基于Smart3D的傾斜攝影真三維模型的建立研究

摘要：傾斜攝影測量技術是近年來發展迅速的新興科學技術，滿足了研究和應用領域的廣泛需求，在城市三維實景建模中有著廣闊的應用前景。針對吉林某大學三維建模任務，分別從數據獲取、模型構建等方面詳細介紹了基于Smart3D軟件的傾斜攝影三維建模的方法步驟，并對測區進行三維場景構建，同時對三維模型場景成果的精度進行了分析。結果表明，基于傾斜攝影測量的自動化真三維建模方式建模速度快、質量高、工程量較少，構建的三維場景細節豐富。

關鍵詞：傾斜攝影測量三維模型空三加密精度評價

ResearchontheEstablishmentofaTrue3DModelofObliquePhotographyBasedonSmart3D

WANGNa

JilinProvincialInstituteofPhotogrammetryandRemoteSensing，Changchun，JilinProvince，130051China

Abstract：Theobliquephotogrammetryisanemergingscientifictechnologythathasrapidlydevelopedinrecentyears，whichmeetsthewideneedsofresearchandapplicationfieldsandhasbroadapplicationprospectsinurban3Drealscenemodeling.Forthe3DmodelingtaskofauniversityinJilin，thispaperprovidesadetailedintroductiontothemethodsandstepsofthe3DmodelingofobliquephotographybasedonSmart3Dsoftwarefromtheaspectsofdataacquisitionandmodelconstruction，constructsthe3Dsceneofthemeasurementarea，andanalyzestheaccuracyofthe3Dmodelsceneresults.Theresultsshowthattheautomatedtrue3Dmodelingmethodbasedonobliquephotogrammetryhasfastmodelingspeed，highqualityandlessengineeringquantity，andthattheconstructed3Dscenehasrichdetails.

KeyWords：Obliquephotogrammetry;3Dmodel;Aerialtriangulation;Accuracyevaluation

三維模型的本質是基于二維地理信息所制作的三維地理信息，是對傳統二維地理信息的革新與升級，較之二維地理信息，表現更為系統、逼真、更具立體性。三維模型場景能提供一種更加直觀、更為真實的可視化功能，不僅能對城市各自然要素進行瀏覽查看，還能對建設要素進行分析[1]。

三維模型創建方式有兩種。一是利用二維線劃數據和與之對應的高度屬性信息，開展三維建模，并采集現實紋理圖片，貼于建筑物表面。此種方式構建的模型精度高、紋理真實，但由于周期長及成本高，不適用大區域作業。二是采用數字攝影測量技術進行三維建模，地物及地表特征點線面等數據信息的采集速度快，建模過程自動化，還支持外形規則的建筑物的紋理自動化提取。此方式真實度高、建模速度快，因而可以對大場景進行實時更新[2]。本文結合吉林某大學校區內實景三維建模需求，探討了基于傾斜攝影測量的三維建模技術流程。

1測區數據獲取

測區位于吉林某大學校區內，面積約為1.41km2。測區內主要建筑有圖書館、網球館、宿舍區、教學樓等。測區范圍如圖1所示。

1.1影像數據獲取

航飛質量主要受航線、相對航高、重疊度的影響，為得到高質量的航拍影像，需要在進行航飛計劃時對這些參數進行設置。

本次測量采用紅鵬六軸無人機AC1600，相機型號為SONYILCE-7RM2，傳感器大小為35.9mm，相機焦距為35.1701mm，無人機航高為180m，航向和旁向重疊度都是70%。共得到5組影像共1255張影像圖片及對應的Pos點數據，影像寬度為7952像素，高度為5304像素。

1.2像控點數據獲取

控制點坐標值是攝影測量的重要參數。根據作業要求確定控制點個數，并對控制點坐標和高程值進行外業測量。

1.2.1像片控制點布設方案

依據航線規劃和影像數據，主要采用區域網法布點方案[3]，依據控制點布設原則，選取測區域內28個控制點作為像控點參與解算，如圖2所示。

1.2.2像控點選測

像控點的精度要求：相對鄰近的基本像控點，平面像控點和平高像控點的圖中誤差不超過0.2mm。高程像控點和平高像控點的高程中誤差不超過0.1m[4]。

像控點位置都用適應大小的“十字絲”在影像上進行標示，并用文字對點位位置進行詳細描述，便于內業人員判讀[5]。采用統一規格的點之記表格對像控點信息進行記錄，表格的主要內容有像控點點名、作業人員姓名、像控點坐標、點位全圖、點位略圖、點位詳圖、點位說明等。

2三維模型創建

基于計算機視覺三維重建算法，Smart3D軟件只需結合飛行過程中獲取的Pos數據即可解算出精確的外方位元素。并采用基于特征的匹配算法匹配同名點，采用光束法區域網平差方法進行多視影像聯合平差，并根據聚簇算法和基于面片的密集匹配算法完成高密度點云初步構建[6]。最后，基于點云構建的TIN網模型配合紋理映射，實現實景三維模型的構建（如圖3所示）。下面詳細闡述其中空三加密和成果檢驗2個環節。

2.1空三加密

空三加密流程，如圖4所示。

2.2成果檢驗

Acute3DViewer可以直接對s3c格式的模型成果進行查看和瀏覽，如圖5所示。如果是osgb格式數據，則可以通過一系列轉換操作制作一個s3c模型展示文件在Acute3DViewer里進行瀏覽查看。

Smart3D生成的數據格式有s3c、fbx、osgb、dae、obj、stl等多種類型，其中osgb、obj和fbx格式可以適用于多種建模軟件，以便于后期進行修改。也適用于多種展示平臺，可以快速在網絡上進行發布，實現共享。

2.3模型修改和對禁飛區域的補充

在對細節要求不高的情況下，Smart3D生產的三維模型可以滿足使用要求，后期無需太多修改。但在實際應用過程中，地物間的相互遮擋會給數據的獲取造成比較大的干擾。加之目前軟件自身也還有一些局限性，模型的細部結構存在破損和缺失的問題。尤其是靠近地面的部分，模型細節和紋理容易缺失和失真。針對模型的局部誤差，可以使用其他建模軟件如3dsMax、GeomagicStuido等進行修改，再通過retouch操作導入Smart3D軟件，重復三維模型重建步驟。

針對禁飛區域，可以采用其他建模技術方法采集數據，建立三維模型，對傾斜三維模型場景進行補充。

Smart3D軟件本身能夠生成多種類型的數據成果，可以應用到其他三維軟件平臺中。也可以將3dsMax、GeomagicStuido等軟件建立的三維模型成果通過retouch操作導入Smart3D軟件中進行拼接。此外，可以將傾斜攝影與近年來發展較好的近景攝影技術進行有機聯合，采用統一的空間基準及坐標系統進行空地數據聯合建模。在今后的實際項目中，也可以考慮利用機載三維激光掃描獲得的高精度點云數據與傾斜攝影測量技術獲得的三維模型數據進行融合建模。

目前，正提倡多測合一，隨著真三維建模需求和范圍的增大，傾斜攝影測量與其他三維建模技術相結合，可大幅提升三維建模的生產效率和模型效果。

3精度評價

精度評價是評定三維模型能否在實際工作中得到應用的一個重要方面，也是衡量三維模型質量的關鍵環節。本小節根據傾斜攝影三維模型的特點，對測區模型成果進行空三精度、整體結構、細部結構3個方面的精度評價。

3.1空三精度評價

中誤差是衡量觀測精度的一種數字標準，可以很好地反映誤差精度，在測繪領域應用廣泛。測區內一共使用28個控制點，空三精度的平面最大誤差為0.0013m，最小誤差為0.0001m，中誤差為0.0005m；高程最大誤差為0.001m，最小誤差為0，中誤差為0.0007m；重投影的均方根最大誤差為0.1000px，最小誤差為0，中誤差為0.0344px；3D最大誤差為0.0021m，最小誤差為0.0002m，中誤差為0.0007m。所有誤差均小于0.5，空三精度達到模型生產的要求。

3.2整體模型精度評價

測區一共采用28個控制點坐標，X方向中誤差為0.041284m，Y方向中誤差為0.032117m，平面中誤差為0.052306m，高程中誤差為0.060117m。參照《三維地理信息模型數據產品規范》，測量場景模型平面的中誤差小于0.5m，高程的中誤差小于0.37m，整體模型滿足1∶500比例尺測圖精度。

4結語

基于Smart3D軟件的傾斜攝影建模方法，無需太多人工干預，具有很強的可操作性。并且其成果細部結構表現程度高，精度達到測繪級標準，成果格式也能與多種軟件及平臺有效結合，在實際工作中具有很強的應用價值。

參考文獻

[1]宿文松.基于無人機傾斜攝影測量的露天礦三維建模及應用[D].邯鄲：河北工程大學，2023.

[2]胡雪晴，毛慶洲，胡慶武，等.無人機機載激光雷達四面塔鏡三維成像方法[J].激光與光電子學進展，2023，60（14）：320-328.

[3]張玉濤，孫保燕，莫春華，等.無人機與三維激光掃描融合的拱橋三維重建[J].科學技術與工程，2023，23（6）：2274-2281.

[4]陳真.基于無人機航拍圖像的城市實景三維重建方法研究[D].重慶：重慶交通大學，2023.

[5]李露，孟偲，武永昌，等.無人機對地觀測的遙感場景三維重建實驗方案[J].實驗室研究與探索，2023，42（3）：235-240.

[6]李龍威.無人機航攝影像快速正射拼接及三維重建系統設計與實現[D].西安：長安大學，2023.