基于Smart3D的傾斜影像三維建模研究

摘 要：三維建模是工程設計、數(shù)字城市等領域需求分析的基礎。近年來，隨著傾斜攝影測量技術在測繪遙感領域迅速發(fā)展，利用傾斜攝影測量技術進行高精度、高效率實景三維建模成為研究熱點。本文基于傾斜影像數(shù)據(jù)，根據(jù)Smart3D平臺快速實景三維建模的流程方法，利用無人機傾斜影像進行實景三維建模。結果證明了利用Smart3D對高大單個物體的精細化三維建模的可行性，并得出利用該方法對地表大范圍實景建模具有自動化程度高、建模速度快、位置精度高、幾何和紋理精度可靠的優(yōu)勢。

關鍵詞：三維建模;Smart3D;傾斜攝影測量;無人機

中圖分類號：P231 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）25-0016-04

1 研究背景

三維建模技術在土地規(guī)劃、災害監(jiān)測和國防測繪等應用領域起到基礎和核心作用，為需求分析和產(chǎn)品設計提供依據(jù)。傾斜攝影測量技術的迅速發(fā)展大大推動了三維建模技術的進步。利用傾斜影像進行三維建模，具有數(shù)據(jù)采集效率高、人工干預少、建模速度快的特點，大大降低了時間和費用成本。同時，建立的三維模型精度高、紋理粘合度好，詳細反映了地物表面的細節(jié)特征。總之，利用傾斜影像進行三維建模能全方位、大范圍感知復雜場景，僅需少量的人工干預，就能實現(xiàn)逼真三維模型的構建，從而獲得地物精確的位置信息、空間相對關系和地物表面的細節(jié)紋理[1]。

傾斜攝影測量技術在國內(nèi)外應用廣泛，利用傾斜影像進行三維建模的技術方法日漸完善。目前，國外主流建模軟件有法國Bently公司的ContextCapture（Smart3D），美國NewTek公司開發(fā)的LightWave 3D和Autodesk公司Autodesk Maya等。在國內(nèi)，有北京觀著信息技術有限公司提出的雙相機五視角傾斜攝影與單相機旋轉式傾斜攝影方法及武漢大勢智慧科技有限公司研制的基于固定翼無人機的搖擺式傾斜攝影系統(tǒng)[2]。

本文在分析國內(nèi)外建模軟件的基礎上，選擇Smart3D軟件進行實景三維建模。基于Smart3D軟件平臺快速實景三維建模的流程方法，利用無人機傾斜影像進行實景三維建模。實驗證明了利用該方法對高大建筑物進行單體化建模的可行性和對地表大范圍建模效率高、精度高，其中點位平面精度約7cm，高程精度約9cm，滿足《低空數(shù)字航空攝影測量內(nèi)業(yè)規(guī)范》（CH/Z 3003—2010）l∶1 000空三規(guī)范要求。

2 方法與原理

傾斜攝影測量技術作為一項遙感高新技術，融合了傳統(tǒng)的航空攝影和近景測量技術，改變了正射影像局限于從垂直角度拍攝的不足，通過在飛行平臺上同時搭載多臺傳感器，從垂直、前視、左視、右視與后視共5個不同的角度采集影像[3，4]，從而獲得地物表面全部紋理。其中，4個傾斜相機的傾斜角度為40°～45°[5]，如圖1所示，與地面垂直的相機獲取地物頂部的影像，與地面傾斜的相機獲取地物側面的紋理。同時，傳感器上方安置的機載POS系統(tǒng)可以把傾斜攝影瞬間POS系統(tǒng)的觀測值作為多角度傾斜影像的初始外方位元素[6]，傾斜影像三維建模技術通過垂直和傾斜影像的全自動空三處理僅需少量的地面控制點和人工干預就可以獲取大量加密點，從而構建TIN三角網(wǎng)生成白模，最后通過自助紋理映射，自動建立二維紋理空間點[u，v]到三維物體表面點[x，y，z]之間一一對應的關系[7]便可以獲取逼真三維場景重建。

Smart3D，現(xiàn)在也稱ContextCapture，其是一套僅需少量人工干預，利用影像自動生成高分辨率紋理的三維模型解決方案。Smart3D分為主控模塊和引擎模塊，采用主從模式管理兩大模塊。Smart3D三維建模的原理是通過對輸入的一組從不同的角度拍攝的靜態(tài)建模主體的數(shù)碼影像提取特征點和利用特征點匹配的方法實現(xiàn)匹配預處理，再采用區(qū)域網(wǎng)聯(lián)合平差方法，利用魯棒三維重建的密集型算法對空三處理生成大量連接點進行三維重建，最后通過無接縫紋理映射、紋理貼圖包裝生成三維模型。

與人工建模每人每天0.2km2的工作量相比，基于Smart3D軟件利用傾斜影像進行三維建模能達到0.4km2/天，工作效率約是人工建模的2倍。同時，基于Smart3D軟件三維建模位置精度高，幾何精度和紋理粘合度好。這一方案解決了傳統(tǒng)技術路徑存在的三維模型生產(chǎn)工藝復雜、生產(chǎn)成本高、工作強度大、模型生產(chǎn)效果不確定等問題，為加快三維地理信息系統(tǒng)發(fā)展提供了思路。

影像獲取完成后，要對每一張像片進行檢查，檢查是否存在數(shù)據(jù)丟失的不合格影像和是否存在漏拍部分，對存在問題的區(qū)域要進行重拍和補拍。軟件引入照片后會根據(jù)相機型號將照片分組，部分照片組需要手動輸入相機的傳感器尺寸。

②空三運算。通過常規(guī)測量方法得到一定數(shù)量控制點坐標進行區(qū)域網(wǎng)聯(lián)合平差[8]，通過人機交互的形式識別出相片中存在的地面控制點標識，在空三運算過程中通過提取特征點匹配的算法尋找同名像點，獲取每張相片的外方位元素和大量密集的連接點坐標。如果相片在空三運算過程中帶有POS信息或控制點坐標[9]，則會減少刺點時間，空三加密速度會大大提高。空三加密完成后，可以查看整個航帶的分布、飛行情況，空三加密點的位置、密度，以及每張影像的相對位置及覆蓋范圍方位角等信息[10]。

③重建生成。空三加密完成后可以進行TIN三角網(wǎng)的構建，從而生成白模，再通過紋理映射獲得實景三維模型。Smart3D可以直接完成單個物體的三維重建，對于大數(shù)據(jù)量的三維模型往往要采取分瓦的方法將模型分割成相同大小的許多瓦分別生成，這樣既彌補了計算機性能的不足，也便于計算機分布式運算的任務分配[11]，又提高了重建速度和精度。同時，對于效果不理想或存在空洞的瓦可以進行再生成或編輯，提高模型數(shù)據(jù)的整合和更新能力。

④紋理映射。將位置信息與紋理信息相匹配，參與貼圖的影像經(jīng)過空中三角測量的處理后都有準確的內(nèi)方位元素。紋理映射完成后經(jīng)過多層次、多結構的優(yōu)化即可建成真三維模型。

⑤導出模型。Smart3D生成的三維模型可以引用OSGB、OBJ、Max等多種格式[12]。對于進行分瓦處理的三維模型，通過建立一個S3C索引文件就可以在同一參考系下打開，最終看到整個三維模型，從而進行編輯修改、添加注記等處理。

3 基于Smart3D三維建模的應用

為了驗證基于Smart3D對高大單個物體的精細化三維建模的可行性，我們利用飛馬J.ME多旋翼無人機，其內(nèi)置相機影像傳感器為1/3.06英寸CMOS、有效像素1 300萬，對校園內(nèi)毛主席雕像進行了拍照，環(huán)繞式地從物體周圍均勻分隔地采集了183張照片，影像夾角為15°，影像重疊度為80%，分辨率約為6cm。為優(yōu)化雕像底部建模效果，又用手機對雕像接近地面部分進行均勻環(huán)拍，采集手機照片150張，雕像底層白色臺階長寬均為12.2m，厚度為43cm，中間紅褐色正方體基座邊長為4m，白色雕像高為12m，其生產(chǎn)過程如圖3所示。

同時，我們利用某石礦無人機傾斜數(shù)據(jù)進行三維建模，傾斜影像采用航攝像機Canon ixus 220hs獲取，傳感器尺寸6.17mm，焦距4.36mm，共計1個航帶，共有航片128張，平均航高250m，影像分辨率約為13cm。模型投影坐標系采用EPSG2512坐標系。另外，通過常規(guī)測量技術獲取采石礦周圍地面控制點7個。通過空三處理獲取相片位置、姿態(tài)和大量連接點，空三精度如表1所示，空三處理效果、TIN三角網(wǎng)、生成白膜及紋理映射最終生成三維模型如圖4所示，控制點精度統(tǒng)計如表2所示。

4 結語

本文主要介紹了基于傾斜影像數(shù)據(jù)，利用Smart3D平臺快速實景三維建模的原理和流程方法。實驗結果證明了利用該方法對大體積物體進行精細化單體三維建模的可行性，同時得出該方法可以利用帶控制點的無人機航攝影像對大面積地表進行實景三維建模，所建模型具有高效率、高精度、能適應復雜三維場景的特點。基于Smart3D平臺的無人機傾斜影像三維建模既可以得到單體化的三維模型，又可以保證大范圍三維模型的精細化，控制點精度可以達到厘米級，解決了傳統(tǒng)三維建模技術數(shù)據(jù)采集慢、建模時間長、精度不高的問題，為地理監(jiān)測、災害防治等領域的真三維模型構建提供了新依據(jù)。

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