基于Smart3D的三維實景建模應用研究

李見濤，何昌國

（江西省煤田地質局測繪大隊，江西 南昌 330000）

三維實景建模技術能夠根據一系列二維相片，或者一組傾斜影像，通過軟件自動生成高分辨、帶有逼真紋理貼圖的三維模型。傳統的三維建模雖然分辨率高，但是有耗時較長、制作煩瑣、場景不夠真實等缺點。而利用傾斜攝影技術進行的三維實景建模具有建模時間短、更加智能化、場景更加真實等無可比擬的優勢[1]。

本文以深圳市某校區為例，通過大疆 Inspire2無人機獲取區域內的高精度圖像，然后通過相關的軟件完成三維實景模型的建立，最后通過對其精度的認定來論證此方案的可行性。

1 基本原理與關鍵技術

1.1 傾斜攝影基本原理

傾斜攝影通過多角度的搭載不同的高清攝像頭，完成垂直以及四個傾斜多個方位對物體的實時動態拍攝，采集二維相片，從而能夠獲取到更加豐富的紋理信息,為用戶提供一個更加直觀真實的視覺。使飛機在飛行過程中，能獲取多角度多方位的影像數據，針對目標區域可以全面覆蓋。對于所有曝光位置來說，通過多個不同的鏡頭就可以同時拍攝多個不同角度的影像[2]。

在拍攝影像時，對拍攝的各個參數，包括高度、經緯度坐標以及時長進行記錄，形成POS文件，并完成數據處理。獲取到的傾斜以及正射影像（DOM）可以更加全面覆蓋滿足建模需要的所有區域， 為三維建模奠定基礎。

1.2 三維實景建模技術流程

利用傾斜航攝相機對目標物進行拍攝，獲得需要的影像數據，其特點有：①從多角度多位置進行拍攝，能滿足模型多個角度的生成;②搭載的攝像機能夠實時拍攝，從而保證了圖像的清晰度和廣闊的視角;③由于拍攝角度的緣故，會發生部分物體被遮擋的現象。可能會造成模型局部出現變形或者看不清的現象。但是可以通過后期Smart3D補拍重建模型或者用相關軟件進行精細化處理。

如圖2所示，三維建模涉及獲取、預處理、空三處理以及建模等主要步驟。其中關鍵的步驟在于空中三角測量自動生成三維模型和紋理映射，此步驟依靠Smart3D軟件半自動完成。

圖1 技術流程圖

圖2 測區航線設計圖

1.3 基于Smart3D 的三維實景建模

本文利用 Smart3D 軟件來構建三維模型，該軟件的最大特點是通過加載二維相片影像就可以自動化快速的實現三維實景模型的建立，而且可以輸出類似obj、osgb、dae、spk等多種格式，自由導入諸如ArGIS、Qgis等主流的GIS平臺中，可輸出的模型包括DSM.DOM DEM以及二三維可視化數據[3]。而且Smart3D還可以用于文物保護一些零件的三維模型的構建，而本文主要闡述基于無人機航拍影像完成實景三維模型的構建和在可視化與分析中的運用。

2 三維建模過程

2.1 研究區概況

本文研究區域學校位于深圳鹽田區，研究區覆蓋建筑樓以及體育運動場所，容積率較高，面積較大，下圖是根據研究區域的航線設計圖。

2.2 無人機數據獲取

構建實景三維模型原始數據主要包括了無人機拍攝的傾斜影像數據、POS 數據、以及地面像控點。此次實驗采用大疆 Inspire2無人機搭載禪思Zenmuse X5S相機對傾斜影像數據進行采集，時間定在9月初天氣晴朗，基本上沒風，比較適宜飛行。

首先在無人機地面控制系統中進行航線規劃，設高度航向重疊度等基礎參數。本次航飛獲取了590張傾斜影像，影像的的精度達到了2cm。我們選用的控制點數量為4個，采用GPS-RTK模式聯測出平面及高程坐標，測量三次取平均值作為最終結果,控制點選用坐標系統為大地CGCS2000坐標系，1985國家高程基準。

2.3 Smart3D建立實景模型

傾斜影像的數據類型有兩種，分別是大傾角側視攝影數據和垂直攝影數據。每個曝光點的坐標，可以通過傾斜攝影瞬間 POS 系統的觀測值，作為其初始外方位元素，進而根據模型進行計算得出。采用多基線多特征匹配技術可生成大量的連接點，結合少量的外業控制點，通過區域網平差步驟，從而完成了多視角聯合空中三角測量，最后得到精確的空三匹配結果。

2.3.1 數據預處理

數據預處理主要是對數據的檢查和校正,首先是對影像坐標系的檢查，是否是CGCS2000坐標系，影像是否清晰。其次就是對于采樣的像控點的精度是否達到要求，導出的POS數據是否正確。確認無誤將POS數據保存為.scv格式，而像控點保存為.txt格式。

2.3.2 空中三角測量

多視影像密集匹配可以獲得密集點云，再經過優化構網算法來構建數字地表模型（DSM），從而為后面構建模型提供數據支撐。在傾斜影像運用空三算法獲得各個影像的外方位元素，通過其像素以及特征進行匹配，加上并行算法的運用，從而提升計算速度。基于上一步獲取到的數字地表模型融合，得到一致的DSM。此過程通過Smart3D軟件自動完成，我們將POS數據導入進來，選擇對應坐標系，即可一鍵生成相應空三成果。成果圖如圖4所示。

圖3 空三成果圖

圖4 像控點加密空三測量報告

2.3.3 像控點加密

工程準備完成后進行空三加密。軟件會自動對圖片進行大量特征點的計算提取，完成建模坐標系的轉換。在Smart3D中選擇加載像控點，并以刺點的方式表明。最后將空三成果導入構建的坐標系中，并輸出各個像控點的精度相關的信息。表1是像控點檢測報告。圖5是像控點加密空三測量成果。

圖5 校園三維模型成果

表1 像控點檢測報告

2.3.4 建立模型

通過Smart3D進行半自動化建模還需要以下3步：通過上述空三加密點云計算不規則三角網TIN，即可生成白膜；從飛來的航片中選擇合適的紋理進行貼膜，最后在輸出模型。本次實驗瓦片數量42，大小60米。模型成果見下圖所示。

2.3.5 三維模型精度評定分析

根據三維模型相關規范要求，從平面精度、DOM精度、模型精細度和紋理等多個方面進行評估表述。

（1）平面精度：平面精度以平面中誤差為指標，通過在校區內用RTK打15個特征點，作為精度的檢查點，在模型測出這些點坐標，根據中誤差公式計算，驗證是否符合規范。經計算得到此模型的精度為0.04m，遠高于1:1000測圖下模型精度0.8m的要求。

（2）高程精度：高程精度通過對校園建筑物高度進行分析。在校內選擇15座建筑物，測量其實際高度，與模型量測數據進行比較并計算出高度中誤差。經計算模型高度中誤差為0.148 m，符合規范中1M的要求。

（3）DOM精度：此次三維模型地面分辨率為0.04m，符合規范要求。

（4）模型精細度：模型精細度主要從建筑要素模型、植被要素模型以及管線地下空間要素模型等方面來參考評定。本次生產的校區模型，主要涵蓋了校園內部的建筑表現、地形起伏變化以及細節表現，滿足I級模型，但是表現不了地下空間特征。

（5）紋理主要通過已經拍攝的照片和補拍一些不清晰的區域照片，并對照片進行處理，從而修飾模型的紋理。本模型達到了I級模型的紋理精度要求。

3 結語

本文基于 Smart3D 的三維實景建模方案的設計，在無人機傾斜影像的基礎上構建校園三維場景模型，而且模型精度遠超于的單鏡頭航測模型精度,具有較高的實際應用價值。此成果通過可視化和分析為校園虛擬規劃提供依據的同時，還能為構建校園三維GIS平臺提供支撐的數據。