秦皇島市傾斜攝影實景三維建模實施方案及模型后期修復方法探討

倪少華，姜志哲，徐慶

(1.秦皇島市城市規劃管理信息中心，河北 秦皇島 066001；2.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，陜西 西安 710065； 3.常州市測繪院，江蘇 常州 213002)

1 前 言

傾斜攝影測量三維建模技術是測繪遙感領域近些年發展起來的一項高新技術，實現了城市三維建模由“假三維”變成“真三維”。它以大范圍、高精度、高清晰的方式全面感知復雜場景，通過高效的數據采集設備及專業的數據處理軟件生成數據成果，直觀地反映了地物的外觀、位置、高度等信息，為真實效果和測繪精度提供保證。具有建模成本低、周期短、數據量小等優點，是城市實景三維建模的主流技術。

傾斜攝影三維建模雖然有諸多優勢，但作為近年來的一項新興技術，在實際的生產應用中也存在一些問題。例如，由于航攝盲區造成三維模型會存在空洞區域，尤其是水面區域；空三階段，因像片及POS參數的質量問題，會出現匹配錯誤以及點位不足等情況，導致三維模型的空洞；還有三維場景中存在懸浮的植被、燈桿等；這些問題都需要后期通過手動修補優化，才能滿足精細化三維建模的需求。

本文就利用傾斜攝影測量三維建模技術開展了秦皇島市主城區 1∶1 000城市實景三維模型數據采集實踐和分析，對傾斜攝影三維建模數據生產和后期處理有一定的參考意義和實用價值。

2 項目實施

2.1 任務概況

為滿足秦皇島市基礎測繪、城市規劃、建設、管理和國土資源調查需要，秦皇島市開展了建成區 1∶1 000城市實景三維模型數據生產及建庫工作。本項目實施區域為秦皇島市，位于華北與東北過渡地帶、河北省的東北部，實測范圍涵蓋了北戴河區、海港區、山海區，建筑物密集，充分反映了秦皇島市整體城市面貌。本項目設計實施區域為 95 km，實際航攝建模區域面積為 99 km，具體航攝范圍如圖1所示。

圖1 航攝范圍圖

根據本項目生產1∶1 000城市三維模型數據的特點，屬于大比例尺數據的采集，因此選用運-5運輸機作為飛行平臺。航攝任務使用RCD30傾斜相機作為傾斜攝影系統，它是適用于全景相機和遙感應用中唯一的中幅面相機。RCD30數字航空傾斜攝影儀區別于傳統的豎直航攝，除一個子相機獲取正下方影像外，還可同時從前后左右4個方向以45°傾斜角度對地面進行拍攝，得到被拍攝物的多視角影像、建筑物墻體真實紋理，可廣泛用于數字城市、數字地球、智慧城市等的基礎地理空間框架建設。此外，徠卡RCD30還配備了完整的數據后處理軟件，能高效完成最終產品提交。

2.2 機載POS系統及飛行管理系統

項目采用機載POS——慣性定位及定向系統(IMU、GPS組合系統)(POS AV 510)為航空數字攝影系統提供機載POS系統服務功能。機載POS AV 510系統是Applanix公司制造的慣性定位定向系統，利用該系統降低了空三加密的需要，減少對地面控制點的需求，方便了數據生產質量的控制。它能夠直接獲取航空攝影測量數據的外定向元素，高速和高精度處理定位、速度、俯仰、滾動和偏流數據，為航空數據生產極大地節約了時間和成本，提高了項目的運行效率。

2.3 空中三角測量

本項目空三加密處理采用Leica研發的LeicaPostProcessing軟件對原始影像數據進行輻射校正，然后采用空中三角測量軟件進行空三加密。

(1)主要技術指標

①平面位置中誤差：內業加密點和地物點，相對于最近野外控制點的圖上點位中誤差如表1所示。

加密點對最近野外控制點平面位置中誤差 表1

②高程中誤差：內業加密點、高程注記點和等高線對最近野外控制點的高程中誤差不得大于表2規定。

加密點對最近野外控制點高程中誤差 表2

以上中誤差的兩倍為限差。

通過空三加密過程，對于內業檢核無誤的外業像控成果，直接使用外業測量數據提供下工序使用。

(2)空三加密工作流程

采用Z/I ImageStation Automatic Triangulation 5.1空三加密的工作流程如圖2所示。

本項目采用地面控制點與POS系統獲取的EO(外方位元素)，通過光束法區域網整體聯合平差得到空三加密成果，使得平均每立體像對的加密點都約為20個，分別按1個空三分區進行聯合平差。平差統計的平面和高程精度如表3所示。

圖2 空三加密流程圖

空三精度驗證簡要描述 表3

檢查點及像控點位置、基線數滿足要求。像控點刺點位置與實測位置一致。檢查GPS測量像控點精度，符合像控點測量成果資料的檢查要求。

2.4 自動建模

三維建模數據處理過程包括平差點提取、平差處理、三維模型構建、數據格式轉換等。數據處理用到的輸入數據包括原始航飛影像、影像的外方位元素、相機參數、控制點數據、測區邊界等。平差處理的主要目的是實現所有圖像數據的絕對定向，建立絕對位置關系，為三維建模提供絕對定向參數。經過空三加密后獲取了大量高密度的點云數據，對數據進行切塊分割，對分割的區塊內的密集點云構建不規則三角網TIN，并生成無紋理的城市實景三維模型(即白模)?；赟mart3D強大的紋理映射算法對每個模型的三角面自動賦予紋理，效果如圖3～圖5所示。

圖3 TIN網構建圖

圖4 白模三維模型圖

圖5 紋理貼圖后的三維模型圖

3 模型后期修復

受分辨率、視線遮擋、目標運動、建筑物結構特殊性、弱紋理等因素的影響，導致三維模型成果中出現3D漏洞、模型扭曲、紋理缺失、模型粘連、孤立懸浮物等質量問題，影響實景三維模型的瀏覽效果，這些問題都需要手動修補優化，才能滿足精細化三維建模的需求。模型后期處理軟件主要包括3ds Max、Geomagics、Meshmixer等，本文主要討論利用3ds Max軟件進行模型二次修復的方法。

3.1 模型問題分類

因本項目建模區域大，必須依據模型所在區域的位置及模型類型，準確定義模型錯誤的分類及處理辦法，針對模型數據實際存在的貼圖模糊、扭曲，結構錯誤、空洞、粘連等情況，將模型存在問題主要分為以下幾種，如圖6～圖9所示。

圖6 貼圖模糊

圖7 結構破損

圖8 漂浮物

圖9 模型空洞

3.2 模型修改流程

3.2.1 將obj格式的三維數據導入3ds Max中

將obj文件導入3ds Max中有兩種方式，一是單個文件導入，二是批量文件導入。

(1)單個文件導入方式

①啟動3ds Max程序后，點file——import，打開導入文件對話框，按照順序依次導入obj文件。

②導入文件參數設置

取消勾選Rotate model，保證模型Y軸不反轉；取消勾選Unify，保證模型法線正確；其他為默認勾選狀態。

(2)批量文件導入方式

①啟動3ds Max程序后，點MAXScript → New Script，打開的編輯器中輸入一段代碼(從略)修改obj文件存放路徑；

②ctrl+s保存該script文件并命名為obj.ms；

③點擊MAXScript → Run Script，選擇保存的obj.ms文件，點擊Open即可。

3.2.2 瓦片數據編輯

通過3ds Max軟件的點線面編輯工具，對模型的缺失進行修補，凹凸不平進行拉平，冗余進行刪除。

(1)漂浮物及冗余刪除

首先在max里將模型轉換成線框模式，在多邊形網格層級選中頂點或面片層級，選中冗余部分進行刪除即可。

(2)凹凸及粘連拉平

首先在頂點級別選中需要處理的所有頂點，然后點Weld面板上的Collapse(塌陷)命令，將其變成一個頂點，其次修改頂點高度與地面高度相符合，最后切換到頂視圖，移動頂點到合適的位置即可。

3.3 模型修改前后效果對比

利用上述方法對模型存在問題進行修復，處理后模型前后對比效果如圖10～圖13所示。

圖10 漂浮物處理

圖11模型空洞處理

圖12 建筑破損處理

圖13 模型貼圖模糊處理

4 結 論

本文根據秦皇島市1∶1 000傾斜攝影實景三維建模項目，利用傾斜攝影測量技術，總結了生產城市實景三維模型數據的實施方案，在實現建筑物的正射影像與其立面紋理的結合，高效快速的三維建模以及用手工方式對模型進行修補優化以精細化三維建模等方面進行了討論。指出傾斜攝影技術建模能大大降低城市三維實景模型數據采集的時間和費用，具有很好的應用前景。