基于CC的實景三維模型建立技術研究

遲鳳靜

摘要：隨著智慧城市、智慧工廠等行業對三維模型數據的需求日益增強，傳統的采用3Dmax軟件進行精細建模的方式，生產效率低，遠遠不能滿足大面積三維建模的需要。本文對比了傳統人工建模與實景三維建模的優缺點，通過在實際項目中的應用對實景三維建模技術進行了研究。

關鍵詞：傾斜攝影;三維建模;實景三維;空三加密

一.前言

隨著無人機技術的快速發展，使用無人機獲取地面影像更加方便、快捷，不僅可通過無人機航攝技術進行正射影像圖制作、數據采集、數字線劃圖等傳統的二維測繪工作，還可進行熱門的三維模型建設。傳統虛擬三維模型建設主要采用無人機或者三維激光掃描儀獲取點云數據，人工建立精細模型，有著耗時長、工作量大、人力消耗大、制作煩瑣、場景不真實等缺點。而目前采用全自動三維建模系統ContextCapture Center（簡稱CC）進行的實景三維建模技術，可快速生成三維模型，從而達到自動、快速、準確、真實的空間數據重建效果。

二.關鍵技術研究

（一）傾斜攝影測量技術

傾斜攝影測量技術顛覆了以往正射影像只能從垂直角度拍攝的局限，通過在同一飛行平臺上搭載多臺傳感器，同時從一個垂直及多個傾斜角度采集影像，獲取地面物體更為完整準確的信息，符合人眼視覺的真實直觀效果。

目前我們采用的是CC全自動三維建模系統處理傾斜攝影數據，它是基于圖形運算單元GPU的快速建模技術，可以在像片質量符合要求下無須人工干預進行快速、簡單、全自動的建模，并且它還支持輸出多種數據成果格式，兼容多種數據源。

（二）空中三角測量技術

空中三角測量是利用航攝像片與所攝目標之間的空間幾何關系，根據少量像片控制點，計算待求點的平面位置、高程和像片外方位元素的測量方法。目前，傾斜攝影系統采用的是POS輔助空中三角測量技術，是將GPS和IMU組成的定位定姿系統（POS）和航攝儀集成在一起，通過GPS獲取航攝儀曝光時刻攝站的空間位置參數，通過IMU測定航攝儀的姿態參數。

（三）三維建模技術

三維建模技術是利用計算機對物體或地形地貌進行三維模擬，是對真實世界的虛擬顯示，通常是根據線、面在不同細節層次渲染、紋理映射或者用不同方法進行明暗描繪，使模型看起來更加真實、細致，使讀者有身臨其境的感覺。

基于CC的實景三維建模技術采用的原始數據是通過多角度的傾斜攝影系統獲取的測區傾斜影像、POS數據等資料，運用CC強大的基于圖像密集匹配技術的快速三維場景運算功能，進行傾斜攝影空中三角測量解算，再進行地面景物的逼真實景真三維重構，最終達到實現全要素的真實影像及紋理的高分辨率實景三維模型。

三.應用效果

（一）基于CC的實景三維模型建立流程

（二）應用項目

1 牛莊水務項目

引進傾斜攝影無人機后，以牛莊水務項目為契機首先在牛莊區域內進行了航拍，拍攝范圍為牛莊物探區域內約1.3km2，飛行高度150m，飛行兩個架次，模型精度0.5m。下面，以牛莊水務項目為例，介紹基于CC進行實景建模的應用情況。

1.1數據采集

數據采集采用傾斜攝影設備進行航拍，航線設計時確保同一地物、同一個特征點需要三張以上小于15度角的不同角度的像片覆蓋，航向重疊度大于70%，旁向重疊度大于50%。側面紋理像片覆蓋度、重疊度越大，解算出來的實景三維模型精度越高、效果越好，解算出成果的時間也會相應地增加。所以考慮到效率問題，又不可以無限制地提高重疊度與像片數量。

1.2實景三維模型建立

1.2.1像片導入

野外數據采集完成后，進行影像數據檢查，無誤后導入CC軟件中，新建工程，根據采用的航攝設備確定傳感器長邊及焦距。

1.2.2空三加密

在工程準備完成后進行空三加密。CC軟件會根據像片進行大量特征點的計算、提取，對獲取的特征點再采用多視角匹配同名點，然后反向解算出每張像片的空間位置還有像片的姿態角度，從而可以確定像片之間的關系?？杖用芡瓿珊?，可以在ContextCapture里查看到整個航帶的飛行情況、結算出來的空三點的位置密度，還有每張像片的相對位置以及其所覆蓋的范圍、方位角等信息。

1.2.3量測控制點

空三加密根據野外采集的相控點，進行像片刺點。此過程要確保每張像片準確刺點，完成后再進行一次空三加密。控制點可以在空三加密之前就加到Block中，這樣就可以無需再一次進行空三。ContextCapture提供了很多個坐標系，我們也可以根據需要加入本地坐標系，只需要編寫一個坐標系文件導入即可。

1.2.4模型建立

空三加密、刺控制點再次進行空三解算之后就開始進行模型建立。軟件通過空三加密點計算出不規則三角網TIN，并且生成白模的三維模型，再通過三維模型形狀位置從航片中選取合適的紋理進行貼圖，最后輸出紋理逼真的實景三維模型。根據使用的第三方軟件，我們可以導出多種格式的模型數據，修改完成后還可以再次進入ContextCapture中重新整合輸出。

1.2.5 重慶江津站分輸站傾斜攝影測量實驗

實驗區飛行范圍為位于重慶市江津區廣興鎮東北方向的的江津分輸站及延分輸站西北方向2公里管道為中心周邊500米的帶狀范圍。共飛行三個架次，航高130米，總共拍攝了3640張，54G圖像資料，布設地面控制點19個。

1.3效益分析

ContextCapture作為專業的高效實景建模軟件，可創建具有照片紋理的、按照地理位置定位的三維模型，可直觀反映地物的外觀、位置、高度等屬性，為真實效果和測繪級精度提供保證。同時有效提升模型的生產效率。以牛莊水務項目為例，采用人工建模方式，野外采集數據三個人需要四天時間，包括無人機航拍以及紋理照片采集。后期建模，五個人共用五十多天時間。而使用CC進行實景三維建模，野外數據采集三個人兩天，主要是進行傾斜攝影測量，后期數據處理只需一個人八天便可完成。所以，針對大范圍的區域建模，在對模型精細度沒有特殊要求的情況下，采用CC系統進行實景三維建?？梢怨澥〈罅康娜肆蜁r間。

四.結語

實景三維模型建立技術以“全要素、全紋理”的方式來表達空間，提供了不需要解析的語義，是物理城市的全息再現，該技術是當今三維建模技術的主流，能夠獲取地理實體的紋理細節，不但豐富了影像數據源信息，而且極大地提升了三維建模的效率，同時也降低建模的生產成本，可以為測繪、規劃、應急、公安、旅游文化等行業提供低廉、高效、敏捷的數據支持與服務。