基于無人機傾斜攝影的精細化三維模型制作研究

王小妹　王雯雯

摘要：采用傾斜攝影技術生產的三維模型，通常存在建筑物變形、樹冠懸浮空中等問題。對于城市三維管理而言，建筑物變形導致精度降低，而樹冠懸浮空中則影響了視覺效果，因此需要進一步對模型進行優化處理。文章首先介紹了傾斜攝影技術，并對基于傾斜攝影數據生產實景三維模型的流程做了簡要介紹。重點分析了模型產生問題的原因，并給出了相應的解決方案。通過對研究區的模型進行優化處理，取得了較好的結果。文章的研究成果可為同行在精細化模型制作方面提供借鑒。

關鍵詞：無人機；傾斜攝影；實景三維模型；精細化模型；空三加密

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2024）14-0104-03 開放科學（資源服務）標識碼（OSID） ：

0 引言

近年來，傾斜攝影技術取得了飛速發展?；谶@一技術生產的實景三維模型被廣泛應用于高精度基礎測繪產品，并逐漸成為城市三維管理的一種趨勢。對于基礎測繪產品而言，借助傾斜攝影技術獲得的實景三維模型可以用于生成數字線劃圖和真正射影像。然而，這些測繪基礎產品對實景三維模型的精細度要求并不高[1-2]。相比之下，對于城市三維管理來說，實景三維模型存在建筑物變形、樹冠懸浮空中等問題，需要進一步優化，以滿足城市三維管理對模型成果精細度的要求[3-4]。為了解決實景三維模型存在的問題，本文從實景三維模型原理出發，對傾斜攝影技術進行了分析，并詳細說明了實景三維模型的生產流程。針對實景模型的問題，本文從原理上進行了分析，并提出了多種解決方案。最后，將模型優化方案應用于本次研究區，對存在問題的模型進行了優化，并對優化前后的模型進行了比較。通過外業采集的建筑物頂點三維坐標和丈量的建筑物邊長，對原有實景三維模型和單體化制作的模型精度進行了檢測，結果表明單體化模型的精度更高。刪除了懸浮的樹冠后，模型場景更加干凈美觀。本文的研究成果可為精細化模型制作人員提供借鑒。

1 傾斜攝影技術

傾斜攝影是一種基于飛行平臺，將多個相機組合在一起，從不同角度同步獲取被攝物體影像數據的技術[5-6]。傾斜攝影要求航攝重疊度高，一般航向和旁向均不低于80%。由于搭載的相機多，可以從不同角度獲取影像數據，因此傾斜攝影技術可以獲得被攝物體更多的紋理數據。與垂直攝影技術相比，傾斜技術的航攝盲區更少，可用信息更豐富，數據解算成果更可靠，產品精度更高。由于傾斜攝影生產的實景三維模型是對真實場景的還原，因此具有更高的應用價值。目前，傾斜攝影相機的組合有2鏡頭、3鏡頭、5鏡頭及更多鏡頭，其中5鏡頭相機組合被廣泛應用。5鏡頭設備由4個側視和1個下視相機組成，其中側視和下視相機之間的夾角為45度。為了獲取分辨率一致的影像數據，側視相機焦距通常設置為下視相機焦距的1.4倍。這樣的組合用于傾斜影像數據獲取，可以得到最佳的航攝影像成果。

2 實景三維模型生產

基于無人機傾斜攝影技術獲得高精度的實景三維模型，其主要包括的內容有航攝影像數據獲取、像控點測量、空三加密、高密度點云數據匹配、不規則三角網構建及實景模型輸出，其流程圖如圖1所示。

基于圖1的建模流程，對本次研究區進行實景三維模型生產，得到部分實景三維成果如圖2所示。

3 精細化模型制作

采用人機交互方式，對本次生產的實景三維模型進行查看，發現部分建筑物存在變形，其精度不可靠；部分樹木的樹冠懸浮于空中，脫離了模型場景，影響人的審美視覺，因此需要對模型進行優化處理。

3.1 模型問題產生的原因

3.1.1 建筑物變形

傾斜攝影是一種從空中對地面獲取影像數據的技術，其核心是提取不同照片上同一地物的特征點進行影像數據解算。在數據解算過程中，只有高質量的影像數據才能解算出高精度的同名點。對于航攝盲區而言，若沒有可靠的影像數據，其解算結果將不可靠。模型的構建基于空三加密成果，采用多視影像密集匹配算法進行解算，得到高密度、高精度的點云數據，隨后按照不規則三角網構網原則，構建連續的三角網，并統一賦值，形成建筑白模。然而，由于遮擋區域未解算得到點云數據，在構建三角網時，會將遮擋區域周邊的點云數據進行構網，從而形成一個大的三角網，導致建筑結構出現變形。

3.1.2 樹冠懸浮

實景三維模型是一種表皮模型，由無數個不重疊的三角網相互連接而成。樹木和路燈的結構通常具有底部粗、中間細、頂部大的特點。在匹配高密度點云數據時，由于樹木和路燈的中間部位較細，匹配得到的三維點坐標較少。在后期構建三角網時，根據目前的構網原則，要求三個點必須是鄰近點且三邊之和最小。因此，可能無法準確構建出連續的三角網。一旦無法構建連續的三角網，模型中就會出現樹冠和路燈懸浮的問題，這是懸浮物出現的根本原因。

3.2 模型優化方案

3.2.1 建筑物變形優化

由于建筑物變形的本質是缺乏可靠的高密度點云數據，導致不相關的點云構建成了三角網，因此從點云方面入手，可以解決建筑物變形問題。目前，對于建筑物變形，可采用以下幾種方式進行優化處理：

1） 傾斜攝影和地面激光點云數據融合建模。傾斜攝影從空中獲取地面影像數據，地面激光作業獲取傾斜攝影盲區部分的點云數據。傾斜攝影數據解算完成后，得到高精度、高密度的點云數據，將地面獲取的點云數據導入到建模軟件中，使兩種數據源的點云融合。這樣可以增加點云的密度，并彌補航攝盲區的點云數據。因此，在構建三角網時，可以準確構建建筑物結構，解決建筑物變形問題。此外，掃描的點云數據帶有影像紋理數據，可完成模型紋理的映射。

2） 地面補拍影像和傾斜攝影影像融合解算。采用地面補拍影像的方式，獲取傾斜攝影盲區部分的影像數據。地面補拍影像通常沒有準確的POS數據，其解算基于影像之間的關系，結果是一種相對自由的坐標系。傾斜數據解算參照了POS坐標系統，是一種相對坐標系。兩種坐標系的成果一般相差較遠，可通過大量的像控點成果將兩種坐標系統轉換到像控點坐標系統下，實現補拍影像和航攝影像的完美融合，相互彌補，生產航攝盲區部分高精度、高密度點云數據，構建準確的三角網，得到高精度的建筑白模。通過影像紋理自動映射，得到高質量的模型成果。

3） 基于單體化技術的建筑物模型構建。雖然傾斜攝影存在航攝盲區，但一般可以拍攝到建筑物的一些特征區域，如建筑物頂點和拐點。如果可以準確采集建筑物的頂點三維坐標或獲取建筑物的邊長，就可以采取交匯的方式獲得建筑的輪廓數據，實現高精度的白模制作。因此，可以采用單體化的方式對建筑物變形進行優化。首先，基于平差后的空三加密成果，得到優化后的影像外方位元素、未畸變照片和相機參數，然后將其導入到第三方單體化模型制作軟件中，重建立體模型。基于虛擬立體像對技術，采集建筑物的頂點三維坐標和建筑物的邊界，構建完整的建筑物模型。根據頂點坐標和航攝影像之間的關系，將最佳的照片映射到建筑物模型上，并對映射紋理進行旋轉、拉伸等操作，使其更真實地映射到建筑物模型上，從而得到單體化建筑模型。

3.2.2 樹冠懸浮優化

懸浮問題的產生主要是因為點云數量較少，導致構建的三角網不連續，從而出現懸浮物。基于這一點，可以采用以下幾種方式進行懸浮物處理：

1） 直接刪除懸浮物。例如樹木、路燈等懸浮物影響著模型成果的視覺效果，且使用意義不大，因此可以直接刪除。懸浮物是孤立的，直接刪除不會造成模型出現空洞等問題。由于它們是孤立的，目前主流的模型處理軟件都提供了一鍵識別與刪除功能，能夠快速高效地刪除懸浮物。

2） 植入小品。模型成果用于城市三維管理時，通常會借助三維模型發布平臺完成。這些平臺一般都附帶有模型庫，其中包括樹木、路燈、垃圾桶等地物。為了提升場景的視覺效果，可以刪除原有的懸浮物，將部分殘缺地物壓平到地面上，并對懸浮物產生的陰影進行處理。最后，將模型庫中的小品放置到原位置上，并對小品尺寸進行縮放處理，確保小品與周邊地物過渡自然。

3.3 研究區模型優化對比

3.3.1 建筑物變形優化處理

本次研究區域中部分建筑結構存在變形，如圖3所示，是優化前建筑物的白模、三角網和模型。

利用單體化軟件，對變形建筑物進行單體化處理，得到優化后的單體化建筑物，如圖4所示。

利用外業采集的建筑物頂點三維坐標和丈量的建筑物邊界長度，對優化前的模型和單體化模型精度進行檢測統計。通過檢測結果可知，對于未發生變形的區域，兩種方式的成果精度基本上一致；而對于建筑物變形區域，單體化模型的頂點三維坐標更加精確，建筑物邊界長度更準確，能夠滿足城市三維管理的需求。

3.3.2 樹冠懸浮刪除

采用專業的模型處理軟件，選中模型中的懸浮物并將其刪除，對高出地面部分的樹木進行壓平處理，然后選中樹木的陰影區域，將其導入到Photoshop軟件中進行陰影處理，得到高質量的模型場景數據。如圖5所示，是樹冠懸浮物刪除前后的對比圖。

4 結束語

本文探討了傾斜攝影技術，并介紹了實景三維模型的作業流程，同時得到了研究區實景三維模型的成果。在對模型進行查看時，發現了建筑物變形和樹冠懸浮等問題，針對這些問題展開了深入分析，并提出了多種解決方案。隨后，利用專業的軟件，采用了本文提出的優化方案，對模型問題進行了優化處理。研究結果表明，在建筑變形區域，單體化模型成果精度更高，能夠滿足城市三維管理的需求；而刪除樹冠懸浮物后，模型場景更加清晰美觀。本文的研究，可為同行作業人員制作精細化模型帶來參考。

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] 焦甲堯.多種攝影方式的精細化三維建模方法與應用[J].北京測繪，2022，36（8）：1024-1029.

[3] 李聞杰，左小清，唐靈，等.手機影像輔助傾斜攝影的快速精細化建模方法研究[J].城市勘測，2022（3）：60-64.

[4] 陸士好.傾斜攝影測量實景三維模型的精細化修整[D].徐州：中國礦業大學，2022.

[5] 張占勇.無人機傾斜攝影測量技術在水工建筑物精細化建模中的應用[J].珠江水運，2023（19）：107-110.

[6] 蔡宗磊，劉明松，常雪，等.地面點云與傾斜攝影融合精細化實景建模研究[J].測繪，2023，46（5）：232-235.

【通聯編輯：梁書】

基金項目：項目審批單位：甘肅林業職業技術學院傳新創業學院，項目名稱：基于GIS技術的城郊山地旅游度假區的土地利用分析——以麥積山石窟為例，編號：20231283522