基于倾斜摄影和近景摄影技术的实景三维模型制作(基于CC与 DP－Modeler)
摘 要: 为了准确高效地创建实景三维模型，针对倾斜摄影实景三维存在的问题，提出了利用倾斜摄影和近景摄影测量技术相结合的方式进行联合建模。采用倾斜摄影测量系统 QX5. 0 和近景摄影测量系统影像测量仪( vＲTK) 获取的影像数据作为数据源，并通过倾斜影像后处理系统 DP－Modeler，进行空地数据联合建模，实现对倾斜实景三维模型精细化重建的目的。
关键词: 近景摄影; 倾斜摄影; 三维模型
”近年来，随着经济社会的快速发展， 城市建设水平
的不断提高，当今城市的发展正在从数字城市向智慧城市迈进，传统的模拟三维模型难以满足智慧城市的规划、建设、管理需求［1］ 。随着无人机倾斜摄影测量技术的快速发展，利用无人机搭载多视镜头进行倾斜摄影，快速生成城市的实景三维模型，已成为获取地面三维信息的重要手段［2］ 。倾斜摄影技术虽然具有真实性、全要素的优势［3］ ，但是，在实景三维的应用中发现很多不足之处，特别是近地面和建筑侧面细节表现上， 往往出现大面积的数据丢失、模糊、拉花等现象。本文从倾斜摄影测量的不足之处着手，将倾斜摄影和近景摄影技术有机融合进行联合建模， 来弥补倾斜摄影测量的局限性。再将倾斜影像模型的丢失和模糊的细节进行修复，得到清晰度和识别度更高的实景三维模型。
2. 1 倾斜摄影测量系统
倾斜摄影是测绘领域近些年发展起来的一项高新技术，该技术通过从 1 个垂直、4 个倾斜镜头同步采集影像，获取丰富的地面高分辨率影像信息。它不仅能够真实地反映地物情况、高精度获取建筑物纹理信息，还可以通过先进的定位、融合、建模等技术生成真实的三维城市模型。倾斜摄影测量系统如图 1 所示。
图 1 倾斜摄影测量系统
2. 2 近景摄影测量系统
影像测量仪( vＲTK) 是近景摄影测量领域新兴的一款开拓性产品，该产品采用单镜头搭配成熟的 ＲTK进行外业采集影像数据、位置信息，内业结合专业的数据处理软件，可生成高精度点坐标、三维模型等可视化交互物。近景摄影测量系统如图 2 所示。
3. 1 倾斜摄影数据源分析
倾斜摄影测量相比于传统航空摄影测量， 它可以通过一次飞行， 同时获取垂直、前后、左右 5 个角度的地面影像信息，同时通过 POS 系统获取与每组曝光影像相对应位置及姿态信息［5］ ， 从而得到用于实景三维建模的影像及姿态位置文件。该方法获得的数据具有高真实性、可量测性、全要素性。但是， 由于建筑物等地面实体的遮挡和摄影角度的不同， 可造成近地面和建筑物侧面数据的丢失、细节显示不清晰。
3. 2 近景摄影数据源分析
近景摄影测量技术作为一项发展较为成熟的技术，vＲTK 是近景摄影测量领域新兴的一款开拓性产品，相比于传统的手持相机拍摄影像， 它拍摄的同时，利用 ＲTK 获取每张曝光影像相对应的高精度位置、姿态信息，现场作业后无须再布设像控点。其拍摄的近地面和建筑侧面要素数据完整、细节清晰，是倾斜摄影获取的影像数据的补测， 能够很好地修复倾斜摄影在近地面和建筑侧面的数据失真现象。
实景三维模型空地数据联合制作的思路:以无人机倾斜摄影测量、地面近景摄影测量系统获取的数据作为实景三维建模的基础数据， 利用 vＲTK 影像测量仪进行建筑物底部及侧面数据采集， 通过影像定向后获取后续联合建模所需的成果包， 其中基于近景摄影测量前方交会原理［6］ ，经过“刺点”后提取的特征点坐标用于倾斜影像空三解算的像控点， 实现空地数据的坐标系统统一， 然后联合倾斜实景模型和地面 vＲTK数据进行建筑物模型精细单体化建模， 最后将单体化模型重置于三维场景中。机载倾斜摄影数据与近景摄影数据联合处理技术流程如图 3 所示:
图 3 数据联合处理技术流程
利用倾斜摄影和近景摄影技术进行实景三维联合建模的关键技术主要包括数据源的空中三角测量， 倾斜影像实景三维模型的快速生成， 实景三维模型单体化及三维场景重构。
5. 1 数据源的空中三角测量
为了保证空中倾斜影像与地面近景影像能够自动配准，采用统一的平面坐标系和高程基准，首先需对地面近景影像进行空三解算，采用仪器配套的 VＲTK Access 软件进行数据处理， 该程序能够自动完成分组内影像的特征提取、特征匹配、空三解算等步骤［7］ ， 导出解算后的空三成果文件(影像列表、相机内参数、外方位元素)与畸变影像，解算过程如图 4 所示。
图 4 近景影像解算过程
解算完成后，选择定向好的两张不同影像通过刺点方式进行特征点坐标采集，将坐标成果导出用于倾斜影像空三解算的像控点，特征点选取需满足倾斜影像和地面影像上目标影像都清晰、易于判读的线交位置或低矮房屋的明显拐点。
5. 2 倾斜影像实景三维模型的快速生成
ConTextCapture 软件实景三维建模中应用较为广泛的软件，它通过加载采集端获取的多视觉影像可以快速生成具有高分辨率的真三维模型， 其优点包括对区域进行整体三维重建， 并且数据处理过程具有全自动化、高效率等特点， 同时还可以采用集群式联机运算， 大大缩短数据处理时间。利用 ConTextCapture 进行实景三维建模， 首先加载 POS 数据和倾斜影像， 经控制点刺点后进行倾斜影像联合平差， 精确计算每一张影像的外方位元素同时生成高密度高精度的三维点云数据，在点云的基础上提取深度图并构建三维 TIN，最后根据三维 TIN 的空间位置， 获取影像进行自动映射纹理［8，9］ ， 从而快速得到倾斜实景三维模型， 如图 5所示。
图 5 倾斜实景三维模型
5. 3 实景三维模型单体化建模
倾斜实景三维模型可以看成是一张表面覆盖高分影像的连续 TIN 三角网，在 GIS 管理和应用中， 倾斜摄影模型中的对象不能单独被选中和进行属性查询， 只能像影像一样作为底图进行浏览， 无法进一步深入应用，因此需要对倾斜三维模型进行单体化。目前应用较为广泛的单体化方法主要有以下两种:逻辑单体化、物理单体化。逻辑单体化是指通过对倾斜三维模型中的对象进行单纯的叠加二维矢量底面， 在渲染层面实现建筑物、道路等地物单体化，并通过矢量面作为载体进行属性挂接，从而实现对象的单独管理、属性查询等功能。该方法只是简单查询建筑轮廓的矢量面、并非真正意义上的单体物理分离， 而物理单体化是通过人工重建的方式将建筑物、道路等对象进行物理分离， 重建的实体能够进行编辑和修改、并附加属性来实现查询统计和分析等功能［10］ 。目前可以实现物理单体化的软件主要有 DP －Modeler、Oblique Sketch 等软件， 这两款软件都是在倾斜影像模型的基础上， 进行建筑物的边界提取、纹理自动匹配及三维模型场景重构等过程。其中 DP－Modeler 是国内应用较早的一款支持多源数据联合建模软件， 本文以 DP －Modeler 为例， 详细介绍物理单体化建模的实现过程。
(1)物理单体化建模技术流程。DP－Modeler 是一款基于三维影像的建模软件， 可对倾斜影像的自动建模成果进行单体化修饰， 悬浮物删除等工作［11］ ， 可得到建筑物的精细模型，其技术流程如图 6 所示。
图 6 单体化技术流程
(2)物理单体化建模过程。首先加载空地影像的空三加密成果进行数据配置， 以倾斜三维实景模型为基础，在顶视图模式下进行建筑轮廓勾勒，对其进行编辑、调整， 推拉至基准面得到建筑主体模型， 然后利用倾斜影像和地面 ＲTK 影像获取建筑物的侧面及底商结构信息， 并经编辑、推拉等操作形成凸凹明显的结构，建筑结构完成后， 利用建筑纹理信息可采集的特点，实现模型一键自动贴图。建筑物顶部采用无人机垂直影像贴图，侧面及底商结合倾斜影像和地面 ＲTK影像拍摄效果进行人工干预选择贴图。从而实现单体化模型精细化修饰效果。图 7( a) 为倾斜摄影直接建模效果，图 7(b)为联合单体化建模效果。与近景摄影联合建模后，可以看出倾斜摄影建筑物模型侧面信息模糊、丢失、纹理拉花等现象得到很好修复。
图 7 精细单体化联合建模
5. 4 实景三维模型重构
基于 DP－Modeler 软件对三维模型精细单体化建模后，在倾斜实景三维模型中勾绘修饰区域范围线， 通过模型踏平、删除、重构等方式， 将新建的单体化模型与场景融合，进而形成可单体化管理的精细实景三维模型。从而达到倾斜实景模型深入 GIS 应用的目的。场景重构前后效果比对如图 8 所示。
图 8 场景重构前后对比图
目前常规建模技术主要分为以下 4 类:传统人工建模、三维激光扫描建模、数字近景摄影测量建模、倾斜摄影测量建模。其中传统的三维建模通常使用 3dsMax、AutoCAD 等建模软件， 基于 CAD 二维矢量图、影像数据或者手工拍摄的照片估算建筑物的轮廓和高度信息进行人工建模。该方法制作的模型外观美观， 但精度较低，并且生产过程中需要大量的人工参与、制作周期较长。三维激光扫描技术可以快速连续对观测对象进行扫描测量，获取对象表面的三维点云数据， 该方法具有非接触、高精度等优点，后期通过对点云数据进行配准、降噪、提取、封装等一系列操作构建三角网模型，最后通过手工方式映射纹理信息获得三维模型。
这种方法不仅生产周期长、效率低，同时模型的映射质量一般，适用于小范围的精细模型构建。数字近景摄影测量技术可以对非接触、面状地物进行快速拍摄， 通过对拍摄的影像进行自动匹配、空三解算、生成点云、纹理映射等一系列操作来构建三维模型， 该方法具有模型效果好、精度高等特点， 但也存在建筑物死角、顶部无法拍摄的缺点。倾斜影像建模技术外业航拍作业范围更广、成本低、效率高， 内业数据处理对计算机硬件配置要求较低，可以实现计算机集群式处理， 更适用于大范围的三维模型构建， 但该方法也存在建筑物侧面、底部信息采集不全的缺点。以上四种建模方法优缺点对比总结如表 1 所示。
本文基于倾斜和近景摄影测量的基本原理， 对倾斜和近景摄影测量三维建模技术的优势和不足分别进行了详细的分析， 将倾斜摄影与近景摄影技术进行有机联合，采用统一的空间基准及坐标系统进行空地数据联合单体化建模， 该方法在保证三维模型精度的情况下，可大幅提升三维模型的生产效率和显示效果， 与其他传统建模技术相比、模型制作时间减少一半以上、投入人员减少 2 /3。目前、该方法还存在无人机飞行姿态受天气影响较大、需搭载 PPK 后差分处理系统来保证精度等问题，在今后的实际项目中，也可以考虑利用机载三维激光扫描获得的高精度点云数据与倾斜摄影测量技术获得的三维模型数据进行融合建模， 从而进一步提高模型的整体精度。
在三维城市建设项目中， 随着三维城市建模需求和范围的增大，无人机倾斜摄影测量的影像快速采集、自动化空三及建模技术， 在生产效率上显现出强大的优势。本文提出的基于倾斜和近景摄影技术的实景三维模型制作的方法，在实际工程项目中进行了验证， 对建筑物单体化重建的同时， 修复了建筑物侧面和底部纹理，并大大提升了城市三维建模的生产效率和模型效果。经单体化建模后的精细模型， 附加属性后重置于倾斜实景三维模型中， 实现了倾斜实景三维模型的精细化重建与单体化管理， 为后期三维场景的深入行业应用提供了便利。
文章转载于城市勘测2018年6月第3期
作者：姜如波
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