基于傾斜攝影技術的城市實景三維建模研究

朱 勇 程海翔

（1.揚州市職業大學，江蘇 揚州 225009；2.揚州市政府信息資源管理中心，江蘇 揚州 225002）

0.引言

隨著現代科技的快速發展，無人機傾斜攝影技術作為測繪地理信息領域的一項新的重要技術得以快速發展，在地形測繪、工程測量、電力巡檢、工程勘察、交通規劃、應急測繪等方面發揮了廣泛應用，讓數字信息賦能更多行業領域，同時也為城市實景三維建模提供了新的技術條件，為智慧城市建設提供了技術支持。

傾斜攝影是近十年來國際攝影測量領域發展起來的一項高新技術。這項技術通過同步采集不同視角的數據圖像，可以獲得豐富的建筑物頂視圖和側視圖的高分辨率影像，從而獲得準確的紋理數據，并且可以通過定位、融合、建模等專業技術生成實景三維模型。與正射影像相比，傾斜攝影可以讓使用者從多個不同的角度觀察地物，更加真實地反映了地物當時的景象，這也很大程度地彌補了正射影像的不足之處。當前大多數傾斜攝影通過在無人機上搭載一個五鏡頭相機，分別從下、前、后、左、右等五個不同視角采集數據影像，在同一個曝光時刻得到五張照片。由于采用五鏡頭相機拍照，相片數量較多，因此模型構建過程對電腦配置要求較高，且所需時間較長。本文基于大疆經緯M300搭載大疆禪思P1（Zenmuse P1）全畫幅智能擺動云臺拍攝相機進行傾斜攝影采集數據，并結合大疆智圖軟件（Terra），以揚州市梅嶺中學為例，敘述實景三維模型構建的基本過程。

1.無人機傾斜攝影三維建模

1.1 傾斜攝影三維建?；驹?/h3>

傾斜攝影是將計算機視覺處理中的多視點三維重建理論與攝影測量相結合的一種新的攝影測量技術，其特點是在完成數據采集后，采用數據處理技術來實現后期的三維真實場景建模。無人機傾斜攝影技術是指將自動控制的無人機與傾斜攝影云臺相機相結合，應用無人機快速、靈活的優點，提高了傾斜攝影數據采集過程中數據采集的智能化程度，可以更有效地采集地面數據。在數據采集過程中，從不同的角度拍攝圖像，突破了正射影像只能從垂直角度拍攝的限制，擴大了拍攝范圍，實現了地面多角度數據的采集。然后，通過計算機三維建模技術，快速構建具有精確地理位置信息的三維空間模型，能夠準確重建目標區域內地形和建筑物的詳細特征，提高建模的效率和質量，實際模型的精度可以達到毫米級。無人機傾斜攝影技術采集的數據包括POS數據和高清照片數據，POS數據主要是采集無人機運行過程中的經緯度、高度、飛行方向、飛行姿態等信息，由飛行控制系統在相機拍照時產生，并與照片一一對應。

無人機傾斜攝影三維建模是一種基于圖像的建模，基于圖像建模的主要目的是從二維圖像中恢復場景的三維幾何結構。由于圖像本身包含豐富的場景信息，所以很容易從圖像中得到一個像照片一樣的真實場景的三維模型，構建過程如圖1所示。

圖1 三維模型構建過程

以上過程可以概述為：由傾斜攝影得到的影像生成三維點云數據，根據點云數據進行三角網構建，生成一個“白?！保賹Α鞍啄！边M行紋理映射，進而生成所需的三維模型。與傳統的利用建模軟件或三維掃描儀獲取立體模型的方法相比，基于圖像的建模方法具有使用成本低、真實感更強、自動化程度高等優點，具有廣闊的應用前景。

1.2 傾斜攝影云臺相機

目前大多數的傾斜攝影采用五鏡頭相機拍照，在同一時刻分別從下、前、后、左、右五個不同方向采集影像數據，相片數量是同等條件下正射影像照片數量的五倍，因此建模過程對電腦配置要求較高，且所需時間較長。面對城市實景三維這樣大規模的航空攝影測量需求，無人機傾斜攝影產業亟需一款高精度、高效率、高可靠性、低使用門檻的一體化解決方案。而這其中，如何大幅提升單張照片的有效拍攝面積，成為實現突破的關鍵。本文基于大疆禪思P1（Zenmuse P1）全畫幅智能擺動云臺拍攝相機進行傾斜攝影數據采集。

禪思P1是一款高性能、多用途航空攝影測量相機，搭載4 500萬像素全畫幅圖像傳感器，集成全畫幅圖像傳感器與三軸云臺可實現智能擺動拍攝，滿足多角度傾斜攝影需求，可以拍攝8 192×5 460分辨率的照片。配合大疆經緯M300無人機，在高速飛行中實現智能擺動拍攝，滿足多角度傾斜攝影需求，使影像采集效率倍增，從而快速獲取高精度的三維模型。P1搭配大疆經緯M300無人機，只需4架次140分鐘，即可完成10平方千米的正射影像數據采集。不僅如此，禪思P1通過相機、云臺、飛控和RTK之間的微秒級時間同步，實現厘米級的精準數據獲取。且得益于機械全局快門，可以有效減少果凍效應，也能滿足比例尺1∶500地形圖免像控的精度要求。

由P1鏡頭獲取的影像數據，通過采用大疆智圖軟件（Terra）構建三維模型，可以大幅提高精度和效率，高效精簡地提供多角度傾斜攝影數據，滿足三維建模影像數據需求，為實景三維與智慧城市建設助力。

1.3 傾斜攝影三維建模軟件

傾斜攝影三維建模是基于圖像的建模，由于圖像本身包含豐富的場景信息，所以很容易從圖像中得到一個像照片一樣的真實場景的三維模型。目前常用的三維建模軟件主要有Smart3D、Pix4D、Skyline PhotoMesh、PhotoScan等。。

Smart3D是目前市面上用得比較多的一款三維建模軟件，能夠處理手機、單反相機、激光雷達等多種數據源的數據。這款軟件的建模優勢主要是：快速、簡單、全自動，前期輸入需要處理的照片，設置好參數后便可完成空三加密、三維建模重建DOM、DSM生成等工作；三維模型效果逼真；支持多種三維數據格式，處理的模型效果在當前所有三維軟件中也是名列前茅。PhotoScan是一款全自動生產三維模型的建模軟件。這款軟件操作簡單，無特殊和難理解的參數需要設置，但是對于數據處理的容錯率較低，易報錯，三維效果還有待提高。Pix4D是一款專門用作測繪的軟件，從數據采集（pix4Dcapture）到DOM、DSM及三維模型生產都有涉及，在DOM正射影像生成方面很有特點，但是三維效果相對于Samrt3D來說還是有些差距。本文由于采用大疆經緯M300無人機搭載禪思P1進行數據采集，因此采用大疆智圖軟件(Terra)進行三維建模。

大疆智圖是一款提供自主航線規劃、飛行航拍、二維正射影像與三維模型重建的PC應用軟件，其三維構建是基于大疆點云重建算法，將無人機采集的數據可視化，先實時生成三維點云，然后經過后處理生成三維模型。相比其他幾種軟件，大疆智圖的優點是操作簡單，處理速度快且效果好。其處理速度是其他主流軟件效率的3-5倍以上，單機效率堪比CC集群。

2.工程案例

為滿足智慧城市地理信息平臺建設的需要，需要對揚州市梅嶺中學進行傾斜攝影三維模型構建。該區域南北長約300米，東西長約120米，測區地勢平坦，建筑物密集，要求地面影像分辨率達到5厘米，三維模型平面位置和高程要求滿足成圖比例尺1∶500精度要求。

2.1 外業數據采集

本次項目采用大疆經緯M300搭載Zenmuse P1（50毫米）鏡頭，對測區進行傾斜攝影數據采集。根據精度要求，設定飛行高度150米，航向重疊率80%，旁向重疊率75%，航線自動生成，并根據測區實際情況調整航線角度，外擴邊距可自動生成。選擇天氣情況良好條件下進行外業拍攝。本測區面積較小，一個架次完成照片采集，共計照片734張。

2.2 像控點布設

為保證模型精度，測區內共布設4個控制點（點號xk6、xk7、xk8、xk9）和1個檢查點，5個控制點均勻分布在測區范圍內，且控制點上方沒有大的遮擋物，控制點和檢查點平面坐標和高程均采用JSCORS進行測量，平面坐標采用國家2000坐標系，高程采用85高程系統。

2.3 三維模型構建

采用大疆智圖軟件進行三維模型構建，導入外業拍攝的照片，輸出坐標系設置選擇輸出坐標系CGCS 2000，中央子午線選擇3度帶分帶120度。

2.3.1 空中三角測量

空中三角測量是以視覺的重投影殘差最小化為目標，在一定的先驗條件下求解相機成像時的位置和姿態，其計算過程首先尋求同名像點，包括特征點提取和匹配，然后進行區域網平差解算出相機位置和姿態。在進行三維模型構建時，可在添加照片后導入像控點，利用像控點提高空三的精度和檢查空三的精度，將空三結果轉換到指定的像控點坐標系下，從而提高模型構建的準確度。%%

2.3.2 三維模型構建

空三解算完成后即可進行三維模型構建，如前所述，三維模型建立的基本過程是由影像生成點云數據，再根據點云數據生成一個“白模”，然后對“白模”進行紋理映射，最后生成三維模型，如圖2所示。

三維模型常用數據格式主要是S3C、OBJ以及OSGB，其中S3C是Smart3D內部格式；OBJ文件是Alias Wavefront公司為一套基于工作站的3D建模和動畫軟件開發的一種標準3D模型文件格式，很適合用于3D軟件模型之間的互導，在修模時常用這種格式；OSGB是Open Scene Gragh Binary的簡寫，也是目前市面上常見的傾斜攝影三維模型數據格式。由Smart3D處理的傾斜攝影三維模型數據的組織方式一般是采用二進制存儲的、帶有嵌入式鏈接紋理數據（.jpg）的OSGB格式。大疆智圖軟件三維建模支持OBJ和OSGB格式。但這里需要指出的是通過大疆智圖三維建模生成的OSGB文件結構與Smart3D（ContextCapture）生產的OSGB格式有區別。本項目生成模型選擇OSGB格式，最終成果如圖3所示。

圖3 三維實景成果

2.4 精度分析

通過大疆智圖軟件空三解算最后生成空三質量報告，如圖4所示。可以看出像控點的點位誤差滿足三維模型1∶500成圖比例尺平面位置誤差不超過0.3米、高程誤差不超過0.5米的要求，模型精度符合要求。

圖4 空三解算質量報告

3.結束語

本文基于大疆經緯M300搭載禪思P1相機，對揚州市梅嶺中學進行傾斜攝影，利用大疆智圖軟件進行三維模型構建，完成城市實景三維模型，模型精度滿足相關要求。在應用 中，可以總結以下幾點：

（1）大疆禪思P1相機通過相機、云臺、飛控和RTK之間的微秒級時間同步，實現厘米級的精準數據獲取。在高速飛行作業中，能滿足三維模型成圖比例尺1∶500的精度要求。

（2）禪思P1可實現智能擺動拍攝，滿足多角度傾斜攝影，從而快速獲取高精度的三維模型。P1搖擺航飛模式優于五鏡頭模式，而且P1搖擺航飛相比傳統五鏡頭大大節省照片數量，對于后期數據的處理可以大幅度節約資源，提高模型制作效率。

（3）傾斜攝影使用大疆M300搭載P1相機做搖擺傾斜航飛，內業使用大疆智圖軟件進行內業建模，不管是從工作效率還是模型效果以及精度等方面綜合考慮都是最優化的方案，相比傳統五鏡頭在照片數量上大大減少。這對于項目整體的航飛以及建模等工序來說，在效率上有質的提升。

但是本項目采用P1鏡頭也有不足之處，由于照片數量減少，P1鏡頭的色彩飽和度低于傳統五鏡頭，這就要求通過大疆智圖三維模型構建完成以后還需要進行下一步修模的工作，來實現單體化的實景三維模型。