基于無(wú)人機(jī)傾斜攝影的精細(xì)化三維模型制作研究

王小妹　王雯雯

摘要：采用傾斜攝影技術(shù)生產(chǎn)的三維模型，通常存在建筑物變形、樹(shù)冠懸浮空中等問(wèn)題。對(duì)于城市三維管理而言，建筑物變形導(dǎo)致精度降低，而樹(shù)冠懸浮空中則影響了視覺(jué)效果，因此需要進(jìn)一步對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化處理。文章首先介紹了傾斜攝影技術(shù)，并對(duì)基于傾斜攝影數(shù)據(jù)生產(chǎn)實(shí)景三維模型的流程做了簡(jiǎn)要介紹。重點(diǎn)分析了模型產(chǎn)生問(wèn)題的原因，并給出了相應(yīng)的解決方案。通過(guò)對(duì)研究區(qū)的模型進(jìn)行優(yōu)化處理，取得了較好的結(jié)果。文章的研究成果可為同行在精細(xì)化模型制作方面提供借鑒。

關(guān)鍵詞：無(wú)人機(jī)；傾斜攝影；實(shí)景三維模型；精細(xì)化模型；空三加密

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2024）14-0104-03 開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID） ：

0 引言

近年來(lái)，傾斜攝影技術(shù)取得了飛速發(fā)展?；谶@一技術(shù)生產(chǎn)的實(shí)景三維模型被廣泛應(yīng)用于高精度基礎(chǔ)測(cè)繪產(chǎn)品，并逐漸成為城市三維管理的一種趨勢(shì)。對(duì)于基礎(chǔ)測(cè)繪產(chǎn)品而言，借助傾斜攝影技術(shù)獲得的實(shí)景三維模型可以用于生成數(shù)字線劃圖和真正射影像。然而，這些測(cè)繪基礎(chǔ)產(chǎn)品對(duì)實(shí)景三維模型的精細(xì)度要求并不高[1-2]。相比之下，對(duì)于城市三維管理來(lái)說(shuō)，實(shí)景三維模型存在建筑物變形、樹(shù)冠懸浮空中等問(wèn)題，需要進(jìn)一步優(yōu)化，以滿足城市三維管理對(duì)模型成果精細(xì)度的要求[3-4]。為了解決實(shí)景三維模型存在的問(wèn)題，本文從實(shí)景三維模型原理出發(fā)，對(duì)傾斜攝影技術(shù)進(jìn)行了分析，并詳細(xì)說(shuō)明了實(shí)景三維模型的生產(chǎn)流程。針對(duì)實(shí)景模型的問(wèn)題，本文從原理上進(jìn)行了分析，并提出了多種解決方案。最后，將模型優(yōu)化方案應(yīng)用于本次研究區(qū)，對(duì)存在問(wèn)題的模型進(jìn)行了優(yōu)化，并對(duì)優(yōu)化前后的模型進(jìn)行了比較。通過(guò)外業(yè)采集的建筑物頂點(diǎn)三維坐標(biāo)和丈量的建筑物邊長(zhǎng)，對(duì)原有實(shí)景三維模型和單體化制作的模型精度進(jìn)行了檢測(cè)，結(jié)果表明單體化模型的精度更高。刪除了懸浮的樹(shù)冠后，模型場(chǎng)景更加干凈美觀。本文的研究成果可為精細(xì)化模型制作人員提供借鑒。

1 傾斜攝影技術(shù)

傾斜攝影是一種基于飛行平臺(tái)，將多個(gè)相機(jī)組合在一起，從不同角度同步獲取被攝物體影像數(shù)據(jù)的技術(shù)[5-6]。傾斜攝影要求航攝重疊度高，一般航向和旁向均不低于80%。由于搭載的相機(jī)多，可以從不同角度獲取影像數(shù)據(jù)，因此傾斜攝影技術(shù)可以獲得被攝物體更多的紋理數(shù)據(jù)。與垂直攝影技術(shù)相比，傾斜技術(shù)的航攝盲區(qū)更少，可用信息更豐富，數(shù)據(jù)解算成果更可靠，產(chǎn)品精度更高。由于傾斜攝影生產(chǎn)的實(shí)景三維模型是對(duì)真實(shí)場(chǎng)景的還原，因此具有更高的應(yīng)用價(jià)值。目前，傾斜攝影相機(jī)的組合有2鏡頭、3鏡頭、5鏡頭及更多鏡頭，其中5鏡頭相機(jī)組合被廣泛應(yīng)用。5鏡頭設(shè)備由4個(gè)側(cè)視和1個(gè)下視相機(jī)組成，其中側(cè)視和下視相機(jī)之間的夾角為45度。為了獲取分辨率一致的影像數(shù)據(jù)，側(cè)視相機(jī)焦距通常設(shè)置為下視相機(jī)焦距的1.4倍。這樣的組合用于傾斜影像數(shù)據(jù)獲取，可以得到最佳的航攝影像成果。

2 實(shí)景三維模型生產(chǎn)

基于無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)獲得高精度的實(shí)景三維模型，其主要包括的內(nèi)容有航攝影像數(shù)據(jù)獲取、像控點(diǎn)測(cè)量、空三加密、高密度點(diǎn)云數(shù)據(jù)匹配、不規(guī)則三角網(wǎng)構(gòu)建及實(shí)景模型輸出，其流程圖如圖1所示。

基于圖1的建模流程，對(duì)本次研究區(qū)進(jìn)行實(shí)景三維模型生產(chǎn)，得到部分實(shí)景三維成果如圖2所示。

3 精細(xì)化模型制作

采用人機(jī)交互方式，對(duì)本次生產(chǎn)的實(shí)景三維模型進(jìn)行查看，發(fā)現(xiàn)部分建筑物存在變形，其精度不可靠；部分樹(shù)木的樹(shù)冠懸浮于空中，脫離了模型場(chǎng)景，影響人的審美視覺(jué)，因此需要對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化處理。

3.1 模型問(wèn)題產(chǎn)生的原因

3.1.1 建筑物變形

傾斜攝影是一種從空中對(duì)地面獲取影像數(shù)據(jù)的技術(shù)，其核心是提取不同照片上同一地物的特征點(diǎn)進(jìn)行影像數(shù)據(jù)解算。在數(shù)據(jù)解算過(guò)程中，只有高質(zhì)量的影像數(shù)據(jù)才能解算出高精度的同名點(diǎn)。對(duì)于航攝盲區(qū)而言，若沒(méi)有可靠的影像數(shù)據(jù)，其解算結(jié)果將不可靠。模型的構(gòu)建基于空三加密成果，采用多視影像密集匹配算法進(jìn)行解算，得到高密度、高精度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，隨后按照不規(guī)則三角網(wǎng)構(gòu)網(wǎng)原則，構(gòu)建連續(xù)的三角網(wǎng)，并統(tǒng)一賦值，形成建筑白模。然而，由于遮擋區(qū)域未解算得到點(diǎn)云數(shù)據(jù)，在構(gòu)建三角網(wǎng)時(shí)，會(huì)將遮擋區(qū)域周邊的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行構(gòu)網(wǎng)，從而形成一個(gè)大的三角網(wǎng)，導(dǎo)致建筑結(jié)構(gòu)出現(xiàn)變形。

3.1.2 樹(shù)冠懸浮

實(shí)景三維模型是一種表皮模型，由無(wú)數(shù)個(gè)不重疊的三角網(wǎng)相互連接而成。樹(shù)木和路燈的結(jié)構(gòu)通常具有底部粗、中間細(xì)、頂部大的特點(diǎn)。在匹配高密度點(diǎn)云數(shù)據(jù)時(shí)，由于樹(shù)木和路燈的中間部位較細(xì)，匹配得到的三維點(diǎn)坐標(biāo)較少。在后期構(gòu)建三角網(wǎng)時(shí)，根據(jù)目前的構(gòu)網(wǎng)原則，要求三個(gè)點(diǎn)必須是鄰近點(diǎn)且三邊之和最小。因此，可能無(wú)法準(zhǔn)確構(gòu)建出連續(xù)的三角網(wǎng)。一旦無(wú)法構(gòu)建連續(xù)的三角網(wǎng)，模型中就會(huì)出現(xiàn)樹(shù)冠和路燈懸浮的問(wèn)題，這是懸浮物出現(xiàn)的根本原因。

3.2 模型優(yōu)化方案

3.2.1 建筑物變形優(yōu)化

由于建筑物變形的本質(zhì)是缺乏可靠的高密度點(diǎn)云數(shù)據(jù)，導(dǎo)致不相關(guān)的點(diǎn)云構(gòu)建成了三角網(wǎng)，因此從點(diǎn)云方面入手，可以解決建筑物變形問(wèn)題。目前，對(duì)于建筑物變形，可采用以下幾種方式進(jìn)行優(yōu)化處理：

1） 傾斜攝影和地面激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)融合建模。傾斜攝影從空中獲取地面影像數(shù)據(jù)，地面激光作業(yè)獲取傾斜攝影盲區(qū)部分的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。傾斜攝影數(shù)據(jù)解算完成后，得到高精度、高密度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，將地面獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入到建模軟件中，使兩種數(shù)據(jù)源的點(diǎn)云融合。這樣可以增加點(diǎn)云的密度，并彌補(bǔ)航攝盲區(qū)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。因此，在構(gòu)建三角網(wǎng)時(shí)，可以準(zhǔn)確構(gòu)建建筑物結(jié)構(gòu)，解決建筑物變形問(wèn)題。此外，掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)帶有影像紋理數(shù)據(jù)，可完成模型紋理的映射。

2） 地面補(bǔ)拍影像和傾斜攝影影像融合解算。采用地面補(bǔ)拍影像的方式，獲取傾斜攝影盲區(qū)部分的影像數(shù)據(jù)。地面補(bǔ)拍影像通常沒(méi)有準(zhǔn)確的POS數(shù)據(jù)，其解算基于影像之間的關(guān)系，結(jié)果是一種相對(duì)自由的坐標(biāo)系。傾斜數(shù)據(jù)解算參照了POS坐標(biāo)系統(tǒng)，是一種相對(duì)坐標(biāo)系。兩種坐標(biāo)系的成果一般相差較遠(yuǎn)，可通過(guò)大量的像控點(diǎn)成果將兩種坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換到像控點(diǎn)坐標(biāo)系統(tǒng)下，實(shí)現(xiàn)補(bǔ)拍影像和航攝影像的完美融合，相互彌補(bǔ)，生產(chǎn)航攝盲區(qū)部分高精度、高密度點(diǎn)云數(shù)據(jù)，構(gòu)建準(zhǔn)確的三角網(wǎng)，得到高精度的建筑白模。通過(guò)影像紋理自動(dòng)映射，得到高質(zhì)量的模型成果。

3） 基于單體化技術(shù)的建筑物模型構(gòu)建。雖然傾斜攝影存在航攝盲區(qū)，但一般可以拍攝到建筑物的一些特征區(qū)域，如建筑物頂點(diǎn)和拐點(diǎn)。如果可以準(zhǔn)確采集建筑物的頂點(diǎn)三維坐標(biāo)或獲取建筑物的邊長(zhǎng)，就可以采取交匯的方式獲得建筑的輪廓數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)高精度的白模制作。因此，可以采用單體化的方式對(duì)建筑物變形進(jìn)行優(yōu)化。首先，基于平差后的空三加密成果，得到優(yōu)化后的影像外方位元素、未畸變照片和相機(jī)參數(shù)，然后將其導(dǎo)入到第三方單體化模型制作軟件中，重建立體模型。基于虛擬立體像對(duì)技術(shù)，采集建筑物的頂點(diǎn)三維坐標(biāo)和建筑物的邊界，構(gòu)建完整的建筑物模型。根據(jù)頂點(diǎn)坐標(biāo)和航攝影像之間的關(guān)系，將最佳的照片映射到建筑物模型上，并對(duì)映射紋理進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、拉伸等操作，使其更真實(shí)地映射到建筑物模型上，從而得到單體化建筑模型。

3.2.2 樹(shù)冠懸浮優(yōu)化

懸浮問(wèn)題的產(chǎn)生主要是因?yàn)辄c(diǎn)云數(shù)量較少，導(dǎo)致構(gòu)建的三角網(wǎng)不連續(xù)，從而出現(xiàn)懸浮物?；谶@一點(diǎn)，可以采用以下幾種方式進(jìn)行懸浮物處理：

1） 直接刪除懸浮物。例如樹(shù)木、路燈等懸浮物影響著模型成果的視覺(jué)效果，且使用意義不大，因此可以直接刪除。懸浮物是孤立的，直接刪除不會(huì)造成模型出現(xiàn)空洞等問(wèn)題。由于它們是孤立的，目前主流的模型處理軟件都提供了一鍵識(shí)別與刪除功能，能夠快速高效地刪除懸浮物。

2） 植入小品。模型成果用于城市三維管理時(shí)，通常會(huì)借助三維模型發(fā)布平臺(tái)完成。這些平臺(tái)一般都附帶有模型庫(kù)，其中包括樹(shù)木、路燈、垃圾桶等地物。為了提升場(chǎng)景的視覺(jué)效果，可以刪除原有的懸浮物，將部分殘缺地物壓平到地面上，并對(duì)懸浮物產(chǎn)生的陰影進(jìn)行處理。最后，將模型庫(kù)中的小品放置到原位置上，并對(duì)小品尺寸進(jìn)行縮放處理，確保小品與周邊地物過(guò)渡自然。

3.3 研究區(qū)模型優(yōu)化對(duì)比

3.3.1 建筑物變形優(yōu)化處理

本次研究區(qū)域中部分建筑結(jié)構(gòu)存在變形，如圖3所示，是優(yōu)化前建筑物的白模、三角網(wǎng)和模型。

利用單體化軟件，對(duì)變形建筑物進(jìn)行單體化處理，得到優(yōu)化后的單體化建筑物，如圖4所示。

利用外業(yè)采集的建筑物頂點(diǎn)三維坐標(biāo)和丈量的建筑物邊界長(zhǎng)度，對(duì)優(yōu)化前的模型和單體化模型精度進(jìn)行檢測(cè)統(tǒng)計(jì)。通過(guò)檢測(cè)結(jié)果可知，對(duì)于未發(fā)生變形的區(qū)域，兩種方式的成果精度基本上一致；而對(duì)于建筑物變形區(qū)域，單體化模型的頂點(diǎn)三維坐標(biāo)更加精確，建筑物邊界長(zhǎng)度更準(zhǔn)確，能夠滿足城市三維管理的需求。

3.3.2 樹(shù)冠懸浮刪除

采用專業(yè)的模型處理軟件，選中模型中的懸浮物并將其刪除，對(duì)高出地面部分的樹(shù)木進(jìn)行壓平處理，然后選中樹(shù)木的陰影區(qū)域，將其導(dǎo)入到Photoshop軟件中進(jìn)行陰影處理，得到高質(zhì)量的模型場(chǎng)景數(shù)據(jù)。如圖5所示，是樹(shù)冠懸浮物刪除前后的對(duì)比圖。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文探討了傾斜攝影技術(shù)，并介紹了實(shí)景三維模型的作業(yè)流程，同時(shí)得到了研究區(qū)實(shí)景三維模型的成果。在對(duì)模型進(jìn)行查看時(shí)，發(fā)現(xiàn)了建筑物變形和樹(shù)冠懸浮等問(wèn)題，針對(duì)這些問(wèn)題展開(kāi)了深入分析，并提出了多種解決方案。隨后，利用專業(yè)的軟件，采用了本文提出的優(yōu)化方案，對(duì)模型問(wèn)題進(jìn)行了優(yōu)化處理。研究結(jié)果表明，在建筑變形區(qū)域，單體化模型成果精度更高，能夠滿足城市三維管理的需求；而刪除樹(shù)冠懸浮物后，模型場(chǎng)景更加清晰美觀。本文的研究，可為同行作業(yè)人員制作精細(xì)化模型帶來(lái)參考。

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【通聯(lián)編輯：梁書(shū)】

基金項(xiàng)目：項(xiàng)目審批單位：甘肅林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院傳新創(chuàng)業(yè)學(xué)院，項(xiàng)目名稱：基于GIS技術(shù)的城郊山地旅游度假區(qū)的土地利用分析——以麥積山石窟為例，編號(hào)：20231283522