基于ContextCapture的三維建模研究

杜金莉

（1.安徽省第一測繪院，安徽 合肥 230031）

傳統的三維建模主要是利用大比例尺3D（DOM、DLG、DEM）數據，結合野外實際拍攝的地物紋理照片，制作建筑物三維模型和地形三維模型[1]。該作業方式工作量大、人工干預多、效率低下，不適合大規模作業，無法滿足大面積快速出圖需求。ContextCapture是基于圖形運算單元的快速三維場景運算軟件，僅需少量人工干預，依靠連續的二維影像就能還原出達到原始影像像素分辨率的實景三維模型[2-3]。利用該軟件生產三維模型具有工作量小、效率高、成果效果好等優點。

目前無人機傾斜攝影技術較為成熟。無人機航攝具有成本低、時間自由、航空管制小等優點，可通過無人機航飛快速獲取5個視角的影像數據，再結合自動化程度較高的ContextCapture軟件構建真三維模型，適用于三維智慧城市大規模快速化作業。本文基于ContextCapture軟件，梳理了三維建模的作業流程，總結了作業經驗，并針對出現的問題提出了解決方法，供作業參考。

1 ContextCapture軟件三維建模作業流程

首先通過無人機進行傾斜攝影測量，獲取5個視角的傾斜航空影像；再通過相片控制測量，從野外獲取少量的像控點；然后利用ContextCapture軟件進行空三加密；空三加密合格后生產三維實景模型，具體流程如圖1所示。

1.1 傾斜攝影測量

無人機傾斜攝影測量是在飛行平臺上同時搭載多鏡頭相機，獲取前視、后視、左視、右視與垂直5個角度的影像數據[4]，從而獲得地表物體正攝和不同側面的紋理照片。

航飛前收集測區現有資料作為航攝布網航飛設計的基礎資料，再根據測區最大最小高程以及所需的影像地面分辨率設定飛行航高。航飛設計時，應保證航片范圍覆蓋有效建模范圍，一般將航線各方向外擴大于3條航線或3條基線，影像重疊度應滿足規范要求。航飛應選擇晴朗無云能見度高的天氣和時間，確保影像清晰、反差適中、顏色飽和、測區色調一致，從而保證三維建模的最終效果。

1.2 空三加密

將5個視角的影像數據以及機載POS系統獲得的傾斜影像的初始外方位元素導入程序，利用正視、斜視影像構建區域網，多視角影像自動匹配；經過反復濾波、平差，解算得到符合精度要求的精確外方位元素[5]；進行控制點和加密點量測，通過平差計算獲得加密成果。

圖1 三維建模流程圖

空三加密自動匹配模型連接點時，要求每張影像上的連接點不小于9個，跨航線連接點不少于3個，若影像內僅含植被、水體等紋理信息不豐富的地物，則不做要求。目前三維建模空三加密部分的相關標準規范還未正式發布，可根據項目要求并參考《數字航空攝影測量空中三角測量規范》設定空三加密精度。若超出限差，則需人工排查超限原因，合理解決。

1.3 三維建模

空三加密合格后，通過測區分區、點云計算、TIN構建、對TIN進行濾波簡化等處理，利用處理后的TIN創建白模三維模型，再進行自助紋理映射，生成真三維模型[6-7]。紋理映射時需進行色彩均衡，紋理大小設置為影像長邊的1.5倍。三維影像數據紋理精度應接近下視影像地面分辨率。整個作業區域應模型完整，不能有空洞和不合理懸浮的面片，建筑物模型自然，細節保留完整。

2 應用實例

2.1 項目概況

項目為皖南某市多個風景區3.07 km2的實景三維建模，測區內房屋較集中，基本為徽派建筑，中心區域多為街區式分布，外圍農村居民地一般為散列式房屋，交通、水系等地物信息豐富。項目設計要求平面中誤差和最大誤差分別不大于0.5 m和1.0 m，高程中誤差和最大誤差分別不大于0.8 m和1.6 m。

2.2 作業情況

項目利用大白測繪六旋翼無人機DB-X6H搭載索尼相機進行傾斜攝影測量，共飛行7個架次，獲得有效航片54 169張，下視影像地面分辨率為0.05 m；共布設24個控制點、10個檢查點；利用ContextCapture軟件生產3.07 km2的實景三維模型。整個項目從航飛到建成實景三維模型大約需3個人15 d完成，其中利用ContextCapture軟件自動處理數據時間相對較短，但測區分散在多個地方，需航飛多個架次，航飛花費較多時間，若項目面積大且連續，整體效率會更高。

2.3 質量檢查

本文采用比對外業實測檢查點與實景三維模型上的同名像點坐標的方式進行精度檢測，共檢測10個點。結果表明，平面中誤差為0.21 m，平面小于1倍中誤差的點有8個，占比為80%，大于1倍且小于2倍中誤差的點有2個，占比為20%；高程中誤差為0.33 m，小于1倍中誤差的點有8個，占比為80%，大于1倍且小于2倍中誤差的點有2個，占比為20%；平面和高程精度均滿足設計要求。人工檢查發現，場景完整，模型精細度、紋理精度的正確性符合技術要求。

3 存在的問題及其解決方法

1）在一些面積較大的測區，傾斜攝影航攝的5個視角的影像較多，三維建模時若不分區則會導致數據量大、計算速度慢等問題。解決方法為：建議分塊進行空三加密，盡量根據地形類別分塊，同一區塊高差不要太大；外圍需外擴足夠尺寸，保證5個視角影像的全覆蓋；分塊空三加密結束后，再創建新的工程合并分塊的空三加密成果。

2）空三加密結果通常會顯示空三分層，可通過解算新的相機文件來解決。實際作業時可選取一塊影像質量相對較好且地形平坦的區塊，人工盡可能多地選取相對定向點或控制點來進行平差解算，得到新的解算后的相機文件，相當于對航飛公司提供的原始相機文件進行一次檢校。整個測區利用新解算后的相機文件，可減少后期平差次數，降低分層概率。

3）在一些陰影、遮擋、特殊地貌、影像質量差的區域經常出現因匹配的同名點不足或匹配錯誤而導致的平差失敗，需在出現錯誤的區域適當增加人工點，再次解算，直至滿足精度要求為止。

4）空三加密中有勻色選項，作業時可勾選勻色選項卡。若仍覺得整個測區影像色彩協調不夠理想，還可利用勻光勻色更好的第三方軟件（易拼圖軟件等）對原始影像進行勻色處理。

5）為了便于接邊，分界處應盡量選取地形平坦開闊、紋理相對簡單的地方。若遇河流、道路等線狀地物，分界時可把一方制作完整，另一方制作至水邊或路邊。

6）程序自動建立的三維模型通常會出現的錯誤為：在傾斜影像的陰影和視場盲區，有時會出現三維模型的漏洞、樓體缺失等錯誤；部分實景模型成果出現小面積的紋理損失；部分影像的柵欄、陽臺等地物存在拉花變形；樹干、電桿等部分細長地物有缺失錯位；部分影像模糊。解決方法為：可利用PhotoShop、DP-Modeler、貼圖大師等圖像處理軟件進行人工貼圖修正處理，其中DP-Modeler修復漏洞的自動化程度較高，處理效果較理想。

7）由于傾斜攝影測量無法獲取鏤空建筑物內部的紋理，自動三維建模也無法完美表達。該類建筑物可利用實地三維激光掃描建模，內部細節可通過貼圖軟件人工完成貼圖。

4 結 語

ContextCapture軟件已比較成熟，用其生產的成果具有自動化程度高、生產成本低、 效率高、精度可靠、三維場景真實等優點，適合智慧城市大面積快速化作業；但在實際作業過程中，由于三維模型的復雜性，建模時會出現一些細節部分不盡完善、少部分紋理丟失、復雜模型表現困難等情況，需要總結經驗方法、提高生產效率。本文研究總結的作業方法和經驗希望在實際建模作業時有一定的參考價值。