基于傾斜攝影的三維模型優化研究

馬星宇

誤等問題，筆者在分析傾斜攝影測量技術后，提出采用傾斜攝影進行自動化模型生產。然后利用DP-Modeler軟件，對模型存在的各種問題進行處理，從而得到結構完整、質量更高、紋理映射合理的模型成果。解決了自動化模型存在的問題，為模型數據后續的應用提供了保障。

關鍵詞：傾斜攝影；自動化建模；模型優化；實景三維

中圖分類號：P231? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2024）08-0107-03

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0 引言

近年來，隨著傾斜攝影測量技術的迅速發展，基于該技術生產的測繪產品備受重視，越來越多的學者對傾斜攝影建模進行了研究。傾斜攝影是基于航攝多視角影像，然后利用攝影測量軟件對影像數據進行解算，得到影像上每個地物點的三維坐標，然后進行測繪產品生產[1-2]。盡管傾斜攝影測量技術能夠生產豐富的測繪產品，但由于航攝和軟件算法的局限性，自動數據解算得到的實景三維模型局部區域可能存在結構變形、紋理映射錯誤等問題，給模型的后續應用帶來了影響[3-4]。為解決這一問題，筆者對傾斜攝影測量技術展開了深入分析，并結合實際項目，采用DP-Modeler軟件對自動化生產的模型進行了處理，實現了三維模型產品的優化，得到了結構更加完整、紋理更加清晰準確的實景模型，解決了自動化模型存在的問題，為數據的后續應用提供了保障。

1 傾斜攝影測量技術

1.1 基本原理

1.1.1 技術原理

傾斜攝影測量是以攝影測量為基礎，利用無人機上多臺傳感器獲取多視角影像數據，進而獲取準確的地物信息（幾何形態、屬性、紋理）[5-6]。同時，利用專業的傾斜攝影軟件處理數據，構建城鎮三維模型。

傾斜攝影測量技術是一種新型的攝影觀測方式，其區別于傳統攝影技術的單一觀測，傾斜攝影測量技術采用多機位觀測，通過不同維度的攝影數據獲取豐富的地物信息，進而更精確地還原地物實景，獲取精細化的三維模型。

1.1.2 幾何原理

傾斜攝影技術的幾何原理如圖1所示。圖中[αy]為傾斜攝影相機的傾角、[βy]為傾斜攝影相機的投影角、[hg]為無人機飛行的高度、[Dmax]、[Dmin]分別為無人機與地物間距的最大值以及最小值。

通過上述基本原理，可以得出下式（1） ：

[Dmax=hg×tanαy+βyDmin=hg×tanαy-βy] （1）

假設相機獲取多視角最大攝影比例尺為[Smax]，獲取的多視角最小攝影比例尺為[Smin]，可得下式（2） ：

[Smax=hg×cosβyf×cosαy+βySmin=hg×cosβyf×cosαy-βy] （2）

通過角平分線原理可推算出多視角影像中心與相機之間的水平間距[Savg]，如下式（3） 所示：

[Savg=hgf×cosαy] （3）

則多視角影像平均比例尺如下式（4） 所示：

[Distanceavg =hg×tanαy+βy-hg×tanαy-βy] （4）

1.2 測量系統組成

傾斜攝影測量系統由攝影系統、飛行系統和POS系統組成。攝影系統是指傾斜攝影系統，飛行系統由無人機及各類傳感器與儀器構成，而POS系統則由GNSS與INS系統組成，圖2為GNSS系統的定位原理。

1.3 傾斜攝影測量技術基本特點

傾斜攝影測量技術不僅可以獲取地物的紋理信息和高精度的位置信息，還具有以下特點：

1） 多視角拍攝。低空傾斜攝影測量不僅能夠獲取頂部紋理，還能獲取大量的側面紋理數據，由于傾斜測量時，無人機處于低空飛行，因此獲取的測量影像分辨率高，建立的三維模型更精準。

2） 數據量大、成本低、效率高、精度好、真實性強。傾斜攝影測量技術采用多鏡頭相機，相較于傳統攝影測量數據，其具有數據量大的特點。在不同的影像圖上可能涵蓋相同地物，信息全面、覆蓋范圍更廣；同時通過傾斜攝影測量技術所獲取的數據在后期處理過程中，人工干預較少，自動化程度相對較高，數據更新及時，具有時效性。

3） 數據成果多樣。通過該方法可獲取多樣化的成果，傾斜攝影測量技術可以根據需要生成不同數據，例如數字地表模型DSM、數字劃線地圖DLG、數字高程模型DEM、數字正射影像DOM等，該類成果可以滿足測繪行業的需求。

2 三維模型生產

自動化三維模型生產是指基于航攝影像數據、相機曝光時的位置姿態數據、相機參數和像控點數據，通過攝影測量軟件解算影像數據，得到空三加密成果，并將像控點轉刺，從而將相對坐標系下的加密成果轉換到大地測量坐標系統下來?？杖用艹晒玫降氖巧倭康亩ㄎ稽c，并不能準確地對三維地形進行表達?；诳杖用艹晒投嘁曈跋衩芗ヅ浼夹g，可以解算得到密集的三維點云數據，并按照不規則三角網的構建要求，對離散的三維點坐標進行構網，得到三角網模型。通過影像和三角網頂點之間的關系，并將影像紋理信息映射到三角網上，得到逼真的實景三維模型成果，三維模型生產流程如圖3所示。

3 三維模型優化研究

傾斜攝影測量，是從空中對地面進行航攝，因此獲取的影像是存在航攝盲區的，加上目前的軟件算法，無法準確對航攝盲區進行解算修補，因此自動化生產的實景三維模型，其在結構上會存在結構變形，這種影響視覺效果，因此是需要進行處理的。在數據解算時，由于航攝影像分辨率差異較大，因此在進行紋理映射時，會存在部分區域紋理因遮擋等原因而映射錯誤，也是需要進行處理的，因此三維模型優化主要從兩方面入手，即結構優化和紋理優化。模型優化內容如圖4所示。

4 案例分析

本次研究數據來源于實景三維中國建設項目。某城區需生產實景三維模型成果，并要求最終提交成果不能存在懸浮物，水面不能出現空洞，建筑物底部結構需完整，紋理映射合理。針對這些要求，在作業時，采用DP-Modeler軟件對自動化模型成果進行處理，取得了較好的效果。

4.1 紋理優化

1） 自動提取優化。自動提取優化，紋理來源于航飛影像數據。航攝影像在完成空中三角測量解算后，其影像上的每一點都有對應的實際坐標。在進行紋理自動提取時，可以將指定區域所有的影像都自動挑選出來，并且可以按一定規則對匹配的影像進行排序，從而快速實現選定區域紋理的最優映射。

2） 補拍照片優化。補拍的照片一般是使用高清數碼相機，近距離獲取的地物影像，這種方法主要用于建構筑物底部紋理數據獲取。拍攝的照片，其坐標是任意的，因此在進行紋理優化時，需要人工去挑選合適的照片，然后將其貼到模型上。二維照片貼到三維的模型上，是不能直接實現的。因此需要將待貼圖區域選中，呈現二維數據，然后將照片貼到其上面，這樣可以實現建筑物底部的高質量影像紋理貼圖。

3） 軟件修飾優化。自動提取的紋理和補拍的照片，在貼圖時，不可能準確無誤地貼上，肯定會存在紋理和結構不合理的區域，因此需要聯動Photoshop軟件，對貼圖進行修正處理，從而使得貼圖和結構更加合理，貼圖質量更高，成果圖面更加干凈美觀。比如，采用這種方法，可以處理道路上的錯位斑馬線、樹影等問題。

4.2 結構優化

1） 刪除懸浮物。在進行三維模型自動化重建時，由于樹木的樹桿較細，其在密集點云匹配時，匹配的到的點較少，無法準確構建三角網，導致樹桿無法建模，而樹的頂部由于匹配的點密集，在后續建模時，模型能夠正常生產出來，這就出現了空中漂浮的物體，也就是通常說的懸浮物。懸浮物在整個大場景中，影響著視覺的美觀，因此需要將其刪除。利用DP-Modeler軟件，對漂浮于空中的懸浮物進行選擇，然后將其刪除，如圖5所示，是懸浮物刪除前后的對比圖。

2） 補充空洞?？斩匆话愠霈F在弱紋理的水面和特別薄的墻壁上。水面由于其紋理相似，因此匹配的加密點不但數量少而且精度較差，在平差時，會將粗差點剔除，導致點少而無法建模。特別薄的墻壁由于在構建三角網時，墻壁兩側的點構成了三角網，從而使得墻壁出現空洞，這都影響著模型的質量，因此需要對其進行處理。采用DP-Modeler軟件，對水面空洞進行修補，然后對水面紋理進行修飾，就可以得到高質量的模型成果。

3） 模型壓平。自動化生產的三維模型是一種粘連的模型，將單體化的模型成果放置到大的場景中，自動化模型和單體化模型會疊加，影響使用和美觀度，因此需要對自動化模型進行壓平處理，這樣將單體化模型放置到大的場景中，才能顯得更加合理實用。采用DP-Modeler軟件，將需要壓平的區域，利用三點法進行選中，然后壓平處理，并對壓平后的場景修飾，得到的效果對比圖如圖6所示。

4） 單體化制作。自動化生產的模型，由于建構筑物底部遮擋嚴重，因此生產的模型拉花變形問題嚴重，需要對這類問題進行處理。在模型的基礎上，對模型結構進行調整，其實質是破壞原有三角網，重新構建三角網，這種方式處理建筑物變形問題，費時費力，效果不好，因此一般不使用。而基于傾斜攝影空三成果，則可以對建筑物進行重建，其原理是基于空三，獲取建筑物的頂點和邊長等信息，然后按照真實比例，將建筑物的結構和輪廓構建出來，然后對其進行紋理自動映射，并對紋理映射效果不好的區域，聯動Photoshop軟件進行修飾，然后將修飾后的紋理再次映射到模型上，實現建筑物的單體化制作。如圖7所示，是某一建筑物單體化前后的效果對比圖。

5 結束語

本文深入分析了傾斜攝影測量相關技術原理，并對自動化建模流程進行了簡要介紹，重點分析了自動化模型存在的問題及其產生的原因，以實際生產數據為例，對模型優化前后的效果進行了對比。通過對模型優化，模型質量得到了提升，成果更加符合項目要求。本文的研究可為同行在提升模型質量方面提供借鑒。

參考文獻：

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[6] 王壯壯.傾斜攝影三維模型構建及其優化研究[D].贛州：江西理工大學，2021.

【通聯編輯：梁書】