能全部獲取,導致內業人員往往看不清地物細節,無法真正滿足用戶需要,而傾斜航空攝影不但能夠進行豎直方向的拍攝,對于建筑物的側面也可以具備前、后、左、右4 個視角去提供觀察,極大地改進了傳統影像對于側面紋理難獲取的短板,使三維建模成本大幅降低,提高三維建模的速度[3]。從應用的角度來講,利用獲取到的傾斜影像構建的三維模型可以同時獲取地物的高度、長度、面積、角度、坡度等位置信息,將其與虛擬現實技術結合可設計實現虛擬校園漫游系統。

基于傾斜影像構建三維模型的主要步驟為：傾斜影像的獲取、空三解算和三維模型的構建等,如圖1 所示。

圖1 無人機傾斜影像三維建模基本流程

3 校園三維模型構建應用實踐

3.1 硬件選擇

山西能源學院地處山西省晉中市榆次區大學城,占地約760 余畝,總占地面積約45 萬平方米,總建筑面積約19 萬平方米,距離地面最高建筑27m,高于27m 無任何遮擋物,最終選擇大疆經緯M300RTK 無人機進行影像獲取。綜合考慮到現有的條件與實踐的經驗,本次研究所采用的軟件和硬件系統情況參見表1。

表1 軟硬件參數

3.2 像控布設

為獲取到高精度的三維校園模型,需布設一定數量的控制點。像控點的數量和精度會直接地影響到航測數據處理的精度,所以像控點的布置與選擇要做到盡量規范、嚴謹、精準。為了有效保證外業航飛工作中獲得大量數據信息的準確性需進行相應的像控測量,本次試驗共在校園內布設了4 個像控點（XK1-XK4）和17 個檢查點（JC1-JC17）。像控點主要布設在山西能源學院四角,檢查點選用校園內部采用已經有測繪釘的控制點,像控點采用RTK－CORS 網絡模型施測（CORS 基站選用山西能源學院CORS 站）,利用iRTK2 對控制點進行測量,測定所有像控點4 個,使用iRTK2 測量模型進行檢測點17個,布設方案如圖2 所示。

圖2 像控點、檢查點分布圖

3.3 傾斜影像的獲取

本次試驗以大疆的經緯M300RTK 無人機為主要技術設計基礎,在2020 年11 月對山西省能源學院進行傾斜攝影測量,設計航高為60m,航向、旁向兩方向航線重疊均為80%。根據所設參數,規劃出外業航線（見圖3）。

圖3 外業航線圖

利用大疆經緯M300RTK 無人機按航飛路線飛行所得的研究區影像數據共4031 張,其中影像量為18.2GB。經檢查,所獲研究區影像全覆蓋,沒有明顯的漏洞,而且層次鮮明、顏色飽和,可用于三維模型的制作。

3.4 模型的構建

本次試驗選用的處理的軟件為Smart3D。Smart3D 三維建模軟件是一款無人機數據后處理的軟件,可以進行快速、簡單、全自動三維建模。它以對單個或大型建模主體從多個視角中獲取的圖像、視頻或點云信號采集設備中所獲取的數據為輸入源,經過嚴密的空中三角測量和解算,最后可以輸出帶有真實紋理的三維模型,此外還可以輸出點云數據、多種圖像的正射影像DOM、多種數字表面模型DSM。

數據處理主要包括以下幾個步驟：照片組和POS 數據導入、空三解算、TIN 模型構建,自動紋理映射,最后生成三維實景模型。

圖4 三維建模流程

圖5 校園三維模型

圖6 密集點云

3.5 模型的修復優化

在建模過程中,由于會受到人工誤差、環境影響,建模軟件等的影響,生成的模型會出現缺失、扭曲等現象,這時就需要對模型進行修復。在Smart3D 軟件中對模型進行檢查,對有互相遮蔽或信息冗余的區域的模型進行空洞填補和冗余信息的刪除。模型存在的問題及修復后圖像如圖7、8 所示。

圖7 空洞修復前后對比圖

圖8 冗余信息修復前后對比圖

3.6 精度分析

使用中海達iRTK2 測量的4 個像控點和17 個檢查點均勻分布在山西能源學院校園內,在像片以及三維模型上分別采集出這些點的坐標。通過計算得到各個方向的中誤差。（表2）

表2 實測坐標和三維模型坐標精度對比表

通過檢驗,得出X 方向的中誤差為0.038m,Y 方向的中誤差為0.035m,H 方向的中誤差為0.043m,能夠符合高精度三維模型建立的精度要求。

4 結論

本文以山西能源學院的校園環境為背景,利用傾斜攝影測量技術獲取校園影像數據,構建山西能源學院校園真三維模型,能直觀的反映校園景觀、校園建筑等各種設施,下一步在三維模型數據可量測性的保障下進一步開發虛擬校園漫游系統,將測量與虛擬校園結合起來開發一套測量模擬仿真系統,對測量專業學生進行教學具有非常大的意義。