手機影像輔助傾斜攝影的快速精細化建模方法研究

李聞杰，左小清，唐靈，楊栩，張暢

(1.昆明理工大學，云南 昆明 651051； 2.株洲市規劃設計院，湖南 株洲 412000)

1 引 言

隨著各種測量手段的不斷進步，地理信息產業和空間數據的獲取手段得到了飛速發展。城市化進程加快，數字城市、智慧城市快速發展。傳統的二維數字地圖已經不能滿足各個行業的相關需求。相較于傳統的二維地圖，三維數據具有更直觀、更真實、數據量更大、精度更高等眾多優點[1～3]。

傾斜攝影三維建模技術是現在大范圍三維建模的主流技術。通過在同一飛行平臺上搭載多臺傳感器，同時從一個垂直、四個側視等不同角度采集影像。該方法方便快捷，效率高，采用實景照片貼合紋理具有極高的逼真度。但是由于飛行高度較高拍攝角度有局限、地面地物有遮擋，導致地物模型的局部變形、拉花，從而影響建模效果。

現行主流精細化建模技術有三種。第一種也是較為主流的方法是以傾斜攝影為主，結合地面激光雷達的作業模式[4～7]。無人飛行器搭載傾斜攝影系統采集測區傾斜攝影影像數據，地面激光雷達采集特定目標建筑物地面點云數據，提高了三維建模的精度，完善了模型地面紋理細節。但是存在設站過多、外業工作量大、兩種技術數據格式不統一、數據融合煩瑣等問題，造成精細化建模效率低下。

第二種是利用傾斜攝影測量結合小型無人機近景攝影測量的實景三維精細化建模[8～10]。該方法可大幅提升實景三維模型效果，特別是對模型側面紋理、結構效果有很大提升。但是地面工作量大，需要多臺無人機配合采集數據。

另一種單體化精細建模主要是利用相關軟件(如3ds Max等)人工手動建模[8，11，12]，手工建模的三維模型效果好，但是建模的過程復雜、結構復雜、制作周期長、無法適應快速變化的城市環境更新。紋理的制作與貼圖十分麻煩且地物地貌較為虛擬，會將影像直接投影至模型表面，如建筑物前的植物等物體會被貼圖至建筑物表面，導致逼真度差與真實世界存在較大反差。

本文在現有研究基礎上，利用手機近景影像輔助無人機傾斜攝影影像進行精細化三維模型重建，選用株洲市清水塘工業園區內某棟建筑物作為實驗對象。

2 研究區概況

本次研究主要針對大范圍實景三維模型中特定目標建筑物的更新，研究區選擇了湖南省株洲市石峰區清水塘工業園區 13 km2的范圍。清水塘片區是我國“一五”“二五”期間重點建設的工業基地之一，經過60多年的發展，形成了以冶煉、化工為主的產業格局。片區內工業園區、低矮建筑物、中高層建筑等分布均勻，有利于選取特定建筑物完成精細化建模實驗。研究區域如圖1黃色線框所示。

圖1 研究區范圍

3 原理和方法

三維實景模型重建的過程是先利用采集的影像進行空中三角測量解算生成點云，從而構建TIN三角網，再將采集的影像紋理數據貼合到構建的TIN三角網上，從而實現三維實景建模。

將無人機傾斜攝影影像數據和手機近景影像數據分別提交空中三角測量任務，完成后合并兩個空三成果文件，在此基礎上重建精細化三維模型。

實驗數據的獲取與處理技術路線如圖2所示。

圖2 技術路線

3.1 無人機影像獲取及預處理

(1)無人機影像數據獲取

無人機主要采集整個園區的傾斜影像，以及特定建筑物的頂部影像。

①選擇作業區域。測區株洲清水塘老工業園區，作業面積 13 km2。

②航線規劃。外業航飛數據采集工作采用四旋翼無人機搭載五鏡頭傾斜攝影系統。該傾斜攝影系統是SONY a6000五鏡頭傾斜攝影系統，其具體參數如表1所示。針對飛行面積，作業效率，作業區域地形條件，無人機性能等相關約束條件，在飛控軟件中規劃出最優航線。無人機飛行高度 191 m，空間分辨率 3 cm，航向重疊度80%，旁向重疊度75%。

③地面像控點布設。由于采用的無人機為免像控無人機，機身上搭載了GPS接收機，但根據工作經驗其高程數據并不精確，故在外業航飛數據采集之前需要布設高程控制點。在測區選擇了15個地面高程控制點，要求其上方無地物遮擋，測區范圍邊界處控制點適當加密。平面坐標采用2000國家大地坐標系，高程系統采用1985國家高程基準。

傾斜攝影系統相機參數 表1

④航飛數據采集。選擇天氣晴朗，光照條件好，風力較小的時間進行無人機影像數據采集的外業工作。

(2)無人機影像數據的預處理

①影像質量檢查。檢查無人機采集的影像數據質量，查看影像文件完整性，抽檢色調、亮度是否一致，清晰度是否符合要求。

②空三解算。將合格的影像導入Context Capture軟件。手動設置傾斜攝影系統的鏡頭參數。添加POS文件與控制點文件，手動對影像控制點刺點，提交空三任務，進行自動空中三角測量。

③三維模型重建。檢查空三成果是否合格，有無影像錯層等現象。設置統一起算坐標與建模瓦片大小，以便之后精細化建模替換原模型，從而達到大面積三維實景模型中特定建筑物局部更新的目的。

3.2 手機影像獲取及預處理

(1)手機影像數據獲取

近景影像數據采集。地面近景影像數據采集采用Oneplus 8型號智能手機，拍攝時使用定焦功能。該型號手機系統參數如表2所示。手動拍攝可打開手機相機中九宮格功能輔助拍攝，以控制重疊率(80%)，影像中心盡量保持在同一直線，可使用立式手機支架輔助以保證相片的穩定性。在同一個拍攝點位需采集正視方向、左側45度角、右側45度角三個方向的影像數據，分別采集地物正面、側面紋理，保證紋理數據的完整度。

手機系統相機參數 表2

(2)手機影像數據的預處理

①影像質量檢查。檢查手機采集的影像數據質量，及時檢查手機影像是否合格，有無模糊等情況。剔除不合格影像。

②手機影像預處理。由于手機相機拍攝影像畸變較大；需要對手機采集影像進行影像幾何畸形矯正。對幾何矯正后的數據進行勻光勻色處理。

③選取控制點。本文為了研究一種精細化模型局部快速更新的方法。因此直接在傾斜模型中量取未拉花、變形的特征點(如房角與地面交點、窗角等)坐標值作為手機影像的控制點。

④空三解算。將預處理合格后的影像導入Context Capture軟件。手動設置智能手機的鏡頭參數。添加控制點文件，進行控制點刺點，對拍攝影像進行影像糾正。提交空三任務，進行自動空中三角測量。

3.3 多源數據融合及三維重建

①空三成果融合。在Context Capture軟件中合并手機影像解算的空三文件與無人機傾斜攝影采集影像的空三文件。

②精細化三維模型重建。空三成果合并后重建精細化三維實景模型，瓦片分塊設置與傾斜式三維模型設置相同，均為 100 m的分塊大小，設置同一起算坐標保證每一個瓦片的命名一致。為了提高工作效率，無須整個測區大面積建模。可以手動選擇需要精細化建模更新的瓦片分塊，單獨重建該區域三維實景模型，構建出無人機傾斜攝影數據和手機近景攝影數據結合的實景三維模型。

③模型修飾。由于手機影像像元大小過小，對影像匹配的精度有所影響。大面積白墻三維模型重建之后存在小范圍空洞，需要通過DP-Modeler軟件填補白墻空洞。

④模型局部更新。將精細化建模的瓦片直接替換原傾斜式三維實景模型的同名瓦片數據，完成大面積三維實景模型中對特定目標建筑物的精細化模型更新。

3.4 重建模型精度評價方法

為了檢驗該方法的實際精度是否滿足規范要求。本文使用全站儀實地隨機測量了8個特征點的坐標值作為真值。運用Context Capture Viewer軟件中的量測工具，量測傾斜攝影三維模型和數據融合精細化模型中的對應點坐標值，量測三次取平均值，該數據作為檢測數據的觀測值。通過計算得出傾斜模型與精細化模型的點位中誤差，用此作為重建三維模型幾何精度的評價指標。坐標中誤差計算公式如式(1)所示。

(1)

4 結果與分析

4.1 多源數據融合三維重建結果

無人機傾斜式三維模型重建完成后可發現傾斜式實景三維模型較為逼真地反映了現實世界，但是放大后發現有些建筑物拉花嚴重、局部扭曲、建筑物結構不完整，無法達到精細化建模要求，如圖3所示。

圖3 傾斜式三維模型

將兩組空三成果文件合并后進行精細化三維模型重建，同一棟建筑物更新前后對比如圖4所示，圖4(a)為傾斜式三維模型，該棟建筑物結構扭曲明顯，紋理拉花嚴重與實際建筑物相差較大。圖4(b)為傾斜攝影影像結合手機近景影像重建的實景三維模型，該建筑物結構更加完整；未發生扭曲、變形，紋理無拉花，細節清晰，模型更加美觀，與實際相差較小。達到了精細化建模的預期效果。

圖4 手機精細化建模對比圖

因前后兩次模型重建任務的起算坐標與瓦片大小相同所以可實現同名瓦片替換，以達到局部精細化更新的目的。模型精細化更新對比圖如圖5所示，圖中兩棟建筑物位于更新瓦片與未更新瓦片邊緣交界處，其中，圖5中左建筑物為精細化模型更新的建筑物，右建筑物為未精細化模型更新的傾斜攝影三維模型。由圖5可見，對目標建筑精細化更新效果良好。結果表明該方法可以實現精細化模型的局部更新。

圖5 模型精細化更新對比圖

4.2 模型精度評價

通過Context Capture Viewer軟件中坐標量測功能，分別量測傾斜攝影三維模型和數據融合精細化模型中的對應點坐標值，計算其與全站儀實測坐標的差值，統計數據如圖6所示。通過公式1計算得出傾斜模型與精細化模型的點位中誤差如表3所示。

圖6 模型坐標與實測坐標差值折線圖

模型中誤差統計表 表3

由表3，精細化建模的平面中誤差為 ±2.41 cm。由于手機近景影像精細化建模的控制點數據來源于原模型，因此高程精度幾乎沒有差距，均為 ±5.22 cm。

根據《三維地理信息模型數據產品規范》，三維模型平面精度規范如表4所示，高程精度要求如表5所示：

三維模型平面精度要求 表4

三維模型高程精度要求 表5

《三維地理信息模型數據產品規范》中根據實際地形的不同，對三維模型的精度要求也不同，精細化模型的平面精度達到規范中Ⅰ級精度要求，高程精度達到了平地地形Ⅰ級要求。由表3可知，精度較傾斜式三維模型平面精度提高了19%，其原因是精細化建模后結構更完整，房角、屋檐等結構十分明顯，在使用量測功能選擇特征點時更精確。

4.3 實用性評價

(1)工作效率對比

針對本文實驗的兩棟目標建筑物若使用地面激光點云補充采集低空傾斜攝影盲區數據，前期需要完成布設測站，測站控制點測量等準備工作，外業數據采集和內業數據處理均需要較長的時間。

如果使用無人機近景攝影測量的方法補充采集盲區影像，則需要在二次實地航飛前完成規劃環繞飛行航線和貼近飛行航線等前期工作。如果建筑物周圍樹木或其他物體遮擋較多則需要手動操作無人機采集影像數據，對外業操作者要求很高。

利用3d Max等軟件人工手工的方式對實驗中的兩棟目標建筑物精細化修模預計需要 1 h。若建筑物模型結構變形嚴重，模型表面空洞過多其工作時長將會更長。

而本文提出的利用手機采集低空傾斜攝影盲區影像數據的方法，實驗中兩棟目標建筑物的外業數據采集工作僅耗時 10 min，內業空三加密解算耗時 3 min。不同工作方式精細化建模時間對比如表6所示。

不同工作方式精細化建模時間對比表 表6

通過對比幾種精細化方法的工作時間可以得出：本文提出的手機補拍低空傾斜攝影盲區影像數據的方法，相較于其他三種傳統方法外業內業工作周期短、工作量較小、具有較強的操作優勢、大幅提升了工作效率。

(2)生產成本對比

地面激光雷達掃描儀，小型專業級無人機等專業儀器設備以及3d Max等專業模型軟件都價格高昂，并且需要加大相關專業人員的投入，生產成本極高。利用日常智能手機補拍地面影像數據可有效降低工程生產成本。

5 結 論

針對傳統三維建模的優缺點，本文發展了一種傾斜攝影測量技術與手機近景攝影測量技術相結合的快速實景三維精細化建模方法。相較于單一無人機傾斜攝影技術，該方法利用手機地面近景影像彌補了傾斜攝影技術由于視角造成的地物遮擋，存在拍攝盲區的缺陷，通過無人機搭載傾斜攝影系統低空作業也解決了地面手機無法采集到的建筑物頂部數據的問題。兩種數據采集方式很好地實現了空地互補。通過該方法能夠完成對特定目標建筑物精細化建模，所生產的三維實景模型美觀、結構完整、紋理清晰。通過統一起算坐標，固定模型瓦片大小，可直接將數據融合后重建的精細化三維實景模型數據替換原傾斜式三維實景模型數據，以達到對特定目標建筑物三維精細化建模局部更新的效果。該方法具有良好的可行性、有效性、經濟性。相較于主流的地面激光點云與傾斜攝影技術融合的精細化建模的方法，本方法工作效率明顯提升且能實現多建筑物的精細化建模局部更新。