基于Smart3D的傾斜攝影真三維模型的建立研究

摘要：傾斜攝影測量技術(shù)是近年來發(fā)展迅速的新興科學(xué)技術(shù)，滿足了研究和應(yīng)用領(lǐng)域的廣泛需求，在城市三維實景建模中有著廣闊的應(yīng)用前景。針對吉林某大學(xué)三維建模任務(wù)，分別從數(shù)據(jù)獲取、模型構(gòu)建等方面詳細(xì)介紹了基于Smart3D軟件的傾斜攝影三維建模的方法步驟，并對測區(qū)進(jìn)行三維場景構(gòu)建，同時對三維模型場景成果的精度進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，基于傾斜攝影測量的自動化真三維建模方式建模速度快、質(zhì)量高、工程量較少，構(gòu)建的三維場景細(xì)節(jié)豐富。

關(guān)鍵詞：傾斜攝影測量三維模型空三加密精度評價

ResearchontheEstablishmentofaTrue3DModelofObliquePhotographyBasedonSmart3D

WANGNa

JilinProvincialInstituteofPhotogrammetryandRemoteSensing，Changchun，JilinProvince，130051China

Abstract：Theobliquephotogrammetryisanemergingscientifictechnologythathasrapidlydevelopedinrecentyears，whichmeetsthewideneedsofresearchandapplicationfieldsandhasbroadapplicationprospectsinurban3Drealscenemodeling.Forthe3DmodelingtaskofauniversityinJilin，thispaperprovidesadetailedintroductiontothemethodsandstepsofthe3DmodelingofobliquephotographybasedonSmart3Dsoftwarefromtheaspectsofdataacquisitionandmodelconstruction，constructsthe3Dsceneofthemeasurementarea，andanalyzestheaccuracyofthe3Dmodelsceneresults.Theresultsshowthattheautomatedtrue3Dmodelingmethodbasedonobliquephotogrammetryhasfastmodelingspeed，highqualityandlessengineeringquantity，andthattheconstructed3Dscenehasrichdetails.

KeyWords：Obliquephotogrammetry;3Dmodel;Aerialtriangulation;Accuracyevaluation

三維模型的本質(zhì)是基于二維地理信息所制作的三維地理信息，是對傳統(tǒng)二維地理信息的革新與升級，較之二維地理信息，表現(xiàn)更為系統(tǒng)、逼真、更具立體性。三維模型場景能提供一種更加直觀、更為真實的可視化功能，不僅能對城市各自然要素進(jìn)行瀏覽查看，還能對建設(shè)要素進(jìn)行分析[1]。

三維模型創(chuàng)建方式有兩種。一是利用二維線劃數(shù)據(jù)和與之對應(yīng)的高度屬性信息，開展三維建模，并采集現(xiàn)實紋理圖片，貼于建筑物表面。此種方式構(gòu)建的模型精度高、紋理真實，但由于周期長及成本高，不適用大區(qū)域作業(yè)。二是采用數(shù)字?jǐn)z影測量技術(shù)進(jìn)行三維建模，地物及地表特征點線面等數(shù)據(jù)信息的采集速度快，建模過程自動化，還支持外形規(guī)則的建筑物的紋理自動化提取。此方式真實度高、建模速度快，因而可以對大場景進(jìn)行實時更新[2]。本文結(jié)合吉林某大學(xué)校區(qū)內(nèi)實景三維建模需求，探討了基于傾斜攝影測量的三維建模技術(shù)流程。

1測區(qū)數(shù)據(jù)獲取

測區(qū)位于吉林某大學(xué)校區(qū)內(nèi)，面積約為1.41km2。測區(qū)內(nèi)主要建筑有圖書館、網(wǎng)球館、宿舍區(qū)、教學(xué)樓等。測區(qū)范圍如圖1所示。

1.1影像數(shù)據(jù)獲取

航飛質(zhì)量主要受航線、相對航高、重疊度的影響，為得到高質(zhì)量的航拍影像，需要在進(jìn)行航飛計劃時對這些參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

本次測量采用紅鵬六軸無人機(jī)AC1600，相機(jī)型號為SONYILCE-7RM2，傳感器大小為35.9mm，相機(jī)焦距為35.1701mm，無人機(jī)航高為180m，航向和旁向重疊度都是70%。共得到5組影像共1255張影像圖片及對應(yīng)的Pos點數(shù)據(jù)，影像寬度為7952像素，高度為5304像素。

1.2像控點數(shù)據(jù)獲取

控制點坐標(biāo)值是攝影測量的重要參數(shù)。根據(jù)作業(yè)要求確定控制點個數(shù)，并對控制點坐標(biāo)和高程值進(jìn)行外業(yè)測量。

1.2.1像片控制點布設(shè)方案

依據(jù)航線規(guī)劃和影像數(shù)據(jù)，主要采用區(qū)域網(wǎng)法布點方案[3]，依據(jù)控制點布設(shè)原則，選取測區(qū)域內(nèi)28個控制點作為像控點參與解算，如圖2所示。

1.2.2像控點選測

像控點的精度要求：相對鄰近的基本像控點，平面像控點和平高像控點的圖中誤差不超過0.2mm。高程像控點和平高像控點的高程中誤差不超過0.1m[4]。

像控點位置都用適應(yīng)大小的“十字絲”在影像上進(jìn)行標(biāo)示，并用文字對點位位置進(jìn)行詳細(xì)描述，便于內(nèi)業(yè)人員判讀[5]。采用統(tǒng)一規(guī)格的點之記表格對像控點信息進(jìn)行記錄，表格的主要內(nèi)容有像控點點名、作業(yè)人員姓名、像控點坐標(biāo)、點位全圖、點位略圖、點位詳圖、點位說明等。

2三維模型創(chuàng)建

基于計算機(jī)視覺三維重建算法，Smart3D軟件只需結(jié)合飛行過程中獲取的Pos數(shù)據(jù)即可解算出精確的外方位元素。并采用基于特征的匹配算法匹配同名點，采用光束法區(qū)域網(wǎng)平差方法進(jìn)行多視影像聯(lián)合平差，并根據(jù)聚簇算法和基于面片的密集匹配算法完成高密度點云初步構(gòu)建[6]。最后，基于點云構(gòu)建的TIN網(wǎng)模型配合紋理映射，實現(xiàn)實景三維模型的構(gòu)建（如圖3所示）。下面詳細(xì)闡述其中空三加密和成果檢驗2個環(huán)節(jié)。

2.1空三加密

空三加密流程，如圖4所示。

2.2成果檢驗

Acute3DViewer可以直接對s3c格式的模型成果進(jìn)行查看和瀏覽，如圖5所示。如果是osgb格式數(shù)據(jù)，則可以通過一系列轉(zhuǎn)換操作制作一個s3c模型展示文件在Acute3DViewer里進(jìn)行瀏覽查看。

Smart3D生成的數(shù)據(jù)格式有s3c、fbx、osgb、dae、obj、stl等多種類型，其中osgb、obj和fbx格式可以適用于多種建模軟件，以便于后期進(jìn)行修改。也適用于多種展示平臺，可以快速在網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行發(fā)布，實現(xiàn)共享。

2.3模型修改和對禁飛區(qū)域的補充

在對細(xì)節(jié)要求不高的情況下，Smart3D生產(chǎn)的三維模型可以滿足使用要求，后期無需太多修改。但在實際應(yīng)用過程中，地物間的相互遮擋會給數(shù)據(jù)的獲取造成比較大的干擾。加之目前軟件自身也還有一些局限性，模型的細(xì)部結(jié)構(gòu)存在破損和缺失的問題。尤其是靠近地面的部分，模型細(xì)節(jié)和紋理容易缺失和失真。針對模型的局部誤差，可以使用其他建模軟件如3dsMax、GeomagicStuido等進(jìn)行修改，再通過retouch操作導(dǎo)入Smart3D軟件，重復(fù)三維模型重建步驟。

針對禁飛區(qū)域，可以采用其他建模技術(shù)方法采集數(shù)據(jù)，建立三維模型，對傾斜三維模型場景進(jìn)行補充。

Smart3D軟件本身能夠生成多種類型的數(shù)據(jù)成果，可以應(yīng)用到其他三維軟件平臺中。也可以將3dsMax、GeomagicStuido等軟件建立的三維模型成果通過retouch操作導(dǎo)入Smart3D軟件中進(jìn)行拼接。此外，可以將傾斜攝影與近年來發(fā)展較好的近景攝影技術(shù)進(jìn)行有機(jī)聯(lián)合，采用統(tǒng)一的空間基準(zhǔn)及坐標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行空地數(shù)據(jù)聯(lián)合建模。在今后的實際項目中，也可以考慮利用機(jī)載三維激光掃描獲得的高精度點云數(shù)據(jù)與傾斜攝影測量技術(shù)獲得的三維模型數(shù)據(jù)進(jìn)行融合建模。

目前，正提倡多測合一，隨著真三維建模需求和范圍的增大，傾斜攝影測量與其他三維建模技術(shù)相結(jié)合，可大幅提升三維建模的生產(chǎn)效率和模型效果。

3精度評價

精度評價是評定三維模型能否在實際工作中得到應(yīng)用的一個重要方面，也是衡量三維模型質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本小節(jié)根據(jù)傾斜攝影三維模型的特點，對測區(qū)模型成果進(jìn)行空三精度、整體結(jié)構(gòu)、細(xì)部結(jié)構(gòu)3個方面的精度評價。

3.1空三精度評價

中誤差是衡量觀測精度的一種數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)，可以很好地反映誤差精度，在測繪領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。測區(qū)內(nèi)一共使用28個控制點，空三精度的平面最大誤差為0.0013m，最小誤差為0.0001m，中誤差為0.0005m；高程最大誤差為0.001m，最小誤差為0，中誤差為0.0007m；重投影的均方根最大誤差為0.1000px，最小誤差為0，中誤差為0.0344px；3D最大誤差為0.0021m，最小誤差為0.0002m，中誤差為0.0007m。所有誤差均小于0.5，空三精度達(dá)到模型生產(chǎn)的要求。

3.2整體模型精度評價

測區(qū)一共采用28個控制點坐標(biāo)，X方向中誤差為0.041284m，Y方向中誤差為0.032117m，平面中誤差為0.052306m，高程中誤差為0.060117m。參照《三維地理信息模型數(shù)據(jù)產(chǎn)品規(guī)范》，測量場景模型平面的中誤差小于0.5m，高程的中誤差小于0.37m，整體模型滿足1∶500比例尺測圖精度。

4結(jié)語

基于Smart3D軟件的傾斜攝影建模方法，無需太多人工干預(yù)，具有很強的可操作性。并且其成果細(xì)部結(jié)構(gòu)表現(xiàn)程度高，精度達(dá)到測繪級標(biāo)準(zhǔn)，成果格式也能與多種軟件及平臺有效結(jié)合，在實際工作中具有很強的應(yīng)用價值。

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