【技術(shù)】基于傾斜攝影測(cè)量實(shí)景三維模型優(yōu)化的技術(shù)

摘 要：

隨著實(shí)景三維建設(shè)的持續(xù)推進(jìn)，傾斜攝影生產(chǎn)的實(shí)景三維模型仍存在質(zhì)量缺陷問題。本文從航飛影像獲取、模型自動(dòng)構(gòu)建及后期優(yōu)化等環(huán)節(jié)出發(fā)，通過(guò)控制影像采集質(zhì)量、優(yōu)化航飛參數(shù)、融合貼近攝影測(cè)量與多源數(shù)據(jù)、開展模型優(yōu)化及單體化處理等方法，結(jié)合新昌項(xiàng)目案例進(jìn)行實(shí)踐驗(yàn)證。結(jié)果表明，多方法協(xié)同應(yīng)用可有效提升模型幾何精度與紋理質(zhì)量，為實(shí)景三維項(xiàng)目建設(shè)提供了參考。

關(guān)鍵詞： 實(shí)景三維模型；傾斜攝影；模型優(yōu)化；貼近攝影測(cè)量

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引言

開展實(shí)景三維建設(shè)工作是構(gòu)建新型基礎(chǔ)測(cè)繪體系的重要內(nèi)容。實(shí)景三維模型可直觀反映真實(shí)場(chǎng)景下地物的位置、高程、形態(tài)等信息，為城市規(guī)劃、智慧交通、數(shù)字城市、應(yīng)急管理、文物保護(hù)等多個(gè)領(lǐng)域提供關(guān)鍵的數(shù)據(jù)支撐。

目前，常見三維建模方式包括基于矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行人工建模、基于激光點(diǎn)云掃描逆向建模以及傾斜攝影測(cè)量等。文獻(xiàn)［1］指出傳統(tǒng)的三維模型基于地形圖和高程數(shù)據(jù)人工進(jìn)行三維建模，模型具有精細(xì)程度高、整體美觀、效率低、工作量大、周期長(zhǎng)且不適合大范圍的三維模型制作。文獻(xiàn)［2］指出基于激光點(diǎn)云逆向建模具體精度高、建設(shè)成本高，模型美觀，適用于室內(nèi)及小范圍建設(shè)。文獻(xiàn)［3］指出傾斜攝影具有生產(chǎn)效率高、自動(dòng)化程度高、模型逼真、精度高，局部區(qū)域模型效果不佳，適合大范圍生產(chǎn)。隨著實(shí)景三維任務(wù)的推進(jìn)，實(shí)現(xiàn)大范圍、精度高、效果好的實(shí)景三維成果已成為關(guān)鍵技術(shù)需求，但是在實(shí)際的作業(yè)中，由于受地形、地物、天氣、作業(yè)環(huán)境、航飛時(shí)間限制等客觀因素的影響，獲取的影像中會(huì)存在陰影、紋理模糊、色調(diào)偏暗等問題，同時(shí)因傾斜攝影技術(shù)的局限性，加之遮擋區(qū)域、建筑密集區(qū)域以及弱紋理區(qū)域等因素影響，導(dǎo)致模型會(huì)存在扭曲、破洞、拉花、變形等精度低和質(zhì)量差的問題［4］。為了提升模型質(zhì)量，文獻(xiàn)［5］采用空地一體多源數(shù)據(jù)融合的方法，突出局部模型結(jié)構(gòu)和細(xì)節(jié)。文獻(xiàn)［6］利用軟件對(duì)模型成果進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行單體化。文獻(xiàn)［7］提出結(jié)合“激光掃描+傾斜攝影+人工建模”的技術(shù)方案，實(shí)現(xiàn)地上地下、室內(nèi)室外精細(xì)化的部件級(jí)三維模型的建設(shè)。

綜上所述，為了提高模型和優(yōu)化模型質(zhì)量，本研究融合上述多種建模方法的優(yōu)勢(shì)，基于傾斜攝影測(cè)量，在前期影像的獲取、模型自動(dòng)構(gòu)建以及后期模型處理階段，分別進(jìn)行優(yōu)化處理，以達(dá)到優(yōu)化實(shí)景三維模型的目的。

01

實(shí)景三維模型的優(yōu)化

1.1 技術(shù)流程

首先對(duì)測(cè)區(qū)進(jìn)行資料收集，分析測(cè)區(qū)的地形及建筑物分布情況，進(jìn)行航線設(shè)計(jì)及空域申請(qǐng)；其次利用無(wú)人機(jī)搭載五鏡頭相機(jī)進(jìn)行傾斜攝影測(cè)量和像控點(diǎn)測(cè)量工作；最后對(duì)獲取的傾斜影像進(jìn)行預(yù)處理及空中三角測(cè)量、點(diǎn)云密集匹配及紋理自動(dòng)映射，生產(chǎn)大場(chǎng)景的實(shí)景三維模型［8-9］。實(shí)景模型優(yōu)化的技術(shù)方法如下：

1）影像采集階段。針對(duì)建筑密集區(qū)域及遮擋嚴(yán)重的區(qū)域、高層建筑物、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的建筑，采用加大重疊度、交叉飛行等方式優(yōu)化航線設(shè)計(jì)。針對(duì)古建筑或重點(diǎn)建筑，采用貼近攝影測(cè)量［10］進(jìn)行繞飛。

2）模型自動(dòng)構(gòu)建階段。針對(duì)影像的色差色調(diào)不一致等問題，采用勻光勻色進(jìn)行處理。多源數(shù)據(jù)融合處理流程：分別對(duì)高空（常規(guī)的傾斜攝影測(cè)量數(shù)據(jù)）、低空（貼近攝影測(cè)量）數(shù)據(jù)進(jìn)行空三處理；融合高空與低空的空三進(jìn)行多尺度的聯(lián)合平差；進(jìn)行整體空三處理及三維模型構(gòu)建［11］。

3）模型的后期優(yōu)化。在實(shí)景三維模型的基礎(chǔ)上利用傾斜攝影三維建模軟件（digital photo modeler，DP-Modeler）對(duì)實(shí)景三維模型進(jìn)行模型修飾，具體包括道路修飾、水面修飾、懸浮物處理、建筑物修飾。針對(duì)局部重點(diǎn)建筑區(qū)域采用外業(yè)拍照進(jìn)行單體化建模，具體技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 技術(shù)流程圖

1.2 影像質(zhì)量控制及優(yōu)化

影像采集階段，受測(cè)區(qū)面積廣、采集周期長(zhǎng)、場(chǎng)景復(fù)雜，以及空域申請(qǐng)時(shí)段受限、航飛周期久，還有天氣、季節(jié)、地形地物等多重因素影響，獲取的影像質(zhì)量易受氣候、光照、建筑物遮擋、云層遮擋等問題干擾。針對(duì)這一情況，航飛環(huán)節(jié)主要通過(guò)嚴(yán)格把控影像采集的時(shí)間與氣候條件來(lái)管控影像質(zhì)量，既要保障光線充足，又要避免出現(xiàn)曝光過(guò)度的問題。

在影像處理階段，針對(duì)不同架次獲取的原始影像色調(diào)不一致的問題，主要利用PS軟件對(duì)原始影像色差較大的影像進(jìn)行勻光勻色，達(dá)到批量處理色調(diào)、色彩一致的目的。

1.3 優(yōu)化航飛設(shè)計(jì)

在航飛設(shè)計(jì)階段，要結(jié)合測(cè)區(qū)的地形地貌及建筑物分布情況、飛機(jī)和相機(jī)的性能，合理設(shè)計(jì)航線。

在建筑稀少區(qū)域、無(wú)高層建筑物，同時(shí)地形高差不大時(shí)，一般對(duì)重疊度的設(shè)計(jì)不小于70%。

建筑密集區(qū)域以及高層建筑區(qū)域存在比較嚴(yán)重的遮擋現(xiàn)象，按照常規(guī)的傾斜攝影，模型會(huì)存在幾何粘連及紋理拉花、扭曲變形等現(xiàn)象，為提高建筑密集區(qū)域影像采集質(zhì)量，采取加大影像的重疊度，影像重疊度最多可設(shè)計(jì)為80%～90%。當(dāng)高層建筑物的高度大于航攝高度的1/4 時(shí)，可采用增加影像重疊度和交叉飛行進(jìn)行優(yōu)化。

1.4 多源數(shù)據(jù)的融合處理

針對(duì)雕塑、古建筑等結(jié)構(gòu)復(fù)雜的建筑，常規(guī)的傾斜攝影生產(chǎn)的模型可能存在變形、漏洞和紋理效果差的問題，無(wú)法清晰地展示模型的細(xì)節(jié)，貼近攝影測(cè)量能夠有效地彌補(bǔ)這些不足。貼近攝影測(cè)量利用旋翼無(wú)人機(jī)貼近獲取超高分辨率影像，進(jìn)行精細(xì)化的數(shù)據(jù)處理，可高度還原地物精細(xì)結(jié)構(gòu)，紋理細(xì)節(jié)更豐富，有效彌補(bǔ)了常規(guī)傾斜攝影無(wú)法達(dá)到的精細(xì)度要求［12-15］。

首先，對(duì)整個(gè)測(cè)區(qū)開展常規(guī)傾斜攝影測(cè)量與像控點(diǎn)測(cè)量；其次，針對(duì)重點(diǎn)建筑實(shí)施貼近攝影測(cè)量與像控點(diǎn)測(cè)量；最后，以建筑物為中心，通過(guò)不同高度分層環(huán)繞飛行，多角度、多層次采集紋理信息。分別對(duì)常規(guī)傾斜影像與低空影像數(shù)據(jù)進(jìn)行空三解算，待兩類數(shù)據(jù)的空三精度均滿足要求后，通過(guò)添加連接點(diǎn)完成空三融合、點(diǎn)云融合與紋理自動(dòng)映射，生產(chǎn)重點(diǎn)區(qū)域模型成果，最終實(shí)現(xiàn)局部模型的優(yōu)化，得到細(xì)節(jié)更豐富、紋理更清晰的實(shí)景三維模型。

1.5 實(shí)景三維模型優(yōu)化

利用Context Capture 或大勢(shì)智慧等建模軟件自動(dòng)生產(chǎn)的實(shí)景三維模型，由于傾斜攝影技術(shù)的局限性以及在遮擋區(qū)域、弱紋理區(qū)域、反光材質(zhì)區(qū)域等，生產(chǎn)的實(shí)景三維模型存在失真、拉花、扭曲、變形、破洞，且道路起伏變化較大等問題，嚴(yán)重影響了模型的視覺效果及成像精度，需要對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化處理，利用軟件對(duì)原始模型進(jìn)行編輯處理［16-17］，具體包括以下內(nèi)容：

1）懸浮物刪除，對(duì)不明懸浮物以及不可識(shí)別的懸浮物進(jìn)行刪除處理。

2）水面修飾，對(duì)明顯凹凸的區(qū)域進(jìn)行置平處理，并對(duì)破洞進(jìn)行修補(bǔ)。

3）道路修飾，對(duì)明顯凹凸不平或停放破損車輛的區(qū)域進(jìn)行踏平處理，對(duì)道路存在破洞的區(qū)域進(jìn)行修補(bǔ)。

4）建筑的處理，由于遮擋、反光以及結(jié)構(gòu)復(fù)雜等原因?qū)е陆ㄖ锎嬖诩y理模糊、結(jié)構(gòu)變形、粘連以及破洞等問題，可以根據(jù)模型質(zhì)量與項(xiàng)目需求，按照不同級(jí)別進(jìn)行修飾處理或單體化［18］處理。

單體化處理的流程：基于實(shí)景三維模型，根據(jù)不同級(jí)別的模型細(xì)節(jié)要求，利用軟件構(gòu)建模型相應(yīng)級(jí)別細(xì)節(jié)的幾何結(jié)構(gòu)，通過(guò)傾斜紋理自動(dòng)映射或外業(yè)拍照，獲取建筑物的紋理信息，最終生成單體化成果，同時(shí)對(duì)原始建筑模型進(jìn)行踏平處理，單體化成果需要與踏平后的模型成果進(jìn)行融合，融合后的單體化模型，既不能懸浮也不能插入太深，需要與地面完整貼合。

02

實(shí)例驗(yàn)證

2.1 實(shí)驗(yàn)區(qū)及數(shù)據(jù)源

本研究選取新昌縣中心城區(qū)為研究區(qū)，測(cè)區(qū)面積20 km2。研究區(qū)以丘陵地形為主，水域分布較廣，建筑密集區(qū)域居多；區(qū)域內(nèi)既存在古建筑、高層建筑、玻璃幕墻建筑等形制不規(guī)則或結(jié)構(gòu)復(fù)雜的建（構(gòu)）筑物，部分商業(yè)街還存在人車流量大、植被茂密的問題，且區(qū)域內(nèi)遮擋現(xiàn)象較為嚴(yán)重。

根據(jù)研究區(qū)的地形及測(cè)區(qū)情況，本項(xiàng)目采用大疆M300 多旋翼無(wú)人機(jī)和垂起復(fù)合翼MD-25無(wú)人機(jī)搭載SHARE 202S 傾斜相機(jī)開展常規(guī)傾斜航空攝影，垂起固定翼無(wú)人機(jī)對(duì)測(cè)區(qū)內(nèi)房屋稀疏及高差較小的區(qū)域執(zhí)行傾斜航攝任務(wù)，多旋翼無(wú)人機(jī)對(duì)測(cè)區(qū)內(nèi)地形復(fù)雜、建筑密集及高樓區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)飛。航飛時(shí)間為10：00—15：00，獲取地面分辨率優(yōu)于2.5 cm 的傾斜影像，相對(duì)航高為212 m，常規(guī)的航向重疊和旁向重疊為75%～80%，建筑密集區(qū)域，重疊度設(shè)計(jì)為85%，航攝總歷時(shí)為3 個(gè)月，本項(xiàng)目一共布設(shè)289 個(gè)像控點(diǎn)，布設(shè)間距約300 m。

對(duì)重點(diǎn)區(qū)域的古建筑及雕塑等結(jié)構(gòu)復(fù)雜的建筑物，采用貼近攝影測(cè)量進(jìn)行分層繞飛，利用大疆精靈無(wú)人機(jī)對(duì)支遁雕塑和天姥閣進(jìn)行環(huán)繞攝影，采集地面分辨率優(yōu)于2 cm 的影像，以建筑物為中心，首先在建筑物上空約10 m 處進(jìn)行繞飛，依次降低10 m 重復(fù)分層繞飛，直至距離地面約10 m 處停止繞飛，影像重疊度優(yōu)于70%，同時(shí)在周圍布設(shè)明顯地物像控點(diǎn)。

在航飛實(shí)施階段本項(xiàng)目主要采用控制航飛的影像采集時(shí)間和影像的采集質(zhì)量，針對(duì)高樓區(qū)域采取中午前后航飛或陰天航飛，在建筑密集區(qū)域采取加大重疊度以及補(bǔ)飛等多種方式，減少陰影面積，減少模型的變形與紋理的拉花等，達(dá)到提升模型質(zhì)量的目的。

外業(yè)像控點(diǎn)測(cè)量和傾斜影像數(shù)據(jù)采集完成后，影像進(jìn)行勻光勻色處理后，以多視傾斜影像、POS 數(shù)據(jù)及像片控制測(cè)量成果為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源，利用RealityCapture 軟件進(jìn)行空中三角測(cè)量解算，同時(shí)對(duì)貼近攝影測(cè)量成果進(jìn)行空三處理，融合兩種空三成果，利用Context Capture 軟件進(jìn)行點(diǎn)云密集匹配處理、三角網(wǎng)mesh模型的生成、紋理映射，自動(dòng)化構(gòu)建實(shí)景三維模型和局部區(qū)域的精細(xì)化實(shí)景三維模型。

為了提升模型的整體效果，利用DP-Modeler軟件對(duì)實(shí)景三維模型進(jìn)行常規(guī)的模型優(yōu)化修飾，具體內(nèi)容包括刪除懸浮物、水面優(yōu)化處理、道路踏平、車輛修飾及建筑物修飾等。

當(dāng)建筑存在嚴(yán)重的破洞、扭曲、紋理缺失的情況，必須對(duì)建筑模型進(jìn)行優(yōu)化，簡(jiǎn)單的破洞問題可以利用軟件進(jìn)行修復(fù)處理，由于遮擋導(dǎo)致建筑物的粘連問題、紋理缺失、重點(diǎn)建筑的精細(xì)化建模等問題需要通過(guò)單體化補(bǔ)充外業(yè)拍照進(jìn)行解決［19］，基于實(shí)景三維模型利用DP-Modeler 軟件進(jìn)行模型的構(gòu)建，不但保留了模型的位置精度，而且提升了模型的紋理質(zhì)量和幾何美觀效果。

2.2 結(jié)果與分析

本項(xiàng)目在航飛階段，對(duì)建筑密集區(qū)域加大重疊度，控制航飛的采集時(shí)間及天氣狀況，針對(duì)重點(diǎn)區(qū)域的古建筑物采用貼近攝影測(cè)量獲取高分辨率的影像，達(dá)到控制影像的質(zhì)量；在模型生產(chǎn)階段，主要通過(guò)勻光勻色、多源數(shù)據(jù)融合處理，達(dá)到提升局部重點(diǎn)模型的效果；在模型后處理階段，通過(guò)模型修飾及單體化，達(dá)到提升模型紋理質(zhì)量和美觀的效果。

為了驗(yàn)證新昌縣的實(shí)景三維模型精度，針對(duì)實(shí)景三維模型，外業(yè)實(shí)測(cè)188個(gè)檢查點(diǎn)，利用外業(yè)實(shí)測(cè)的檢查點(diǎn)與每個(gè)檢查點(diǎn)對(duì)應(yīng)位置的模型坐標(biāo)進(jìn)行質(zhì)量檢查和精度評(píng)定［20］，實(shí)景三維傾斜模型平面位置中誤差為0.07 m，高程中誤差為0.06 m。點(diǎn)位精度符合技術(shù)設(shè)計(jì)要求，質(zhì)量良好。

同時(shí)，利用全站儀和實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位（real time kinematic，RTK）測(cè)量設(shè)備對(duì)天姥閣選取11個(gè)特征點(diǎn)作為檢查點(diǎn)，分別對(duì)常規(guī)傾斜攝影和貼近攝影測(cè)量多源數(shù)據(jù)融合后的模型精度進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明：常規(guī)傾斜攝影的平面中誤差為0.24 m，高程中誤差為0.15 m；而多源數(shù)據(jù)融合后的模型平面中誤差為0.11 m，高程中誤差為0.08 m。由此可見，多源數(shù)據(jù)融合方法的模型精度有較大的提高。

同時(shí)對(duì)比貼近攝影測(cè)量融合處理前后的模型效果，優(yōu)化后的模型幾何結(jié)構(gòu)更完整，細(xì)節(jié)更逼真，紋理質(zhì)量更加清晰和細(xì)膩。

對(duì)比單體化前后的優(yōu)化效果，整體幾何結(jié)構(gòu)更完整，紋理效果更加清晰且美觀。

模型優(yōu)化的效果如圖2～圖4所示。

圖2 貼近攝影測(cè)量融合處理前后對(duì)比

圖3 貼近攝影測(cè)量融合處理前后對(duì)比圖

圖4 單體化前后對(duì)比圖

03

結(jié)束語(yǔ)

本文在三維建模前期影像的獲取、模型自動(dòng)構(gòu)建以及后期模型處理階段，提出了多種方法對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化，用戶可以根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的方法，有效解決了局部三維模型優(yōu)化問題，為實(shí)景三維的新型基礎(chǔ)測(cè)繪建設(shè)提供了一定的技術(shù)參考。

然而，當(dāng)前大面積精細(xì)化實(shí)景三維建模仍然存在一定的困難和問題，同時(shí)實(shí)景三維模型越精細(xì)數(shù)據(jù)量越大，加載和瀏覽存在困難，導(dǎo)致文件過(guò)于破碎，后續(xù)將加大在模型輕量化處理研究以及在城市規(guī)劃中的應(yīng)用力度。

引文格式：譚玲，田衛(wèi)方，王延倉(cāng)，等. 基于傾斜攝影測(cè)量實(shí)景三維模型優(yōu)化的技術(shù)［J］. 北京測(cè)繪，2026，40（2）：190-194.

作者簡(jiǎn)介：譚玲（1986—），女，浙江杭州人，碩士，工程師，研究方向?yàn)閷?shí)景三維及新型基礎(chǔ)測(cè)繪

來(lái)源：北京測(cè)繪雜志社會(huì)