無人機傾斜攝影精細化模型制作關鍵技術研究

摘要：針對無人機傾斜攝影實景三維模型中常見的建筑物底部變形、紋理拉花、樹木和路燈懸浮、水面破損等問題，文章開展了精細化模型制作技術研究。文章介紹了傾斜攝影技術，對實景三維模型存在的問題進行了分析，給出對應的解決措施。對精細化模型制作流程進行了說明，解決了實際項目中的問題模型，得到了精細化模型成果。研究結果表明，文章提出的方法能夠有效解決上述模型問題，顯著提升模型的精細度，可為實景三維中國建設等項目提供參考。

關鍵詞：無人機傾斜攝影；精細化模型；單體化模型；模型修飾

中圖分類號：P251" " " " "文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2025）08-0105-04

開放科學（資源服務） 標識碼（OSID） ：

0 引言

近年來，隨著導航定位精度的不斷提升，無人機傾斜攝影技術憑借其高效、靈活、低成本等優勢，在農村房地一體確權、村莊規劃、數字城市建設等領域得到越來越廣泛的應用[1-2]。雖然傾斜攝影技術用途很廣，但是航空攝影也存在一定的局限性，如樹木、建筑互相遮擋形成的航攝盲區，側視相機與下視相機距離地面航高不同導致的航攝影像分辨率差異大等，會導致生產的模型成果存在一定的問題。如建筑物底部因無可靠影像參與運算，導致的底部結構變形與紋理拉花，樹木和路燈建模不連續形成的孤立懸浮物，水面破損等[3-5]。這些問題模型，對于數字城市、智慧城市、實景三維中國建設項目來說，是需要進行修改完善的[6]。鑒于此，文章對傾斜攝影技術進行了探討，分析了模型問題產生的原因，并給出對應的解決措施，對精細化模型的制作流程進行了說明，并對實景三維中國建設項目中的問題模型進行了處理，得到了精細化模型成果。為此，本文將探討傾斜攝影技術，分析模型問題產生的原因，提出相應的解決措施，并通過實際項目案例驗證其可行性。

1 傾斜攝影技術

與傳統的垂直攝影相比，傾斜攝影最大的特點在于能夠從多個角度同步采集地面影像數據，從而獲取更全面的地物信息[7]。對于5鏡頭相機來說，下視和側視夾角通常為45°，這種組合可以采集得到更多的視角影像數據，豐富的影像數據在解算時，可以形成更多約束方程，從而解算得到精度更高的成果數據。其缺點是：1） 獲取的影像邊緣變形大，分辨率差異大，冗余度高，導致解算效率低[8]；2） 整體重量大，搭載在無人機上，降低了無人機作業效率。在實際應用中，為了有效降低影像分辨率的差異，在進行5鏡頭相機組裝時，通常設置側視焦距是下視焦距的1.4倍，這樣可以保證獲取的影像分辨率盡可能一致[9]。在采集城區影像時，為了降低影像變形帶來的影響，通常選擇長焦相機，這樣獲取的數據更有利于解算。傾斜攝影相機在作業時，按照已有的航線進行同步曝光，并對下視相機的POS數據進行記錄。如圖1所示，是5鏡頭相機連續多次曝光采集影像的示意圖。

2 模型問題分析與解決措施

基于傾斜攝影方式采集影像數據，并利用專業的軟件生產模型，可以得到能夠準確反映實際現狀的模型成果，然而由于航空攝影存在一定的局限性，加之目前的軟件算法有待完善，因此會出現較多的模型問題。下面對常見的模型問題產生的原因進行分析，并給出相對應的解決措施。

2.1 建筑物變形拉花問題優化

該類問題反映在模型上，主要包括建筑物底部門窗破損、紋理拉花、墻體邊緣缺失等。分析其產生的原因，主要是因為建筑物、樹木互相遮擋，導致出現航攝盲區。影像數據的解算是基于影像的像素灰度值來完成的，因此在數據解算過程中，航攝盲區對應的區域由于沒有可靠的影像數據，會導致解算得不到同名點數據。由于沒有可靠的同名點數據，無法準確獲取密集點云，從而無法構建準確的地物結構，出現結構變形和紋理拉花的模型成果，這種成果通常出現在建筑物底部。對于建筑物模型底部結構變形和紋理拉花問題，可采用以下幾種措施來優化。1） 采用地面激光點云和傾斜影像融合建模。利用靜態或背包式設備采集建筑物底部點云，并同步獲取點云對應的影像數據，并將影像紋理賦值到點云上，利用像控點完成點云坐標的校正。在三維模型重建環節，將獲取的點云成果導入軟件中，并和傾斜攝影生成的密集點云融合建模，從而得到結構完整、紋理與實際現狀相符的精細化模型。2） 采用單體化建模。建筑物結構通常是比較規則的，因此可以基于實景三維模型和立體像對模型，對建筑物的結構進行矢量化。在矢量化過程中，通過點到線、線到面、面到體的作業方式，勾勒建筑物的主體結構。采用由簡到難的方式，制作建筑物附屬結構，最后通過組合的方式，完成建筑物白模的制作。通過影像和建筑物之間的對應關系，將紋理自動映射到模型上，并對紋理不符合要求的區域再次進行紋理編輯和修飾，從而得到最終的精細化模型成果。對于上述兩種解決措施，方案1） 成本高，并且點云和影像融合難度高，一般會出現模型分層問題；方案2） 方案可操作性強，是目前解決建筑物變形拉花的主要作業方法。

2.2 樹木孤立懸浮物問題優化

該類問題反映在模型上主要呈現為樹木、路燈懸浮在空中，與地面不相連。分析其產生的原因是構建模型的三角面片出現了不連續。三維模型重建主要包含生成稠密點云、構建三角面片和紋理映射。對于樹木、路燈等地物，其結構較小，生成的點云數量少，不符合構建三角面片的要求，因此出現了所謂的懸浮物。對于懸浮物的優化處理，通常采取以下幾種措施。1） 直接刪除懸浮物。這是目前處理懸浮物最主要的方式，即利用修模軟件，首先直接選中懸浮物并對其進行刪除，其次對高出地面的樹桿進行壓平，然后對刪除懸浮物帶來的孔洞進行修補，最后對懸浮物遺留下的影子進行編輯處理，從而得到精細化模型場景。個別項目要求種植樹木，可將模型庫中的樹木植入原樹木所在的位置，得到種植樹木后的模型場景。2） 采集分辨率更高的影像數據。因為密集點云的生成是基于影像像素來完成的，所以獲取分辨率更高的影像數據，就可以匹配出更加密集的點云成果，從而構建連續的三角面片，得到完整的樹木和路燈等地物的模型成果。高分辨率影像數據的獲取通常可以采用降低飛行高度、更換焦距更長的相機、地面近距離影像數據的采集。上述兩種方法都可以有效解決懸浮物問題，得到精細化模型場景成果，方案1） 可操作性強，作業成本低；方案2） 操作難度大，作業成本高，適用于對真實場景要求非常高的項目，實景三維中國建設項目采用方案1） 即可。

2.3 水面破損問題優化

該類問題反映在模型上主要呈現為水面高程差異大、水面不完整、破損嚴重。分析其產生的原因：在影像數據解算中，水面屬于弱紋理地物，一般是無法準確解算得到同名點的。因此在進行密集點云匹配時，水面是無法匹配得到點云的，從而得到的水面模型通常是破損的。對于水面模型的優化處理，通常采取以下幾種措施。1） 導入水面范圍約束建模。三維模型重建時，優先會使用密集點云進行模型重建，當沒有可靠的點云數據時，會以引入的水面范圍為參照進行模型的重建。水面范圍坐標系統必須與像控點的一致，并且高程要與水面的高基本一致，這樣才能得到精細的水面模型。2） 修補水面破損區域。對于破損的水面，利用專業的模型編輯軟件，以周邊已有的三角網為基礎，對孔洞進行三角網內插，從而得到修補后的水面，再利用模型編輯軟件的壓平和紋理編輯功能，對修補后的水面進行整平處理，并對紋理進行編輯，得到高質量的水面模型成果。3） 單體化水面模型。在正射影像上采集水面的平面位置，在模型上采集水岸線的高程。將采集的矢量面導入3dmax軟件中，制作水面的模型成果，然后導出FBX或OBJ格式的模型。采用格式轉換軟件，將導出的模型轉為OSGB格式的模型，將模型的根節點合并，從而得到精細化的模型成果。上述三種方案都可以得到精細化水面模型成果，然而方案1） 得到的模型水面紋理色差較大，需要采用修模軟件進行修飾處理；方案2） 適合小面積模型水面處理，對于大面積來說，因為破損嚴重，很難通過周邊的已有三角網完成水面三角網的內插；方案3） 適用于水面大面積破損，并且紋理可以賦統一值，不會存在色差。具體作業過程中，可針對不同項目需求和水面破損的情況，選擇合適的水面模型優化措施，以最低成本得到最佳的模型成果。

3 精細化模型制作流程

精細化模型主要通過兩方面來表現，即紋理和結構。對模型進行精細化處理，通常需要對模型結構進行重構和修補，對紋理進行編輯和替換。如圖2所示，是精細化模型制作的流程圖。

其中，模型結構重構主要包含兩種方式，即基于立體像對模型和實景三維模型。基于立體像對模型需要的數據包括未畸變影像、外方位元素和相機參數；基于實景三維模型需要OSGB格式的模型成果。兩種方式都是采集建筑物的結構，并對采集得到的建筑體映射紋理，對紋理不滿足項目需求的部分進行紋理編輯，轉換得到OBJ或OSGB格式模型成果。結構和紋理編輯主要包含刪除懸浮物、孔洞修補和地物壓平，然后直接對處理后的成果進行紋理映射與編輯，最終得到精細化模型成果。

4 應用實例

實景三維作為真實、立體、時序化反映人類生產、生活和生態空間的時空信息，是國家重要的新型基礎設施，可以通過“人機兼容、物聯感知、泛在服務”實現數字空間與現實空間的實時關聯互通，為數字中國提供統一的空間定位框架和分析基礎，是數字政府、數字經濟重要的戰略性數據資源和生產要素，為此某城市積極開展實景三維中國建設項目。該項目需要采用傾斜攝影方式獲取多角度影像數據，并生產模型成果。首先對該城市進行現場勘查，收集了該城市2022年0.2 m的數字正射影像成果，用于像控點的布設和像控點采集的路線圖。在完成像控點坐標采集后，使用六旋翼無人機為飛行平臺，搭載下視焦距35 mm，側視焦距50 mm的5鏡頭傾斜相機，航飛250 m左右的高度，按照航向、旁向均為80%的重疊度進行城市傾斜影像數據的采集，航攝30架次，共采集分辨率為4 cm的傾斜影像數據近10 w張。利用主流的瞰景Smart3D軟件進行該城市模型的制作，得到了現勢性強的模型成果。在對模型成果查看時，發現部分模型存在建筑物底部結構變形和紋理拉花、樹木懸浮物、水面破損的問題，不能滿足本次項目的需求，要對該部分問題模型進行處理。采用本文精細化模型制作方案，對上述問題模型進行優化處理。

對于建筑物底部結構變形和紋理拉花的模型，采用SVSModeler軟件進行單體化處理。首先恢復單體化工程，然后基于實景三維模型和立體像對模型，采集建筑物的頂部輪廓，然后通過拉伸的方式，將矢量面拉伸為矢量體，得到建筑物的主體結構。基于立體像對模型，對建筑物的部件進行采集，然后通過組合，將主體和部件合成一個模型。基于航攝影像和模型之間的關系，將紋理映射到單體化模型上，并對紋理不合適的區域，聯動Photoshop軟件進行修改，從而得到精細化模型成果。如圖3所示，是某建筑物優化前后對比圖。

對于模型場景來說，懸浮物的存在讓模型場景顯得更加亂，降低了模型的質量。本次采用SVSMeshEditor軟件，對樹木懸浮物進行刪除處理。首先將OSGB格式的模型加載到軟件中，然后批量選中懸浮物，對懸浮物進行一鍵刪除，再對刪除后留下的高出地面的樹桿進行壓平處理，對樹影子的紋理進行修飾處理，對刪除后留下的孔洞進行修補處理，從而得到優化后的模型場景。如圖4所示，是場景中懸浮物處理前后的對比圖。

對于模型中的水面來說，一般會存在破損問題，影響模型整體的視覺質量，因此非常有必要對破損水面進行優化處理。模型編輯常用的格式有兩種，即OSGB和OBJ。對于結構編輯，一般選用OBJ格式，OSGB適合紋理編輯和刪除懸浮物等，對于水面破損修補，則需要選用OBJ格式來完成。首先利用空三成果、未畸變照片、OSGB和OBJ格式的模型建立工程，然后對破損水面進行壓平和孔洞修補，再采用航攝影像進行紋理映射，在得到精細化模型后，將OBJ格式轉化為OSGB格式，并完成優化后的模型輸出。如圖5所示，是水面模型修補前后的對比圖。

5 結束語

本文對傾斜攝影技術進行了分析，探討了精細化模型制作的關鍵技術，通過流程圖的形式對精細化模型制作流程進行了說明，并以某城市實景三維建設項目為例，驗證了本文方案在精細化模型制作方面的可行性。本文的方案雖然可以得到精細化模型成果，但是工作量大、軟件作業流程煩瑣。未來如果能夠將人工智能自動化模型精細化處理技術和AI技術相結合用于模型制作中，有望提升自動化模型的精細度，并且在修飾紋理時，可以快速高效完成紋理的修補工作，為精細化模型的高效制作提供保障。

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【通聯編輯：梁書】