基于Smart3D無人機傾斜攝影三維建模方法研究*

牛 磊，譚文輝，邱健壯，張 峰

（1.泰山科技學院建筑工程學院，山東泰安271000；2.泰安市城市管理綜合服務中心，山東泰安271000；3.山東農業大學信息科學與工程學院，泰安271000）

0 引言

實景三維中國建設是新型基礎測繪的主要任務和成果形式，自然資源部指出自然資源登記系統要由二維系統變成三維系統，并提出推進三維實景數據庫建設，推動建立三維立體自然資源“一張圖”。傳統的基于矢量數據人工三維建模技術精細度表現較好，但人工干預大，效率較低，成本高。隨著無人機產業和傾斜攝影測量技術的快速發展，基于無人機的傾斜攝影建模方法成為研究和應用的熱點。相對于傳統的人工建模手段，無人機傾斜攝影測量建模具有低成本、高建模效率與高精度等特點［1-2］。無人機傾斜攝影測量建模能夠獲取物體側面豐富的紋理和結構信息，成為實景三維建模的主流方法，目前已取得較好效果。然而，由于無人機飛行高度及空中攝影采集角度的局限，近地面及被遮擋區域會造成地物紋理結構信息丟失或不足，實景三維模型放大會出現拉花變形及破洞等現象［3］。因而，文章以山東省泰安市岱岳經濟開發區為研究區域，探索基于無人機攝影測量數據的大范圍實景建模方法，提出針對研究區不同地物的分等級修飾模型方法，提高了大范圍實景三維建模效率和精細度，為實景三維建模提供了新的技術思路。

無人機是一種安裝有自動駕駛儀和導航裝備，可借助無線電遙控設備和程序控制裝置，自主操縱無人駕駛航空器［4］。按照外形結構不同，無人機可分為三類：固定翼無人機、多旋翼無人機和復合翼無人機。固定翼無人機航飛速度快、續航時間長，在大范圍作業中應用廣泛。常見固定翼無人機有Ebee無人機、天狼星無人機等。多旋翼無人機對起降場地要求不高，操作靈活。常見的多旋翼無人機有大疆精靈無人機、哈瓦無人機等。復合翼無人機結合固定翼無人機和多旋翼無人機的特點研發而成，如南方的大鵬無人機［5］。

傾斜攝影測量技術是通過飛行平臺搭載傳感器，從垂直和傾斜多個角度進行拍攝，獲取研究區的正射影像和傾斜影像。目前常用的航攝儀為五鏡頭，可獲取包括下視、前視、后視、左視、右視5個角度的影像，并同時獲取5個視角傾斜影像、下視影像的曝光點坐標、相機參數以及相機之間的相對位置關系［6］。利用三維建模軟件處理攝影測量數據，基于多視角影像及其POS數據、姿態、相對位置關系進行自動空三加密，生產精準的三維點云數據，重構不規則三角網TIN，創建三維表面模型，并利用正射和傾斜影像紋理映射技術，建立區域實景三維模型［7］。傾斜攝影測量技術可以快速獲取影像數據信息，降低了生產成本，提高了數據獲取效率。使用傾斜攝影技術生產的實景三維模型，不僅能真實地還原地物紋理和色彩，形象地表現地形地貌特征，以及建筑物的細節，還可以提供準確的地理位置信息。因此，傾斜攝影測量建模技術在城市規劃、災害應急處理、工程建設、智慧城市等領域具有較好應用前景［8］。

1 研究數據與方法

1.1 研究區概況

該文研究區域位于山東省泰安市岱岳經濟開發區，面積30 km2，地勢整體比較平坦，局部地形有起伏，區域內既含平原、丘陵等多種地形，也含政府機關、學校、城鎮小區、工廠等多類區域，給大規模人工精細建模帶來了極大困難。該文研究區域范圍如圖1所示。

1.2 數據采集

研究區域面積較大，根據實地情況，利用主要道路進行分區規劃航線。借助搭載5個索尼5100五鏡頭相機的哈瓦四軸八旋翼無人機，設置航高102 m、地面分辨率2 cm、航向重疊率80%，旁向重疊率80%，無人機飛行水平速度7 m/s，實現數據采集。

每天選擇光照條件良好的時間航飛，每天航飛4架次。生成數據選用2000國家大地坐標系每隔150 m均勻布設像控點及一定數量的檢查點。并在此基礎上，針對重要建筑物側面紋理遮擋情況，利用數碼相機等其他終端設備進行實地補拍。

彩圖1 研究區域Fig.1 Study area

1.3 研究方法

該研究首先基于哈瓦無人機，獲取研究區傾斜測量影像數據，并通過數碼相機等其他設備采集輔助影像；其次，通過集群工作站利用Smart3D軟件建立原始的大范圍實景三維模型；再次，針對地物的不同特征分為4個等級，采用DP－Modeler軟件實現三維場景模型修飾及建筑物模型單體化，聯動3DMax建模軟件精細化建模；最后探討了實景三維模型在智慧城市、災害應急處理、城市規劃和國土規劃設計方面的應用。

1.3.1 Smart 3D三維實景建模

（1）建立工程

無人機傾斜攝影獲取數據量大，傳統的航空影像數據處理基于單機的串行處理和計算已遠遠不能滿足其生產要求，集群式計算機并行處理技術可有效提高生產效率。采用工作集群，利用Smart 3D軟件，實現三維實景建模。在Smart 3D軟件中建立工程，創建新的區塊，導入清晰的影像數據、正確的POS數據以及高精度的像控點數據。

（2）空中三角測量

Smart3D空中三角測量計算是以POS數據為初始外方位元素、共線方程為基礎進行光束法區域網平差計算處理，提取傾斜影像的大量特征點，進行像對匹配和同名點的密集匹配，生成點云數據［9］。

該項目Smart3D軟件生產數據時采用兩次空三加密方法，首先導入無人機采集的影像數據和POS數據進行第一次空三加密，在第一次空三加密基礎上，加入像控點信息，再次進行空三角加密處理。像控點數據不但可有效提高空三加密過程的影像匹配精度和效率，還可實現目標坐標系統的轉換。

（3）三維實景建模

通過空三加密點云，構建不規則三角網TIN，生成無紋理模型；基于獲取影像數據的紋理，生成“影像到模型”的紋理映射模型，從而生成實景三維模型［10］。空中三角測量完成后，切塊分割實景模型，并將修飾后的實景模型，以OSGB、OBJ、S3C等格式輸出，修飾后的三維模型如圖2所示。

圖2 實景三維模型Fig.2 Real 3Dmodel

1.3.2 精細模型處理

由于無人機飛行高度、空中攝影采集角度的局限及部分地物紋理特征點少，導致部分模型扭曲變形、結構缺失和模糊不清，無法自動獲取高質量模型。該文采用分等分類精細化模型處理方法，綜合應用圖像建模系統DP－Modeler軟件、3DMax建模軟件和Photoshop圖形軟件進行處理。針對地物的不同特征，分為4個等級：一級模型主要為政府、機關學校、醫院、大型產業園、古建筑、別墅等；二級模型主要為小區、工業園、小型產業園等；三級模型主要為廠區等；四級模型主要為城中村、農村宅基地等。

大范圍實景三維場景模型主要應用DP-Modeler軟件OBJ修飾、OSGB修飾功能對Tile的地面、道路、水面、漂浮物等地物進行修飾。對于水面、玻璃等光滑表面地物，由于匹配的特征點較少會造成模型紋理不均勻、甚至產生漏洞，可以通過DP-Modeler軟件補洞功能，聯動Photoshop軟件修飾模型及其紋理。在建模過程中由于匹配特征點太少生成了不連續的懸空的漂浮物，通過DP-Modeler軟件可以快速刪除漂浮物。而針對部分凹凸不平的地面道路，也可通過DP-Modeler軟件實現道路面踏平和紋理修飾，如圖3所示。

圖3 場景模型道路修飾Fig.3 Scenemodel road modification

建筑物模型采用DP-Modeler軟件進行單體化模型處理。單體化就是將一片完整的區域模型劃分為不同的特征實體，每個特征實體都是離散、同質、有明確邊界的空間對象。可以對每個單體進行屬性賦值，如名稱信息、地址信息、房屋高度和層數等［11］。對于結構較為簡單的三級模型、四級模型，可以直接使用DP-Modeler軟件實現單體化模型處理，而對于結構較為復雜的一級模型、二級模型借助于DP-Modeler軟件聯動3DMax軟件的功能，可以在3DMax軟件中精細化建模修飾。處理方法為利用實景模型提供的實際尺寸和紋理特征，在3DMax軟件中重建模型，然后借助Photoshop圖形軟件修飾圖片，使圖片與模型匹配完美，通過3DMax軟件展UV的功能進行紋理映射貼圖，在DP-Modeler軟件刪除或踏平實景模型，最后將3DMax軟件中精細化模型導入DP-Modeler軟件，實現精細化建模與修飾。如圖4-5所示。

圖4 建筑物模型單體化Fig.4 Building model monomer

圖5 3DMax精細化建模Fig.5 3DMax finemodeling

2 實景三維模型應用

2.1 智慧城市應用

隨著5G網絡技術、云計算技術和物聯網技術的不斷發展，無人機傾斜攝影實景建模技術在智慧城市中應用更加廣泛。由數字城市升級的智慧城市建設，對三維模型數據產生更高需求，三維模型數據為智慧城市建設提供了更為豐富的基礎地理信息數據。

2.2 災害應急處理應用

無人機傾斜攝影實景三維模型數據可以進行災害調查、分析、地質災害的預警，實景三維數據的真實性、直觀性和精度高的特點，更利于災害的應急救援的工作，為災害應急處理提供了輔助決策的數據支持。無人機的靈活性、快速反應的能力在應急救援中也起到至關重要的作用［12］。

2.3 城市規劃應用

實景三維模型是對真實三維場景的可視化表達，具有真實的幾何信息、紋理信息和地理信息，基于三維實景模型進行虛擬規劃，以可視化的方式從多角度直觀展現規劃效果，借助于平臺系統可以通過光照分析、通視分析、距離高度分析等，為城市規劃、新區建設、征地拆遷、三舊改造等項目提供輔助規劃和決策支持，從而獲得更適應環境的管理規劃方案［13］。

2.4 國土規劃設計應用

實景三維模型與國土規劃設計結合應用，使傳統的土地規劃設計的二維數據升級為三維數據，更加直觀、形象的展示規劃成果，此外借助于平臺的進一步開發，可以實現數據的量測、屬性查詢、編輯、共享等［14-15］。

3 結論與討論

該文基于無人機傾斜攝影技術，結合Smart3D軟件，實現了大范圍三維實景模型的構建，并通過DP－Modeler軟件和3DMax建模軟件，完成三維模型的分等級精細化處理，為大范圍實景三維建模提供了新的思路與解決方案，為智慧城市建設、災害應急處理、城市規劃、國土規劃設計等領域提供了數據支撐與技術支持。隨著空地一體化數據采集、處理技術發展和新型數據采集裝備的研發，將不斷提高影像數據的采集效率和構建大范圍精細化實景三維模型的作業效率，促進實景三維中國的建設，并在國民經濟建設中發揮重要作用。