基于傾斜攝影技術的壽縣古城三維重建及瀏覽應用

鄭旺

摘要：為滿足壽縣古城旅游宣傳和保護的需求，對壽縣古城進行了精細化三維建模，此次針對壽縣古城研究，利用傾斜攝影方法，采集了壽縣古城的空間坐標信息與表面紋理信息，通過基于計算機視覺和計算機圖形的三維重建技術，獲得了基于地理信息的數字化三維模型，通過對壽縣古城實景三維模型建立，達到了對壽縣古城信息記錄、保護與展示利用目的。同時也可以為壽縣旅游宣傳及智慧旅游提供實景三維數據支撐。

Abstract： In order to meet the needs of tourism publicity and protection of the ancient city of Shouxian， a refined 3D model of the ancient city of Shouxian was built. Aiming at the research of the ancient city of Shouxian， the spatial coordinate information and surface texture information of the ancient city of Shouxian were collected by means of tilt photography. Through the 3D reconstruction technology based on computer vision and computer graphics， a digital 3D model based on geographic information was obtained. Through the establishment of the three-dimensional model of Shouxian ancient city， the purpose of information recording， protection and display of Shouxian ancient city is achieved. At the same time， it can also provide real 3D data support for Shouxian tourism publicity and smart tourism.

關鍵詞：傾斜攝影;三維重建;壽縣古城;旅游

Key words： oblique photography;3D reconstruction;ancient city of Shouxian;travel

中圖分類號：TP391.41? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）32-0163-02

0? 引言

壽縣古城位于安徽省淮南市。在實現壽縣古城傳統宣傳及智慧旅游所有功能的同時，通過對壽縣古城實景三維模型的建立，進一步提升游客體驗，從而為壽縣旅游宣傳及智慧旅游提供實景三維數據支撐。

1? 傾斜攝影技術簡介

傾斜攝影測量技術是通過在同一飛行平臺上搭載多臺傳感器，可同時從不同角度對地面物體進行影像數據獲取。通過三維重建技術，精確還原影像獲取時刻地物的三維實景模型，受到各單位廣泛歡迎和大量應用。大概流程為：首先，對攝區進行實地勘查，完成航線設計之后，進行無人機低空傾斜攝影;控制點采集，用于模型糾正;再用自動建模軟件進行空中三角測量與模型重構，生成三維實景模型;對不同航攝分區的三維實景模型進行拼接，完成整個項目的三維模型連接;最后整理成果并提交。無人機數據采集與處理流程如圖1所示。

2? 壽縣古城三維建模

本文的主要技術點為利用大疆M600Pro飛行器、雙相機搖擺式傾斜攝影相機以及重建大師等軟件實現面向工程測量以及基于傾斜影像自動構建三維實景模型。相比于傳統的數據采集方法，無人機航測系統具有體積小、重量輕、快速獲取影像、飛行條件需求較低、成本低廉等特點。而采用傾斜攝影測量技術可以更全面的獲取城區內建筑物、道路、水系、綠化、交通及其附屬設施等高精度的原始影像數據。無人機數據采集與處理流程大致分為航測準備工作、數據采集、地面控制點測量、數據自動三維重建等步驟：

2.1 航測準備工作? ①航測作業開始前需要對測區進行踏勘，收集已有的地圖、控制點信息等測繪資料;②結合踏勘情況，設計無人機航線規劃以及行高、飛行速度、重疊度等參數;③對相機焦距和無人機性能進行調試。

2.2 數據采集? 利用地面站軟件“GSPRO”設計航線并實時監控飛行情況。通過航線規劃系統，能夠保證數據的重疊圖，數據的分辨率和范圍，從而保證采集數據的有效性。

本次建模飛行平臺配置了大疆M600pro旋翼無人機，傳感器采用了雙魚雙鏡頭傾斜相機。雙魚傾斜相機的雙相機搖擺工作模式，能夠大大減輕重量，提高續航時間，從而提高數據采集的效率。根據地面分辨率5cm以內、平面高程精度較高的要求，綜合研究后采用像片重疊度航向為80%，旁向為75%;航線彎曲度不大于5%。原始影像數據如圖2所示。

2.3 地面控制點測量? 本次壽縣古城三維建模采集3cm分辨率的航空攝影，為保證最終成果的精度，在測量范圍內使用RTK進行地面控制點測量。

針對壽縣古城區域特點、本次像控布設一方面需保證整體數據成果精度、另一方面需保證不同架次或相鄰內業處理區域之間不出現模型二義性現象（分層、錯位）。基于以上考慮，在無人機架次規劃的基礎上，將控制點位均勻地布設在相鄰架次接邊處。

壽縣古城三維像控點點位設計：點位布設按照行業標準，基于大地2000坐標系，3cm地物分辨率每平方公里10到12個點：具體參數描述如下所示：①像控點布設的航線間隔數和模型間隔數應滿足《工程攝影測量規范》中的相關規定，即在城鎮建筑區應其間隔數k應小于12;②在區域網中布設像控點時，區域四角應布設平高控制點，四邊的航線應每間隔k≤12個模型;③區域網內像片平高控制點應以2k×2k布設8個平高控制點為基本單元，在其相鄰處每增加一個基本單元時，應加布5個平高控制點;當增加的相鄰區域小于2k×2k時，應布設5個平高控制點;④本項目采用數字攝影方式，按城鎮地區的布設密度;⑤像控點控制區域應大于測圖范圍;⑥區域網中心部位應布設一個用作檢查的平高控制點;⑦在本次建模中，按地面分辨率3cm成果，且采用不同的像控點密度對測區進行設計。相控布設示意圖如圖3所示。

2.4 數據自動三維重建? 壽縣古城低空無人機航空攝影測量生成帶紋理的三維地形模型，主要作業流程包括像片控制點選擇與刺點，空中三角測量和模型重建，采用重建大師三維建模軟件。①根據三維模型瀏覽器的要求及三維重建平臺本身的限制，確定模型的分塊大小和重疊度，根據壽縣古城大小確定生成三維成果的范圍;②對于存在水面的區域在生成的三維模型中進行后期修改，并重新添加水面約束后更新三維模型;③在成果輸出前，需要對空三結果進行檢查，確定其精度滿足要求。

2.5 技術難點? 和以往的建模的規則性不同，壽縣古城三維建模實施的主要技術難點體現在：①需要對古城內重點區域：孔廟、清真寺、報恩寺、賓陽樓等特殊區域進行針對性的精細化補拍，提升模型表面精度，減少攝影死角;②對于部分重點區域，采用無人機對重點建筑或區域超低空繞飛，以獲取更高分辨率的影像;采用地面站自動定點繞飛或人工控制的形式繞飛，繞飛時影像重疊度不低于75%;③攝區內有較集中的居民地和城鎮，航攝時必須在各主要位置派駐觀察員，始終保持無人機不離開各觀察員的視線。各觀察員應配備相應通信設備（如：對講機），及時將無人機飛行異常情況及時通報操控人員。

3? 結束語

本文介紹了壽縣古城數三維建模過程，從獲取高分辨率的原始傾斜影像數據，到空三控制點加密，再到模型重建輸出成果。根據此次工作，得到了多方面的寶貴經驗：首先，在原始影像數據獲得過程中，影像數據的獲得快速且便捷，通過大疆無人機拍攝，且同時進行像控點測量，在天氣允許的情況下，半天就能結束工作，與傳統建模方法比較大大提升了工作效率;其次，壽縣古城很多地方存在植被和密集的房屋，所以很多地方無人機無法獲取影像數據，會對建模工作產生影像，必須采用地面補拍進行模型的后期處理或者用特定的三維模型修復軟件進行后期處理，否則會影像整體模型的美觀;與昂貴的激光三維掃描儀建模相比，盡管實景三維模型在部分細節與精度上存在理論差距，但通過控制點加密以及后期的模型精修，仍可滿足需求，實景三維模型最大優點就是高性價比。

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