基于“傾斜+近景”三維建模技術的城市實景三維建設

閔虎

（長沙測繪有限公司，湖南 長沙 410000）

1 引言

隨著云計算、大數據和空間地理信息集成等技術的飛速發展，政府數字化轉型、基層治理、自然資源管理“一張圖”建設進入了嶄新階段[1,2]。三維地理信息比二維地理信息具有更為直觀的空間展示、更加強大的多維空間分析功能[3]，越來越得到用戶的青睞。2022 年2 月，自然資源部辦公廳印發《關于全面推進實景三維中國建設的通知》，明確了實景三維中國建設的目標、任務及分工等，并將建立和更新城市三維實景數據納入基礎測繪范疇。

近年來，為動態掌握城市建設現狀及變化情況，多地采用傾斜攝影測量開展城市三維地理信息數據采集，獲取城市實景三維地理信息數據[4,5]。利用傾斜攝影測量開展實景三維建模具有生產速度快、模型效果真實、細節豐富、成本低廉等諸多優勢[6]，但因復雜的城市建筑高度和建筑密度，以及無人機在空中傾斜航攝時的拍攝角度容易形成拍攝盲區[7]，導致建筑貼近地面區域、被屋檐遮擋區域及建筑密集區域地物的細節紋理信息不足或丟失[8]，實景三維模型放大后會存在局部粘連、拉花、漏洞以及標語字跡辨識度不高等問題[9]，后期修模需要補拍大量照片，大大增加了工作量。

研究以某地城市三維地理信息數據采集項目為例，對地標建筑、歷史建筑等部分重點建筑或區域進行超低空繞飛（貼近建筑或環繞建筑飛行），獲取更多側面紋理（近景影像），對建筑物粘連、屋檐遮擋區域采取“傾斜+近景”相融合的方式提升實景三維模型的側面紋理效果，并利用相機采用人工拍照模式來補充道路兩側建筑物的細節信息，生成道路兩側精細化的實景三維模型數據。通過采取從前端優化數據采集和后端“傾斜+近景”融合建模的方式進行實景三維模型精細化重建，有效改善實景三維模型效果，實踐證明了該方法的有效性。

2 工程案例

某地城市三維地理信息數據采集項目需要獲取地面分辨率優于3cm 的傾斜航攝影像，進行城市實景三維模型生產，測區范圍約45平方公里，具體如圖1所示。項目采用大鵬CW-10 固定翼無人機搭載RIY-DG4pros傾斜航攝相機，以及哈瓦MEGA V8 Ⅲ多旋翼無人機搭載HARWAR-YT-5POPC Ⅳ傾斜航攝相機組建無人機航攝系統。

圖1 測區范圍

2.1 航線設計

攝區的東部及南部屬于平坦的農村區域（即建筑稀疏區）、西南部屬于高山區域，其他區域為城市建筑密集區。航攝分區以此為界劃分不同的分區，且分區界線盡量沿道路或水系進行劃分，分區的地形高差（或建筑高差）一般不大于1/3 航高。同時，航線設計應保證各視角的傾斜相機均覆蓋整個攝區，航向與旁向覆蓋超出攝區邊界線不少于1 個航高；分區邊界線覆蓋應滿足分區各自滿幅的要求，分區之間不應存在漏洞。

本次無人機航飛整體采用南北方向設計航線，因攝區主要位于城區，考慮到房屋密度高、建筑物遮擋等復雜情況，為保障實景三維模型效果，需要采用大重疊設計方案，增大無人機的航向重疊度和旁向重疊度。項目采用航向重疊度為80%，旁向重疊度為75%，對于建筑物高度大于航高1/3 以上區域，需以高樓區域建筑頂部的平均高程為基準，按0.02m 地面分辨率，重新設計航線進行分層補飛，航攝外擴范圍也應大于1 個相對航高。

2.2 控制點布設

項目采用帶有IMU/GPS 輔助航空攝影的無人機航攝系統，航飛時具有完整的POS 數據，根據《1∶500 1∶1000 1∶2000 地形圖航空攝影測量外業規范》（GB/T7931-2008）的要求，約每隔200～250m 布設一個像控點，每平方公里布設16～20 個像控點。采用連續運行衛星定位系統的網絡RTK 技術直接測定像控點的平面坐標及大地高；當因建筑物、植被遮擋造成系統服務信號不穩定時，可采用GPS 靜態測量。測量結束后，利用似大地水準面精化成果進行高程異常改正，得到各像控點的正常高值。

2.3 航攝采集

本次航攝中，城市建筑密集區域采用大鵬CW-10固定翼無人機搭載RIY-DG4pros 傾斜航攝相機進行航飛，航高設置為248m；在平坦且建筑稀疏區或建筑高度不高的區域及山區，采用哈瓦MEGA V8 Ⅲ多旋翼無人機搭載HARWAR-YT-5POPC Ⅳ傾斜航攝相機進行航飛，航高設置為156m。對政府、廣場、體育館、客運中心等26 個重要區域，采用“傾斜+近景”相融合的模式采集實景三維模型數據，即在傾斜航攝常規航線飛行的基礎上，利用無人機（搭載單鏡頭）對建筑物進行繞飛，獲取建筑物的近景影像，整體提高模型的紋理質量。在利用無人機進行建筑物繞飛過程中，如遇到建筑物的高度大于30m 時，應按照不同飛行高度進行盤旋繞飛。

3 三維建模

3.1 數據預處理

在聯合空中三角測量和模型構建之前，需要對原始航攝影像進行預處理，包括數據檢查處理、影像勻光勻色處理和POS 數據規范化處理等。

3.2 空中三角測量

項目采用ContextCapture 實景三維建模軟件，加載影像數據和POS 數據，針對獲取的特征點采用多像密集匹配技術自動匹配同名點，并進行粗點檢測，構建自由網，進行光束法自由網平差。然后輸入像控點坐標，刺點后進行光束法區域網平差，并根據平差結果進行反復調整，直到空三結果滿足需求，進而實現傾斜航攝影像的空三解算，空中三角測量結果如圖2所示。

圖2 空中三角測量結果

3.3 三維模型構建

三維模型構建主要包括點云密集匹配、TIN 模型構建和紋理自動映射三個步驟[10]。

（1）點云密集匹配

根據空中三角測量運算出的影像外方位元素，通過多視影像密集匹配可獲得高密度的數字點云。密集點云數據量較大，需要先將數據分塊后再進行不同層次細節度下的TIN 模型構建。

本項目Tile 設定為130m×130m 的網格切塊。利用密集匹配技術，系統根據高精度的影像匹配算法，對子區塊內包含的所有立體像對進行點云匹配計算，自動匹配出所有影像中的同名點，并從影像中抽取更多的特征點構成密集點云，從而更精確地表達地物的細節。密集點云效果如圖3 所示。

圖3 密集點云效果

（2）TIN 模型構建

密集點云數據量較大，需要先將數據分塊等處理后構建不規則三角網（TIN），再使用軟件對匹配輸出結果簡化，通過對連續曲面變化的分析，對相對平坦地區的TIN 網進行簡化，使得該范圍內三角網密度降低。TIN 模型構建結果如圖4 所示。

圖4 TIN模型構建

（3）紋理映射

首先對優化后的TIN 模型和紋理影像進行關聯配準，為每個三角形建立對應的紋理信息，并將TIN 模型和紋理影像之間的關聯保存在文件中，得到帶紋理的模型。然后建立多細節層次LOD 以優化文件組織結構，增強在模型分層瀏覽時的效率。最后將得到的LOD 結構模型文件轉換為OSGB 格式輸出，模型成果如圖5 所示。

圖5 模型成果

3.4 模型修飾

部分自動生成的實景三維模型，在鏡面（諸如水面、玻璃等）材質部分、細小地物部分，由于同名點無法精確匹配或者鏡面倒影對同名點造成干擾等因素，實景三維模型與實際情況存在一定的偏差。為保證實景三維模型最終整體效果，需要利用DP-Modeler 三維模型修飾軟件對模型成果中普遍存在的問題進行整體修飾。整體修飾內容包括：不明懸浮物刪除、水面與路面破洞修補、水面與路面壓平、重疊面片清理、立交橋貫通、模型接邊處紋理顏色處理（不同相機或不同分區的模型在接邊處色彩要過渡自然，不突兀），以及道路中不完整車輛刪除或壓平處理等。部分模型修飾效果如圖6 所示。

圖6 模型修飾效果

3.5 數據質檢

采用概查與詳查相結合的方式對數據成果進行質量檢查。首先對數據成果進行整體概查，主要對數據成果的空間參考系、位置精度、完整性、整體表征質量等質量元素作為特定檢查項進行檢查。其次進行詳查，對要素進行100%的檢查。當概查和詳查均為合格時，才能進行下一步檢查流程，當檢查結果不合格時退回作業組進行修改，修改后的成果應重新檢查。質量檢查完成后，進行精度檢查，將CORS-RTK 外業實際觀測得到的26 個檢查點坐標與ContextCapture 軟件讀取到的坐標進行比對，用于評定三維建模的精度，精度統計如表1 所示。由表1 可知，三維模型的平面位置誤差和高程中誤差滿足相關傾斜攝影測量三維產品規范中“1∶1000 比例尺成果平面位置誤差不超過0.2m，高程中誤差不超過0.2m”的要求。

表1 模型精度統計

4 結束語

傾斜攝影測量是開展城市實景三維建設的主要技術，如何提高三維建模的質量和精度是應用該技術的關鍵。本文在同一測區，采用了不同飛行器、不同航攝相機和不同的飛行方式，利用前端優化數據采集和后端“傾斜+近景”融合建模的方式進行實景三維模型精細化重建，有效改善實景三維模型效果，實踐證明了該方法的有效性，可以為相關工程實踐提供一定借鑒。