傾斜攝影測量技術在城區實景三維模型建設中的應用探討

張治木

摘要：針對目前城區建設實景三維模型作業方案不成熟，自動化生產的三維模型存在建筑物變形、拉花嚴重、水面空洞、懸浮物等問題。文章在深入分析傾斜攝影測量技術后，提出將傾斜攝影技術用于實景三維模型生產。文章首先介紹了傾斜攝影測量技術。以實際項目為例，對自動化實景三維模型生產流程進行了詳細說明，并對實景三維模型存在的問題進行了優化處理。研究可以為城區實景三維模型生產帶來借鑒，也可以為精細化模型制作提供參考。

關鍵詞：傾斜攝影；實景三維模型；單體化；模型修飾

中圖分類號：P231 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2024）10-0120-04

0 引言

實景三維中國建設要求全國市縣在一定時間內完成建成城鎮范圍線內實景三維模型的生產。目前針對實景三維模型的生產，主流的作業方式是采用傾斜攝影測量技術[1-3]。然而由于作業方式不同、數據解算軟件算法不同等原因，在實際作業過程中，數據解算存在諸多問題，比如空三加密解算失敗，模型接邊精度超限，自動化生產的模型建筑物變形嚴重、懸浮物多、水域易出現空洞等[4-6]。針對目前存在的問題，筆者在分析了傾斜攝影測量技術后，提出采用無人機完成高分辨率傾斜數據的采集工作，利用瞰景Smart3D軟件完成高精度空三數據的解算和自動化實景三維模型的生產，并使用智覺空間的SVSGeoModeler軟件解決建筑物變形拉花問題，并基于SVSMeshEditor軟件完成懸浮物刪除、水面空洞的修補，最后對刪除的懸浮物，將模板庫中的路燈、樹木植入實景三維場景中，從而得到符合實景三維中國建設要求的數據成果。

1 傾斜攝影測量技術

“傾斜”一詞是相對于“垂直”二字來說的，其主要是指在航空攝影作業過程中，航攝儀從多個角度分別獲取被攝物體的紋理信息，這樣獲取的影像紋理信息更加豐富，可以獲得的測繪產品種類更多，用途更廣[7-8]。針對無人機而言，目前主流搭載的傾斜相機為5個鏡頭，其由1個下視與4個側視相機組合而成，下視直接獲取目標地物頂部紋理信息，側視則獲取目標地物側面紋理信息。在航攝實施時，飛控控制相機按照規劃好的航線航飛，并且在指定的位置完成相機的曝光以及影像數據的采集。無人機傾斜攝影數據獲取示意圖如圖1所示。

2 自動化實景三維模型生產流程

自動化實景三維模型生產流程主要包括傾斜影像數據采集、空三加密解算及平差、多視影像密集匹配、不規則三角網構建、紋理自動映射，其詳細的計算步驟和流程如圖2所示。

3 案例分析

某市區要完成建成城鎮范圍線內約65 km?優于2 cm的實景三維模型生產任務。在結合已有無人機設備及軟件后，決定采用傾斜攝影方式進行實景三維模型生產。

3.1 傾斜影像采集

在無人機起飛前，要完成設備檢查，主要對相機作業狀態、電池電量、機翼等進行檢查，確保固定牢固，設備均正常作業。在作業過程中，無人機的航飛高度和范圍都要依照空域批復文件中的規定執行，而且飛控手要對飛機的飛行狀態時刻觀察，確保飛機飛行狀態受控。在影像數據采集完成后，確保降落區域安全，完成無人機的降落。將內存卡取出，完成影像數據和POS數據的拷貝。影像質量和數據的完整性決定后續數據的解算精度，對影像進行概覽，影像色調基本一致，無明顯色差，對比度適中，無曝光或遮擋影像，POS數據和影像對應完整，航攝影像成果質量好，可直接用于后續數據的解算。

3.2 像控點測量

本次航攝的數據成果，其POS精度無法滿足項目需求，因此需要采集像控點對成果進行約束，從而保證精度符合要求。像控點測量包括兩部分內容，即像控點的布點和采集。傾斜攝影重疊度大，無須考慮航向和旁向重疊度，因此布點按照均勻間隔布設。本次按照500 m的間隔完成內業點位的初始布設，然后根據實地情況，再進行最終點位的選取。在選取點位時，可以偏離初始點位50 m以內，并要確保點位四周盡可能空曠，提高像控點內業影像轉刺的影像數量。點位采取噴涂油漆的方式，這樣的點位更加準確，對于道路指示線等明確的特征地物，也可以作為點位采集。在采集坐標時，為了避免偶然誤差帶來的影響，每個點位采集多次數據，并取多次的平均值為最終測量值。為了提升內業點位的判讀，在采集的同時，要拍攝現場照片，這樣可以提高內業的判斷點位效率，避免點位轉刺錯誤。照片的拍攝一般要求一張近照，體現點位的準確位置；兩張遠照，體現點位和周邊地物的相對關系。

3.3 傾斜影像空三加密

將獲取的影像數據和POS 數據導入到瞰景Smart3D軟件中，完善相機參數，然后提交空三任務，引擎一機多開，完成高效率的影像特征點檢測提取等，并設置高配電腦的引擎能力，完成本次空三的平差調整。對完成的空三檢查，未發現分層、彎曲等空三常見問題，查看空三報告，所有影像平均分辨率為1.8 cm，加密點重投影中誤差0.5個像素，小于規范要求的2/3個像元大小，影像分辨率和空三精度均符合作業要求。導入外業測量的像控點，并對所有點進行轉刺，然后完成帶像控點的平差調整。對像控點精度進行查看，所有像控點平面和高程中誤差均小于0.01 m，空三精度良好，可直接用于實景三維模型的生產。

3.4 傾斜影像自動化建模

實景三維模型生產涉及的算法較多，主要包括基于空三成果完成的密集點云計算，基于不規則三角網構網原則構建的體現地物結構的三角網，基于三角網構建的白膜，然后利用三角網點和航攝影像之間的關系，對三角網進行紋理自動映射。在建模設置時，首先須設置三維重建框架，然后設置瓦片的切塊方式和大小，并且導入范圍線，對建模范圍進行約束，導入水域范圍線，對水面進行約束建模。設置瓦塊切塊原點和模型輸出原點，并且在本次生產中，輸出OSGB和OBJ兩種格式的實景三維模型。因為對于單體化，可以采用OSGB格式的模型完成，對于場景的精細化處理，由于OSGB格式金字塔層級多，在進行精細化場景處理的過程中，容易出現三角網疊加而引起的閃面問題，因此在作業中須采用OBJ格式的模型進行精細化場景處理。

4 精細化三維模型制作

采用瀏覽軟件查看自動化方式得到的模型，發現模型中部分建筑物變形拉花嚴重，水域部分存在空洞，樹木、路燈、指示牌等建模不完整，易出現懸浮物。為了解決這些問題，本次采用智覺空間的SVSGeo?Modeler 和SVSMeshEditor 兩款軟件進行模型問題處理及場景修飾。

4.1 單體化模型制作

單體化模型制作其關鍵點是獲取建筑物的結構框架。從這個方向出發，就可以采用兩種方式對建筑物結構進行采集，即基于模型的采集和基于虛擬立體像對的采集，其具體的作業流程如圖3所示。

在進行單體化模型制作時，首先將去除畸變后的影像、平差得到的精確外方位元素和優化后的相機參數導入到SVSGeoModeler軟件中，添加OSGB格式的模型數據，構建影像金字塔，完成虛擬立體像對的恢復。基于空三加密成果，在采集建筑物時，可以直接在虛擬立體環境下采集建筑物的頂點及邊，然后通過拉伸、擠壓等操作，獲取準確的建筑物結構。在沒有立體設備的電腦上，也可以直接在模型上采集建筑物的結構，但是有時因模型變形嚴重，通過模型采集的建筑物結構精度易超限。本次基于虛擬立體像對對變形建筑物進行單體化建模，得到某一建筑單體化前后的對比如圖4所示。

4.2 精細化場景制作

實景三維模型是一種典型的“一張皮”模型，它是由無數個三角網構成的。實景模型場景出現水域空洞、路燈、樹木、指示牌等的懸浮物，主要是因為在生成密集點云時，生成的點云數量少，達不到構建三角網的要求，因此才會出現上述問題。

4.2.1 水域空洞問題處理

水域空洞問題處理，目前主要有兩種方案：一是在建模前對水域進行約束建模；二是基于實景三維模型完成水域空洞的編輯。

1） 對水域進行約束建模。由于水面信息相似，屬于典型的弱紋理信息，因此在進行同名點提取時，無法準確獲取水域部分的同名點。因此在后期生成密集點云時，不能基于空三成果而得到水域的點云，從而導致水域無法構建三角網。正常情況下，水面高程是一致的。從這個角度出發，將水域范圍及其高程賦值到約束范圍線上，導入建模軟件中，對水面進行約束建模，可以得到沒有空洞的水面模型。

2） 基于實景三維模型完成水域空洞的編輯。水域空洞是因為沒有三角網而產生的，因此可以對水域空洞進行內插，即利用周邊三角網頂點的坐標信息，對水域空洞區域進行坐標的內插以及三角網的構建。

然后基于傾斜影像完成紋理的自動映射。對于映射錯位及效果不好的區域，聯動Photoshop軟件進行紋理修飾。由于水面的特殊性，也可以在模型上將水域部分的范圍及高程信息量取，然后利用3D Max等軟件構建一個水面，再將場景和水面進行合并，從而完成水域空洞的修補。

本次采用對水域進行約束建模的方法，得到水域處理前后的對比如圖5所示。

4.2.2 懸浮物刪除及地物植入

路燈、樹木、廣告牌等因為其支撐桿較細，在影像解算過程中，無法獲取密集的點構建三角網，因此出現了空中懸浮這一問題，一般稱為懸浮物。對于懸浮物的處理，如果全部進行單體化，工作量就會特別大，且缺乏實際意義，一般不采用這種作業方式。處理懸浮物的主要原因是為了美觀，因此在實際作業過程中，一般都是對懸浮物進行刪除，然后將場景壓平，再將模板庫中類似的小品（模板庫中的各類地物統稱為小品）植入原有的位置上，從而實現場景的精細化制作修飾。本次實際作業就采用上述方法，得到的對比如圖6所示。

5 結束語

文章首先介紹了傾斜攝影技術，并以實際生產項目為例，探討了傾斜攝影技術在城區實景三維模型制作中的應用，并針對自動化構建的實景三維模型存在的問題，提出了一些解決方案，從而得到了精細化實景三維模型。本文的研究可以為城區精細化實景三維模型的構建帶來借鑒。

參考文獻：

[1] 王萍，魏軍，茍彥梅.基于Smart3D和SVS軟件的實景三維模型生產[J].測繪標準化，2022，38（4）：15-19.

[2] 張懂慶，魏軍，王萍.三種傾斜攝影建模軟件對比分析[J].測繪技術裝備，2022，24（3）：114-119.

[3] 魏軍.傾斜攝影數據處理成果的質量檢查與評定[J].測繪，2021，44（3）：124-127.

[4] 華安中，孫灝.大規模中心城區精細化建模及可視化研究[J].測繪通報，2023（12）：121-126.

[5] 史與正，陳夢華，黃煜，等.實景三維模型的建筑物單體模型框架搭建[J].測繪通報，2023（6）：161-166.

[6] 詹煥發，殷牧.基于低空無人機影像的智慧樓宇精細化三維模型構建方法[J].北京測繪，2023，37（6）：849-853.

[7] 羅振威，李驍，劉承承，等.利用傾斜攝影與激光掃描技術構建城市級實景三維模型[J].測繪通報，2023（12）：116-120.

[8] 郭昕怡，劉軍，陳毓潔，等.基于DP-Modeler的實景三維校園精細化模型構建[J].山西建筑，2023，49（24）：165-168，193.

【通聯編輯：梁書】