實景三維模型精細化技術研究與實踐

杜亞明 陳昊宇 李 雁

（江蘇省測繪工程院，江蘇 南京 210013）

實景三維是新型基礎測繪標準化產品，具有直觀、精度高、可量測、信息豐富、沉浸感強等特點，是新型智慧城市建設和“新基建”推進實施的重要新型空間數據基礎。無人機傾斜攝影具有測繪尺度大、飛行效率高、機動靈活等優勢，可以快速準確地獲得高質量航空攝影數據。借助智能化的控制系統和高性能的數據處理集群，可以進行高效數據采集與實景三維模型數據生產，現已成為主流的實景三維模型生產方式[1-2]。

由于城市環境、地形以及航攝的局限性，航攝影像直接生成的三維模型會產生缺損、破洞、紋理拉花等問題[3-4]。為構建高精細化的城市模型，彌補傾斜攝影自動建模的不足之處，文章采用空地影像聯合三維建模、三維模型編輯修飾、人工構建單體化模型等三種方法提升模型精細程度。

1 無人機傾斜攝影

無人機傾斜攝影系統主要包括地面站系統、無人機飛行平臺、傳感器三個部分。地面站系統負責無人機航線規劃、飛行檢查、飛行狀態監測、應急情況處理等。無人機飛行平臺主要負責搭載傳感器進行數據獲取，常用飛行平臺有多旋翼、固定翼、垂起固定翼等。傾斜攝影用的傳感器多為五鏡頭相機，配合無人機POS系統，能夠同時獲取一個正射影像與前后左右四個方向的地面影像。

依托省級基礎測繪項目，于2021年在鎮江市中心區獲取了102 km2的傾斜攝影數據。項目采用縱橫CW-15無人機搭載睿鉑RIY-DG4 Pros五鏡頭相機進行數據采集。無人機累計飛行43架次，獲取照片464 835張，以傾斜攝影三維模型為基礎，于鎮江市市政府、鎮江市體育會展中心、鎮江市蘇寧廣場、金山風景區、西津渡風景區等區域，利用大疆御2Pro以及M300多旋翼無人機貼近攝影，獲取高分辨率影像數據，并進行精細化三維重建。

2 三維模型重建技術

三維建模的關鍵技術包括數據預處理、空中三角測量、多視影響匹配、紋理映射等。三維建模前期數據預處理主要包括航空影像、相機檢校參數、POS數據、控制點數據等內容的預處理。空中三角測量是通過少量的室外控制點采集，經過嚴密計算和室內加密，從而獲得加密點的平面位置和高程值。多視影像匹配是通過算法獲得具有一定重疊度的航空影像數據之間的同名點的過程。紋理映射是指利用計算機圖形學將二維圖像覆蓋到三維物體表面來增強真實感的技術。項目利用Context Capture軟件進行實景三維數據生產。

2.1 數據預處理

對航攝獲取的原始影像、POS數據以及相機的檢校參數文件進行預處理。對原始影像進行規范化命名并檢查影像，保證數據無遮擋、非全黑、色彩正常以及文件中信息有效。對POS數據檢選有效信息，確保記錄信息與影像名稱逐一對應。確保相機檢校參數信息與設備對應。

2.2 空中三角測量

在Context Capture軟件中依次導入預處理后的數據。設置正確的地理參考，以POS數據作為初始值，對整個區域網中影像點進行匹配與模型連接。必要時進行手工量測連接點，確保自由網空中三角測量成果滿足質量要求。隨后對外業實地測量的控制點進行轉次，選擇無遮擋、特征清晰的影像作為目標相片。利用控制點數據對區域網模型進行約束平差解算，直至空三各項指標滿足質量要求。

2.3 三維模型構建

在Context Capture軟件平臺下，利用傾斜影像數據及空中三角解算后影像精確的內、外方位元素進行多視影像密集匹配，得到密集地表三維點云。基于已定向的密集三維點云，構建不規則三角網，得到三角網表面模型（白模），利用傾斜影像及精確的內、外方位元素確定物方與像方的幾何關系，對白模進行自動紋理映射，得到傾斜攝影三維模型。

3 實景三維模型精細化

為解決傾斜攝影自動建模的模型問題，獲得使用性更廣的高清晰度、精細化實景三維模型。結合空地影像聯合三維重建的方式優化城市三維模型建筑物的近地面位置的三維結構與紋理，利用三維模型修飾的方式修補水面漏洞、建筑物側立面凹凸扭曲，解決懸浮物以及紋理拉花等問題，通過人工模型單體化的方式優化模型展示效果。

3.1 空地影像聯合精細化實景三維建模

貼近攝影是模型精細化必不可少的手段之一。利用地面補拍以及無人機繞飛獲得精細紋理以及位置信息恢復被攝物體的精確坐標以及精細結構，實現“從無到有”“從粗到細”[5-6]。

（1）影像采集策略。利用垂直起降固定翼無人機搭載五鏡頭傾斜相機獲取測區全范圍影像數據；利用多旋翼無人機搭載五鏡頭相機對建筑物較低的區域進行補拍，獲取更高分辨率的影像數據；對于重點建筑物以及重點目標區域，利用多旋翼無人機貼近環繞的方式獲取多角度，多細節的高分辨率影像數據。依據建筑物特點以及現場實際情況，采取多層次、多角度、高重疊度的貼近攝影方式，在建筑物轉角以及相鄰環繞層之間應增補拍攝，保證影像匹配成功率，同時保證貼近攝影與傾斜攝影地面影像之間的重疊度，保證與控制點成功連接。

（2）空地影像融合空三。

空地影像聯合三維重建技術流程如圖1所示。

圖1 空地影像聯合三維重建技術流程

由于貼近攝影時的POS誤差較大，將傾斜攝影數據與地面貼近攝影數據聯合時，空三常因為拍攝尺度與拍攝角度差異過大出現匹配錯誤，無法獲得正確的滿足質量要求的空三成果。將不同級別的數據獨立空三，在傾斜攝影的成果上選取清晰的連接點并在地面貼近攝影的數據上進行轉次，將空地影像分別空三的結果進行區塊合并，利用地面控制點數據將融合后的整體納入地面坐標系當中。

（3）空地影像融合模型構建。常規建筑物三維模型效果與空地影像聯合處理后三維模型效果如圖2、圖3所示。

圖2 常規建筑物三維模型效果

圖3 空地影像聯合處理后三維模型效果

將融合后的密集點云數據提交至Context Capture平臺中，經過TIN三角網構建、三角網平滑優化、紋理優化與映射、標準格網分割模型等步驟后，生成空地影像融合后的實景三維模型。空地融合后的模型在分辨率、建筑物結構、建筑物表面紋理細節等方面均有提升，效果更加真實，更加接近建筑物實際中的形象。

3.2 實景三維模型修飾精細化

傾斜攝影自動構建的實景三維模型存在較多不足，為提升模型美觀程度以及可應用性，對實景三維模型的后期編輯修飾十分必要[7-8]。DP-Modeler是一款可以對三維模型進行后期修飾的軟件。利用軟件內工具可以實現對OBJ、OSGB格式的實景三維模型編輯修飾，通過導入空三文件以及原始影像數據，能夠對人工編輯后模型紋理的重新映射。

（1）水面修補。水面模型由于空三匹配不能生成密集點云會產生大量空洞或凹凸不平，導致水面四周的紋理顏色不均。通過DP-Modeler軟件，刪除水面四周模型碎片，將水面模型填補完整，通過Photoshop軟件進行紋理編輯，生成完整、平滑、紋理過渡自然的水面模型。

（2）面平整以及紋理修改。平整的道路因為移動中的車輛產生不完整的車輛模型。大型屏幕廣告牌因為畫面的變動導致模型表面紋理失真。建筑物的側立面常因為遮擋等因素出現結構扭曲、紋理拉花等現象。通過對扭曲平面的壓平處理可以將異常扭曲恢復，選擇合適角度的相片重新映射紋理，恢復道路、廣告牌、建筑物側立面的真實樣貌。

（3）模型碎片及懸浮物刪除。常規傾斜攝影實景三維模型如圖4所示。

圖4 常規傾斜攝影實景三維模型

較細的桿狀物體或結構復雜、重復結構較多的物體在空三匹配生成密集點云時沒有匹配出足夠多的點，在生成模型時成為懸浮物。常見的懸浮物有單顆林木、路燈、小型高壓線塔、小型鏤空建筑等。空三匹配出現錯誤點云時也會在整體模型的下方以及空中出現模型碎片，嚴重影響三維模型觀感。利用DP-Modeler可以刪除模型中的碎片以及懸浮物。

3.3 實景三維人工模型精細化

實景三維模型基于影像特征點提取與匹配實現模型建立。當建筑物表面為大型反光面或建筑物為結構復雜的鏤空結構時，利用傾斜攝影自動構建的三維模型效果不夠理想。利用人工構筑單體化模型可以提升模型的精細化程度，拓寬模型的應用場景[9]。

人工構筑單體化模型是在已經生成的實景三維模型的基礎上，利用軟件在三維測圖環境下進行建筑物特征點線量測，實現精細模型的結構化重現。包括房頂、樓體、底商、女兒墻、開放陽臺、屋頂重要裝飾、臺階、樓梯、天窗、水箱、發射塔、煙囪等部件。

人工修飾精細化實景三維模型如圖5所示，人工單體化模型構建流程如圖6所示。

圖5 人工修飾精細化實景三維模型

圖6 人工單體化模型構建流程

針對已經構筑完成的單體化模型進行紋理映射以及紋理修編，可采用的紋理包括傾斜影像、無人機貼近攝影影像、相機地面人工補拍影像等。選擇清晰度高、顏色相近、無樹木公共設施遮擋的影像進行貼圖。對紋理映射與修編后的模型進行套合檢查與精度驗證，移動單體化模型保證其完美套合，檢查其位置精度，確保滿足項目需求。

4 結語

地理信息數據由二維向三維快速發展，基于傾斜攝影的實景三維成果優勢較為明顯。自動構建的三維模型仍然存在部分問題。文章探索了貼近攝影數據和傾斜攝影數據相融合的方法，成功實現了對局部模型精細化處理的效果。因傾斜攝影與貼近攝影的時相差異導致影像數據顏色差異較大，因此對于融合前的影像勻光勻色至關重要。貼近攝影時無人機的POS精度不高，在后續對貼近攝影進行空三加密以及兩套空三成果融合時，需轉刺同名點，投入的人工與時間較多。三維模型的后期編輯、修飾以及人工模型的構筑工作量大，效率較低。對于較大范圍區域的城市級三維模型精細化，需在精細化效果與工作量平衡。