基于傾斜攝影的建模研究與應用

艾則爾江?吾麥爾 胡小強

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2024.01.031

收稿日期：2023-05-31

摘? 要：采用無人機航拍的大場景建模可解決大場景中建模成本高、效率低等問題。文章以高校校園為試驗區，通過傾斜航拍的方法獲取校內大場景建筑及場地的圖像，選取Context Capture處理航拍數據，分析建模中存在的問題。后續將會開展虛擬校園交互漫游，將校園標志性建筑模型打印出來，用以提高學生的課堂學習體驗，實現多維利用的目的。

關鍵詞：Context Capture；三維建模；場景應用

中圖分類號：TP39? 文獻標識碼：A? 文章編號：2096-4706（2024）01-0146-05

Research and Application of Modeling Based on Oblique Photography

Aizeerjiang·Wumaier， HU Xiaoqiang

（Jiangxi Science and Technology Normal University， Nanchang? 330038， China）

Abstract： The use of drone aerial photography for large-scale scene modeling can solve the problems of high modeling cost and low efficiency in large-scale scenes. This paper takes university campuses as experimental areas， obtains images of large-scale buildings and venues on campus through oblique aerial photography， selects Context Capture to process aerial data， and analyzes the problems in modeling. In the future， virtual campus interactive roaming will be carried out to print out iconic building models on campus， in order to improve students' classroom learning experience and achieve the goal of multi-dimensional utilization.

Keywords： Context Capture; 3D modeling; scenario application

0? 引? 言

隨著航拍無人機的日益普及以及航拍軟件智能化程度的提高，航拍建模技術逐漸深入到各種應用場景，傳統的三維建模工作量大，屬于勞動密集型效率低下的作業方式，在大面積場景中無法快速處理數據和有效開展大規模作業。傳統的三維建模通常采用3DS Max Auto CAD等軟件，存在周期長、成本高，與客觀實物有所差距等問題。傳統的平面二維校園無法展示出更多的立體細節，也無法滿足現如今人們的視覺需求。傾斜航拍建模具有高效、精確、目標遮擋小等優點，已成為廣受青睞的建模方式，相對于平面二維校園展示，三維校園建模可以多方位、多角度、直觀逼真地展示校園風貌，宣傳校園文化。通過三維交互用戶可以實現更加自主的漫游，獲得身臨其境的感受，也可以較為直觀地獲取各個場地和建筑物的功用，而航拍建模以高精度、高清晰、大范圍的模式全面感知復雜場景，這種主流的三維建模可以有效解決傳統建模的痛點問題。

1? 航拍建模的準備與流程

1.1? 設備與準備工作

基于傾斜攝影的無人機有很多種選擇，主要考慮的因素有無人機的成像質量、穩定性（防抖）、飛行續航時間等。本項目采用大疆DJI AIR 2S無人機，搭載2 000萬像素1英寸COMS相機，需要選取適宜的天氣和光照條件，同時還要儲備足夠的電量保證長時間的連續飛行。無人機所搭載相機的像素質量和建模質量呈正比，像素越高成像質量越好，所得到的模型效果圖也更加精細。

1.2? 飛行計劃

選取某高校校園為作業區，作業區面積為1 700畝，計為1.13平方千米。將作業區域劃分為多個區域，有利于更好地進行任務分工以及提高作業效率。筆者將作業區劃分為四個部分，分別為A、B、C、D區域。作業區C、D區域分布著較為密集的學生寢室樓棟，基本為長方形建筑，B中心區域建筑有圖書館、體育館等大型獨棟建筑，外圍遍布高層住宅樓群，A作業區湖泊占地面積大且周圍護校河較長。

1.3? 飛行流程

間隔時間越短（2～5秒為宜）模型精度越高。筆者設定2秒一張（最短連拍間隔）的連拍模式，因為Context Capture要求兩張圖片間隔之間的連接點位不小于9個，如果圖片間隔過大，會被定義為無效數據，所以2秒連拍可以獲得兩張圖片之間9個以上的連接點。如圖1所示，綠色小圓點為傾斜航拍攝影點，提取空間三維數據，采用交疊環繞法進行密集連拍，保證連接點延續不斷以此提高建模質量。在拍攝聯排相同建筑時，兩個不同的位置可能會拍到相似的照片，導致建模計算出錯，而田字法拍攝可以有效解決這種問題。對于圖書館、大學生體育活動中心等獨立大型建筑，可使用交疊環繞法進行拍攝，拍攝高度為20米，攝像頭調整為30°～45°，以便獲得更好的成圖質量，提高三維建模的精度。拍攝建模方法如圖2所示。

2? 建模軟件合成

2.1? 建模軟件對比

目前，Context Capture、PhotoScan、大疆智圖是業界主流的傾斜攝影建模平臺，三者各具特色，在建模速度、模型精度、工作量等方面對三款軟件進行對比，如表1所示。實際應用中，可根據項目需求做出選擇。ContextCapture是能夠快速處理運算三維場景模型的軟件，僅需前期的數據導入和運算設置便可通過有效的二維數據獲得原始實景三維立體模型。無論視頻還是照片，在Context Capture軟件上，經過一系列的空三運算即可得到各種格式的三維模型、正射影像、數字地表模型。經綜合考慮選擇Context Capture作為校園實景三維模型建模平臺。在模型創建過程中，由于受到航攝盲區、相片質量及POS參數準確度等因素的影響，會造成模型部分區域出現空洞、扭曲、映射錯誤、紋理丟失等現象。無人機經過多次飛行任務，共得到546張高清圖片，其中75張顯示為無效素材，自動選取471張有效素材進行數據導入并運行CC進行空中三角自動計算處理，筆者使用的Context Capture為2023年4月最新發布的23版本，該版本在重建效率和空三方面進行了升級，同時還新增了地面提取和特征提取功能，重建速度提升了25%，可以通過上傳照片定位參數來矯正模型姿態。此外，界面UI支持4K分辨率，提高了建模紋理貼圖成像質量。

以546張傾斜航拍素材為例，在沒有其他軟件應用運行和干擾以及計算機每次單一運行單個航拍建模的情況下，運用三大軟件進行航拍建模，其中Context Capture耗時96分鐘，大疆智圖耗時127分鐘，Photoscan耗時139分鐘。Context capture生成的模型大小為44 MB，大疆智圖生成的模型大小為35 MB，PhtoScan生成的模型大小為249 MB。Context Capture生成的模型數據量較大，較為精細，工作量較少輸出快捷，支持16種輸出格式，PhotoScan支持的輸出格式為10種，而大疆智圖支持的輸出格式僅為6種。

采用有效素材進行空中三角測量，根據需要選擇合適的格式，筆者使用3MX和FBJ格式導出，經過長時間的運算即可在3D View中查看建模效果，也可以在Context Capture Viewer中瀏覽構建好的各種模型。

2.2? Context Capture優勢

經過模型修補，最終得到作業區的校園實景三維模型，通過Context Capture Viewer便可以展示完整模型。Context Capture可以快速輕松地處理任何比例的網格模型，進行各類地形和經緯度信息的提取，進行正射影像、三維PDF和iModel的生成。它可以將網格模型與GIS和工程數據集成，以在網格模型的視覺環境中實現信息的搜索、導航、可視化和動畫。可以與工程模型相結合，對點云進行增強、分割、分類。Context Capture可以從多種來源中生成非常龐大的可縮放地形模型，包括點云、斷裂線、光柵數字高程模型和三角形化不規則網絡。通過與原始數據源同步，可縮放地形模型可實時更新到最新版本。這樣做的價值在于擁有所有數據的全局、最新和綜合表示，并用于以各種顯示模式執行分析，實現動畫和可視化效果。因此，Context Capture可以更好地評估點云，生成更加精確的模型，還可以生成用于展示的動畫和渲染。

3? 后期修模工作

3.1? 對鏡面材質進行補洞

表面材質特殊（如河流、湖泊、樹林、建筑物反光玻璃等材質）會造成模型空洞、扭曲，三維模型建模完成后會有一些地方的效果不太理想，這是由于特征點較少，在計算時很難匹配正確，導致輸出的水面模型通常是支離破碎的。如圖3所示，深灰色部分為湖面反光造成的模型面空洞。針對這一情況使用軟件自帶的約束工具，手動為水面添加平面約束，這樣重新輸出的水面模型就會變得平整，重建后的水面空洞就會消失。針對實驗區實景進行三維建模實現對缺失區域的補漏，效果如圖4所示。

3.2? 對紋理缺失進行補拍

另一類問題是原始照片數量過少、照片拍攝質量不佳或重疊度不夠造成的模型紋理缺失，可通過對紋理質量不佳或者是缺失的區域進行無人機補拍，并且要針對缺失區域多拍攝高質量照片，以更好地與原模型缺失區域進行拼接和補漏。接下來再重復建模便可得到完整模型。

3.3? 項目切塊所需內存問題

如果在Context Capture中進行空三計算之前不進行正確的設置，會造成任務失敗或任務中止。經過模塊切片參數設置后，軟件會提示建模所需內存大小。如計算機的內存容量等于或大于切片任務所需的內存容量，可以正常進行完整面積的建模任務。如計算機的內存容量小于或等于切片任務所需的內存容量，則會導致建模中斷和失敗，即便建模成功也會存在模型殘缺。所以要根據所使用計算機內存容量進行參數設置，如果計算機內存容量小于等于切片任務所需內存容量，需要在自適應切塊、規則平面切塊、規則立體切塊三種方式中任選其一完成切片任務。進行任務運算時，如選擇自適應切塊，則容易導致任務失敗。筆者首先采用規則平面切塊，預計使用內存59 GB，而計算機內存為16 GB，導致3個任務環節中斷，人工取消后還出現了6次任務失敗并提示內存空間不足，建模總耗時達6小時，于是更換了64 GB的電腦，通過9小時的重新建模，保證了建模任務的成功完成，最終得到渲染模型。切片參數設置操作流程如圖5所示。

4? 大場景建模應用

4.1? 開發虛擬校園

隨著元宇宙時代的到來，VR應用的領域越來越廣泛。以FBX或OBJ格式將所建模型導入Unity 3D或Unreal Engine 5的內容文件夾，便可以進行場景搭建，控制模型的大小，改變模型的角度，改變模型的貼圖紋理和顏色，添加光效以及模擬各類天氣氣候，還可以增加綠化面積，設置虛擬人校園引導和講解校園歷史，通過模擬晝夜動態變化，加入夜景效果展示校園夜景。導入的FBX大場景建模模型可添加第三人稱游戲角色人物來進行場景漫游和場景交互，也可通過Unreal Engine 5的藍圖交互功能用于其他交互場景并應用到安卓端和PC端。如果開發者想要開發其他的功能和交互，則可借助前期場景環境進行自由創作，后期可通過VR頭盔體驗VR校園，沉浸式虛擬現實，使用戶能夠切實感受逼真的三維校園場景，與此同時通過多模態交互使用戶獲得游戲般的體驗感。

4.2? 應用于課堂教學

4.2.1? 三維打印流程

筆者使用的3D打印機為極光爾沃JGmaker-Artist-

D Pro，該打印機具有獨立雙噴頭，支持OBJ、STL、G-code三種模型格式，使用PLA耗材，通過切片軟件Ultimaker Cura 5.2，先將OBJ或STL格式模型導入到該軟件內，再將打印機的打印尺寸設置為300 mm×

300 mm×340 mm，耗材直徑設置為1.75 mm。將縮放比例調整為65，筆者打印的規格是15 cm×10 cm×

8 cm，打印耗時為25小時24分鐘，切片完成的模型需要以全英文命名且格式會變成G-code格式，將其復制或剪切到3D打印機的SD卡里，將SD卡插入到3D打印機，再通過一些設置打印出模型。

4.2.2? 三維打印遇到的問題與對策

打印之前需要將設備自動調平即間隙調平，調平失敗或間隙過大過小都會影響模型的成型和質量，打印噴頭與打印床面間隙過大會導致耗材不規則黏著在打印床面引起打印錯亂，打印噴頭與打印床面間隙過小會導致耗材無法規則擠出噴頭或耗材阻塞在噴頭內部無法擠出成型，筆者使用單噴頭模式將噴頭1預熱到PLA材料的熔點210 ℃，再將熱床加熱到50 ℃，將間隙調整為750 mm，打印速度調為30～60 mm每秒，如果噴頭達不到指定溫度將擠不出打印耗材，熱床達不到指定溫度將影響打印模型基面貼合，會造成中心不穩或容易松動導致模型無法穩定下來，進而導致打印失敗，所以只有待預熱溫度達到指定值時耗材才能夠被均勻擠出，經過一天時間的打印，模型成型，如圖6所示為打印完成的成型模型。隨后需要拿小鐵鏟從模型底部開始鏟出模型，再使用銼刀和剪刀對模型進行打磨和美化處理，以便于更好地進行展示。如底色為白色，則可以用顏色筆將模型涂成與原物相似的顏色，增加模型的美觀性和觀賞性，如圖7所示為采用涂色筆進行色彩還原和模型上色。3D建模對3D打印有鋪墊作用，模型的精細程度決定著打印成品的質量，最后應用于虛擬現實技術教學課堂分享案例展示。

5? 結? 論

無人機大場景建模是如今主流的三維建模方式，作業流程簡單、節省人力等無不體現出該技術的便捷性。通過Context Capture得到三維模型之后將其導入虛幻引擎，物理模型在虛擬空間中得到完整的映射，還可結合使用傳感器設備進行校園環境數據采集，讓高校與現實環境數據同步并準確地將真實數據反映到虛擬世界中。與此同時，數字模型的開發與應用也極大地推進了校園數字文化建設工作，更加接近于高質量高校建設的目標，后期通過FBX模型導入到U3D或UE5里，進一步編輯開發VR全景校園，讓用戶使用頭盔便可置身于校園，也可助力開發元宇宙校園，讓元宇宙空間中的校園三維模型可供多人進行素材的補充和編輯，且不會出現信息無法得到及時更新的問題，可隨時隨地與現實中的校園最新狀態保持同步，讓航拍建模技術有無窮的開發和應用空間。綜上所述，隨著技術的快速發展，無人機大場景建模應用范圍不斷擴大，應用領域不斷擴展，航拍建模不僅僅是建模本身，而是將模型運用到更多的技術層面和領域，進行更深的挖掘和探索。

參考文獻：

[1] 馮增文，李珂，李梓豪，等.低空無人機的傾斜攝影測量技術在城市軌道交通建設中的應用 [J].測繪通報，2020（9）：42-45.

[2] 李騰飛.無人機傾斜攝影技術在建筑施工中的應用研究 [J].福建建筑，2018（12）：98-101.

[3] 徐杰，聶洪斌．無人機攝影測量在防波堤塊體驗收中的應用 [J]．廣東土木與建筑，2020，27（5）：84-87．

[4] 前瞻產業研究院無人機研究小組．我國無人機行業發展現狀與前景分析 [J].軍民兩用技術與產品，2020（7）：10-19.

[5] 張慧瑩，董春來，王繼剛，等.基于Context Capture的無人機傾斜攝影三維建模實踐與分析 [J].測繪通報，2019（S1）：266-269

[6] JAYATHUNGA S，OWARI T，TSUYUKI S. Analysis of forest structural complexity using airborne LiDAR data and aerial photography in a mixed conifer–broadleaf forest in northern Japan [J].Journal of Forestry Research，2018，29（2）：473-487.

[7] 陳少祥，何欽，周聰，等.基于三維建模手段的多模型融合應用探索 [J]．廣東土木與建筑，202l，28（2）：l-4+12.

[8] 顧磊．傾斜攝影測量技術在農村不動產權籍調查中的應用以及實例分析 [J]．安徽建筑，2021，28（7）：225-226.

[9] 于麗麗.基于無人機傾斜攝影測量技術的城市三維實景建模研究 [J].測繪與空間地理信息，2021，44（5）：86-88.

[10] 付帥，任寧寧，劉佳琦，等.基于“無人機+Context Capture”技術構建三維實景智慧園區的實踐研究 [J].電子元器件與信息技術，2023，7（8）：228-232+236.

作者簡介：艾則爾江·吾麥爾（1996.01—），男，維

吾爾族，新疆阿克蘇人，助教，碩士研究生，研究方向：虛擬現實與多媒體技術；胡小強（1970.11—），男，漢族，江西南昌人，碩士，教授，研究方向：虛擬現實應用。