基于Smart3D的山西工程職業(yè)學(xué)院唐槐校區(qū)三維實(shí)景建模研究

董陽(yáng)武

摘 要：利用無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)進(jìn)行快速三維實(shí)景建模，是測(cè)繪地理信息熱點(diǎn)方向之一，具有速度快、精度高、過(guò)程自動(dòng)化等特點(diǎn)。本文以山西工程職業(yè)學(xué)院唐槐校區(qū)東北角為試驗(yàn)場(chǎng)地，利用Phantom 4 Pro無(wú)人機(jī)獲取傾斜影像數(shù)據(jù)，Smart3D 軟件生成滿足1：500大比例尺測(cè)圖標(biāo)準(zhǔn)的三維實(shí)景模型，并對(duì)成果精度分析驗(yàn)證，總結(jié)了建模過(guò)程中關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)和潛在問(wèn)題，取得了一定成果。

關(guān)鍵詞：傾斜攝影測(cè)量;三維實(shí)景建模;Smart3D;精度分析

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.22.083

1 引言

隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，無(wú)人機(jī)傾斜攝影三維建模正成為較為火熱的研究領(lǐng)域。該方式具有自動(dòng)化程度高、效率高、精度高、靈活、成本低的特點(diǎn)，彌補(bǔ)人工建模的諸多不足。該建模方式受到越來(lái)越多的關(guān)注和發(fā)展[1]。

Smart3D 軟件是我國(guó)廣泛使用的傾斜攝影建模軟件，能在無(wú)需人工干預(yù)的情況下自動(dòng)建立城市實(shí)景三維模型，具有科學(xué)的計(jì)算機(jī)視覺(jué)三維重建過(guò)程，經(jīng)過(guò)空三加密、點(diǎn)云匹配、紋理映射等流程環(huán)節(jié)，自動(dòng)化、高精度地完成三維重建[2]。此外，美國(guó)的Photomesh、瑞士的 Pix4D Mapper、俄羅斯的 Photo Scan等軟件均是在世界上享有盛譽(yù)的傾斜攝影測(cè)量軟件。

本文以山西工程職業(yè)學(xué)院唐槐校區(qū)東北角為試驗(yàn)場(chǎng)地，利用Phantom 4 Pro無(wú)人機(jī)獲取傾斜影像數(shù)據(jù)，用Smart3D 軟件進(jìn)行三維實(shí)景生產(chǎn)，用南方 RTK儀器在試驗(yàn)區(qū)測(cè)量30個(gè)檢測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)高程值，用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與模型采集數(shù)據(jù)對(duì)比分析，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行精度評(píng)定。并總結(jié)了建模過(guò)程中關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)和潛在問(wèn)題，取得了一定成果。

2 三維實(shí)景數(shù)據(jù)生產(chǎn)

2.1 測(cè)區(qū)基本概況

此試驗(yàn)區(qū)為山西工程職業(yè)學(xué)院唐槐校區(qū)東北角。試驗(yàn)區(qū)主要有圖書(shū)館、體育場(chǎng)、部分學(xué)生及教職工宿舍、部分教學(xué)樓等建筑，地物類型較多，難易程度適中，適合三維建模試驗(yàn)。經(jīng)緯度坐標(biāo)范圍為 112.6031°E～112.6075°E，37.6778°N～37.6806°N。如圖1所示。

2.2 技術(shù)路線

具體技術(shù)路線如圖2所示[3]。

2.3 無(wú)人機(jī)外業(yè)航飛

本文試驗(yàn)于 2018 年4 月24日進(jìn)行了航飛作業(yè)。采用Phantom 4 Pro無(wú)人機(jī)，相機(jī)型號(hào)為FC6310，傳感器大小為12.8mm，相機(jī)焦距為24mm，航向和旁向重疊度均為80%，地面分辨率為2.47cm 。本次試驗(yàn)獲得312張帶POS坐標(biāo)的傾斜影像。布設(shè)控制點(diǎn)5 個(gè)，坐標(biāo)系統(tǒng)為西安 80，1985 國(guó)家高程基準(zhǔn)。

2.4 Smart3D建模

將POS數(shù)據(jù)、傾斜影像、地面控制點(diǎn)導(dǎo)入 Smart3D工程進(jìn)行空三加密，使用 POS 數(shù)據(jù)平差，軟件自動(dòng)進(jìn)行相機(jī)校驗(yàn)和像片模型相對(duì)定向。將控制點(diǎn)具體位置標(biāo)定在相關(guān)影像上。第二次空三，使用控制點(diǎn)平差，進(jìn)行模型絕對(duì)定向。經(jīng)過(guò)空三加密后獲得密集點(diǎn)云，構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)TIN，生成白模，完成紋理映射，生成實(shí)景3D模型[4]（圖3）。

3 精度分析

3.1 空三精度評(píng)價(jià)

空三精度決定3D模型質(zhì)量，需對(duì)空三進(jìn)行精度控制和分析。本次試驗(yàn)使用控制點(diǎn)5個(gè)。5個(gè)控制點(diǎn)X 坐標(biāo)中誤差為0.004m，Y 坐標(biāo)中誤差為0.008m，平面中誤差為0.009m;高程中誤差為0.001m;重投影均方根中誤差為0.31px;3D 中誤差0.009m。精度達(dá)到要求。

3.2 模型精度評(píng)價(jià)

為了檢驗(yàn)?zāi)Ｐ途龋瑴y(cè)區(qū)選用30個(gè)地物點(diǎn)，用RTK實(shí)測(cè)其坐標(biāo)高程值。對(duì)檢測(cè)坐標(biāo)和三維模型采集點(diǎn)獲取坐標(biāo)對(duì)比，進(jìn)行精度評(píng)定[5]。評(píng)定公式為：

其中，M為成果中誤差;n為檢查點(diǎn)總數(shù);為較差。對(duì)檢查點(diǎn)采集值和檢測(cè)值較差波動(dòng)分布統(tǒng)計(jì)，、和分別在-0.08～0.09m、 -0.07～0.10m和-0.09～0.06m之間波動(dòng)，平面中誤差為0.06m，高程中誤差為0.05m，滿足1：500地形圖成圖精度要求[6]。

4 成果及關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題總結(jié)

（1）此技術(shù)方法具有速度快、成本低、自動(dòng)化程度高、模型精度高、紋理清晰等優(yōu)點(diǎn)，能完全滿足1：500比例尺地形圖成圖精度要求。

（2）有時(shí)Smart3D空三計(jì)算失敗，可能由于影像畸變能力較弱，相機(jī)校準(zhǔn)參數(shù)偏離真值等問(wèn)題[7]。可以采用其他軟件比如photoscan空三加密，成果導(dǎo)入 smart3D進(jìn)行高精度自動(dòng)化的三維建模。

（3）為獲得較好的3D模型和表面紋理，應(yīng)使航帶具有合理的航向重疊度和旁向重疊度[8]。

（4）對(duì)于攝影盲區(qū)和河流湖泊的建模等常會(huì)出現(xiàn)空洞區(qū)域，需導(dǎo)入第三方修模軟件（比如Meshmixer、3DMAX）進(jìn)行處理優(yōu)化。

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