基于Smart3D的實景真三維模型生產方法探析

楊林友 （安徽省第一測繪院，安徽 合肥 230031）

1 構建三維模型的意義

智慧城市建設方興未艾，智慧城市是一項戰略和進程，需要物聯網基礎設施、云計算基礎設施、地理信息基礎設施……。測繪是地理信息的基礎，也是時空大數據的基礎。位置、圖像、圖形是時空大數據的主體。實景三維模型數據就是其中之一。以三維模型數據模式，形象展示地面上建筑物、構筑物等的空間位置及當前權屬性質和屬性狀態，為智慧城市的建設提供視角影像數據。形象地展示地面上建筑物、構筑物等的空間位置及當前權屬性質和屬性狀態。為三維不動產登記管理、城市建設、礦山管理、公安等提供數據支撐。

2 實景真三維模型的應用

各地在城市化的進程中，土地資源愈來愈緊張，城市空間的利用愈來愈復雜化、規模化。傳統的二維矢量數據已不能滿足現代城市的城市管理。利用實景真三維模型數據，在解決模型單體化后整合、關聯不動產登記二維矢量數據，進行三維不動產權籍生產。既能有效解決目前不動產登記過程中存在的空間定位困難、信息重疊等問題，又能將二維矢量數據管理升級為更直觀的、立體感更強的三維數據管理模式。隨著傾斜攝影測量技術的日漸成熟,探索利用傾斜攝影測量、Smart3D真三維建模技術在不動產登記管理、智慧城市建設等領域的應用，是一個熱門的課題。

3 利用Smart3D構建真三維模型

3.1 前期資料準備

3.1.1 傾斜攝影

無人機傾斜航空攝影在小范圍的三維模型制作是眼下常用的影像獲取方式，但對大面積的三維模型制作，為了保證模型精度、為了保證傾斜攝影的分辨率和重疊度一般采用直升飛機，相機采用五個中畫幅量測級PAN-U5相機。航攝分辨率為2cm～3cm（下視分辨率）。

3.1.2 影像數據預處理

使用航攝儀自配軟件Capture one對影像數據進行預處理，生產出5個鏡頭的單幅影像數據。IMU/GPS數據處理、GPS數據解算、IMU和GPS數據聯合解算、對檢校場進行空中三角測量，計算偏心角以及線元素偏移值，用偏心角和線元素偏移值改正攝區每張像片的位置和姿態，得到每張像片的6個外方位元素（即像片的POS數據）。

3.1.3 像控點測量

為提高模型的進度，需實地測量一定數量的像片控制點，像控點的布設需依據航空攝影測量技術要求均勻布設。傾斜攝影時載機搭載高精度IMU/GNSS定位定姿系統輔助航空攝影，實時記錄和解算每張像片的外方位元素，在滿足三維模型精度的前提下，可大量減少外業像片控制點的布設數量，減輕外業勞動強度。因傾斜攝影分辨率高像機多、要求的像片重疊度又較大，所以像片數量龐大。為保證模型的精度擬每4km均勻布設6個像控點、1個檢查點。點位應選擇航片上清晰易判別的固定點，依據等級控制點施測的精度要求，實施野外高精度像控點測量。像控點點位精度按下表執行：

像控點點位精度執行

3.1.4 空三加密

傳統的航空攝影測量空中三角測量是利用光束法進行區域網平差，像片的俯仰角和橫滾角接近為零是其數學模型的基礎。因而無法處理傾斜攝影獲得的影像數據。需專業的多視角航空攝影測量空三加密軟件，進行影像的聯合空三加密平差。流程圖如圖1所示。

圖1 空三加密流程圖

各方向的中誤差與最大誤差限差，以及控制點的聯合區域網平差應符合規范要求。

3.2 Smart3D三維重建

基于一個下視四個傾斜共五個不同焦距的鏡頭，獲取的同一時點的連續影像，結合空三加密獲得的每張像片的外方位元素成果，在Smart3D三維建模軟件中，經如圖2操作完成三維模型的生產。

圖2 Smart3D三維模型生產

Smart3D能從獲得的連續傾斜影像中生成最逼真的實景三維模型，在三維模型重建過程中已經實現了全自動計算，會依據內部算法規則，自動匹配像對，自動篩選像對，自動生成帶有坐標（X、Y、Z）信息的密集的模型表面點集。自動構建不規則三角網TIN結構，自動檢測優化三角網，同時將自助紋理映射錯誤的圖像匹配進行刪除和修復，并基于高程模型（DEM）數據以及內在的幾何關系，剔除不合理的三角網，并將TIN模型進行平滑處理，達到最佳的模型視角效果。最后根據三維TIN的空間位置信息，自動尋找建筑物四周的傾斜影像信息匹配到白體模型上，完成模型紋理的構建，最終還原出最真實的實景真三維模型。

3.2.1 區塊劃分

因數據量大，模型的成果數據是按照分區分別進行計算和存儲的。傾斜攝影獲取的影像多、數據量龐大、計算復雜，再加上普通計算機的計算能力有限，必須對測區進行分塊。結合高程模型（DEM）數據，依據配置的計算機的內存、計算節點的數量和影像數據量的大小，將整個測區按照合理的大小進行劃分（2cm分辨率傾斜攝影一般情況下按每60m分塊），將計算任務分配到不同的節點，在充分利用資源的前提下，提高作業效率。

3.2.2 建立三維像對

選擇需要處理的區塊，生成所需要影像的金子塔文件。

結合航攝過程中像機搭載的高精度IMU/GNSS定位定姿輔助航攝系統獲取的POS數據，以及各個航攝相機的位置參數，根據每兩張相鄰下視像片攝影中心點之間的位置關系，同名地物來匹配像對。

在執行傾斜攝影時都有航向和旁向重疊的要求（航向和旁向均為60%要求），同一地物影像可以出現在5張～30張影像上。為此在程序運行前，先設置好組成像對的兩張像片攝影中心長度限值。曝光間隔與航線間距的最小值≤攝影中心間間距≤曝光間隔與航線間距最大值的2倍。像對文件生成后，需逐個檢查各個像對是否滿足規范或技術設計書要求。

基于空三加密平差計算得出的每張像片主點即攝影中心的6個外方位元素成果和像機安置的位置關系，Smart3D軟件可以依據同名影像自動尋找合適的相鄰兩張影像組成三維像對。

3.2.3 TIN網優化

獲取的高分辨率傾斜影像，Smart3D可通過計算生成基于傾斜影像的超高密度點集即點云，并由此生成基于傾斜影像紋理的高分辨率實景真三維模型，對真實場景的還原已經達到了全要素級別。Smart3D軟件內嵌了多種高級智能算法，可以自動構網，并且能夠自動檢測不規則的三角網，自動對不合理的三角網表面進行優化，剔除不合理的三角網。對平緩表面和模型復雜表面的三角網密度自動進行簡化和保留處理。

合并模型點云文件，創建TIN網的三維模型，同時還要進行下列操作：

①調整點云密度使其三角網的尺寸盡量與原始影像地面分辨率相匹配；

②去掉點云中發生突變、不連續的點；

③通過對密集點云演示的表面變化的分析，降低平緩地區三角網密度。

3.2.4 白體三維模型創建

利用處理后的不規則三角TIN網，創建生成白體的三維模型（即初期模型）。

3.2.5 紋理渲染、匹配

根據優化的三角網結果，并結合關聯的原始影像和拍攝的立面照片信息，為每個三角形建立一一對應的紋理信息。同時把紋理信息和模型之間的關聯保存在關系表中。在進行紋理映射時需均衡色彩，以像素為單位設置紋理大小，一般情況下按影像長邊的1.5倍設置。為使模型色彩均衡，將帶紋理的模型建立更多細節和層次，便于優化文件組織結構。將得到的結構模型文件輸出為obj、osg(osgb)等通用兼容格式，能夠方便地導入目前各種主流GIS應用平臺。

3.2.6 模型編輯、修改和成果整理輸出

由于建模是由計算機全自動完成，因此不可避免會出現一些問題區域，主要是以下幾種類型：

①由于拍攝視角盲區造成的漏洞：比喻因房檐過大導致在航拍時，房檐底下信息丟失引起的漏洞；建筑物密集導致建筑物側面被遮擋而引起的信息丟失等；

②水體表面、反光嚴重的玻璃樓體表面，容易產生模型空洞、水面不平；

③由于影像質量問題引起的匹配錯誤；

④植被、路燈、廣告牌等細小、結構單薄的物體，容易導致結構不完整、漂浮空中等現象。

對于以上問題，可以利用第三方軟件 photoshop、Erdas imagine、Geo?magic等軟件進行人工干預編輯，例如水面不平及漏洞修補、懸浮物刪除、道路不平整修復、建筑變形及遮擋修飾等，實現TIN網的修復和重構。如部分區域存在拍攝盲區，采用在地面補拍照片的方式重新建模。另外，Smart3D可以對指定的區域進行TIN網的自動內插平滑處理，解決表面漏洞問題。

所有成果數據按要求進行組織存儲。

3.3 精度統計

實景真三維模型數據是一種全新的地理信息數據，地理信息數據是有精度要求的：

位置精度：在模型上采集已實測坐標的地面檢測點的內業坐標（共77個點）與實測坐標進行比對：

Ms（高精度）=±0.11m、Mh（高精度）=±0.073m。

幾何精度：模型與實地核對沒有變形。

紋理精度：表面紋理符合現場的真實情況。

4 結語

目前真三維模型制作技術比較成熟，ESRI、SkyLine等多種處理軟件都能滿足要求，有各自的優缺點。本文主要就基于Smart3D軟件，通過直升飛機平臺搭載五個中畫幅量測級PAN-U5相機，獲取地面分辨率為2cm～3cm（下視影像）連續的多視影像，結合外業控制、空三加密，探索快速構建實景真三維模型的方法。結果證明Smart3D三維建模方法具有高度的自動化和快速建模的特點。模型的位置精度、幾何精度均能滿足1:500地籍圖,圖上地物點中誤差≤圖上0.5mm的精度要求；紋理精度也較符合現場的真實情況。在解決模型單體化和分層分戶的技術問題后，結合不動產二維矢量數據就可以完成分層分戶的定位和屬性賦值。直觀、高效地服務于不動產管理登記，滿足城市不動產管理需求。