李永利 盧小平 侯 岳

傾斜影像三維建模方法與應(yīng)用

李永利1盧小平1侯 岳2

（1.河南理工大學(xué)測(cè)繪與國(guó)土信息工程學(xué)院，河南 焦作 454003；2.河南省測(cè)繪工程院，河南 鄭州 450003）

隨著無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的迅速發(fā)展，實(shí)景三維模型逐漸成為眾多行業(yè)進(jìn)行各種需求分析的重要數(shù)據(jù)源，精細(xì)化實(shí)景快速三維建模技術(shù)也成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。本文基于無(wú)人機(jī)傾斜影像數(shù)據(jù)，建立基于Smart 3D平臺(tái)的實(shí)景快速三維建模方法與技術(shù)流程，并利用舞鋼市的傾斜攝影數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用與驗(yàn)證，結(jié)果證明：該方法具有自動(dòng)化程度高、三維建模速度快、真實(shí)度效果好等特點(diǎn)。

無(wú)人機(jī)；Smart 3D；實(shí)景三維建模；傾斜攝影

近年來(lái)，傾斜攝影技術(shù)在現(xiàn)代測(cè)繪技術(shù)領(lǐng)域取得了蓬勃發(fā)展，尤其在國(guó)土測(cè)繪、智慧城市、災(zāi)害應(yīng)急等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。傾斜攝影技術(shù)通過(guò)在同一飛行平臺(tái)上搭載多個(gè)傳感器（1個(gè)垂直攝影相機(jī)、4個(gè)傾斜攝影相機(jī)），從而獲取地物頂面及側(cè)面的紋理信息［1-2］。其中，4個(gè)傾斜相機(jī)的傾斜角度為40°～45°，傳感器上方安置的機(jī)載POS系統(tǒng)可在曝光瞬間獲取較為準(zhǔn)確的外方位元素。傾斜攝影測(cè)量技術(shù)可以獲取大范圍、高精度、高清晰的復(fù)雜場(chǎng)景影像，并通過(guò)快速建模技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)三維地物的外觀、坐標(biāo)等屬性的真實(shí)描述，既滿足了人們對(duì)三維信息的需求，同時(shí)又增強(qiáng)了三維數(shù)據(jù)所帶來(lái)的真實(shí)感，并且能達(dá)到測(cè)繪精度［3-4］。傾斜攝影技術(shù)有效提高了三維建模的生產(chǎn)效率，大大降低了三維模型數(shù)據(jù)采集的經(jīng)濟(jì)成本和時(shí)間代價(jià)［5］。目前，國(guó)內(nèi)外已廣泛開(kāi)展了傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用，傾斜攝影建模數(shù)據(jù)也逐漸成為城市地理空間框架建設(shè)的重要內(nèi)容。

本文基于Smart 3D軟件對(duì)高精度實(shí)景三維建模方法進(jìn)行研究，利用無(wú)人機(jī)搭載五鏡頭傾斜攝影獲取空間影像信息，僅通過(guò)少量的人工干預(yù)實(shí)現(xiàn)三維模型的快速精確建模。

1 基于Smart 3D的傾斜攝影三維建模

Smart 3D軟件由主控臺(tái)和引擎端兩大模塊組成，可以快速、直觀地實(shí)現(xiàn)從一組傾斜影像構(gòu)建全要素精細(xì)并帶有紋理的三維網(wǎng)格模型，快速還原真實(shí)場(chǎng)景，具有建?？焖?、逼真等優(yōu)勢(shì)［6］。

1.1 基于Smart 3D的傾斜攝影三維建模原理

Smart 3D三維建模的原理是區(qū)域網(wǎng)聯(lián)合平差及多視角影像匹配，軟件通過(guò)空三加密解算出大量連接點(diǎn)，并據(jù)此構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)TIN、生成三維框模，通過(guò)三維模型與影像真實(shí)空間信息，實(shí)現(xiàn)三維模型表面紋理的自動(dòng)映射，從而建立具有真實(shí)、自然紋理的高分辨率實(shí)景三維模型［7］。

1.2 基于Smart 3D的傾斜攝影三維模型數(shù)據(jù)及特點(diǎn)

由于傾斜影像具有高分辨率、高重疊度，能生成高度密集且數(shù)量巨大的稠密點(diǎn)云，參與模型計(jì)算的數(shù)據(jù)量過(guò)大［8］，因此，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行適量簡(jiǎn)化，然后構(gòu)建TIN，實(shí)現(xiàn)三維模型的快速生產(chǎn)。Smart 3D生產(chǎn)出來(lái)的傾斜模型自帶多級(jí)LOD，一般至少有五六層，多則達(dá)到10層以上。

此外，Smart 3D具有廣泛的數(shù)據(jù)源兼容性，能接受各種硬件采集的原始數(shù)據(jù)，如大型固定翼飛機(jī)、載人直升機(jī)、各種無(wú)人機(jī)、街景車、手持式數(shù)碼相機(jī)甚至手機(jī)等，并直接將這些數(shù)據(jù)還原成連續(xù)真實(shí)的三維模型。

Smart 3D的模型輸出格式有obj、osgb、dae等通用兼容格式，能方便導(dǎo)入各種主流GIS應(yīng)用平臺(tái)，可生成超過(guò)20級(jí)金字塔級(jí)別的模型精度等級(jí)，能流暢應(yīng)對(duì)本地訪問(wèn)或是基于互聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程訪問(wèn)瀏覽。

1.3 基于Smart 3D的傾斜攝影三維建模處理流程

基于Smart 3D的傾斜攝影三維建?；玖鞒桃?jiàn)圖1。

圖1 Smart 3D建模流程圖

①準(zhǔn)備工作。在進(jìn)行三維建模前，需對(duì)原始影像數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，并根據(jù)相機(jī)參數(shù)、POS信息等，按照一定的格式創(chuàng)建一個(gè)Excel表，即EO文件，該文件為索引文件，將影像導(dǎo)入軟件以便進(jìn)行后期處理。傾斜多角度影像數(shù)據(jù)是將原始影像按照各個(gè)相機(jī)進(jìn)行分組，并以分組形式存放在指定目錄，相機(jī)的cammera文件與圖片的POS數(shù)據(jù)作為輔助數(shù)據(jù)能有效提高空三處理效率及精度。

②空三加密。從影像中自動(dòng)提取出大量特征點(diǎn)，并對(duì)這些特征點(diǎn)進(jìn)行多視角同名點(diǎn)匹配，反算出每張影像的外方位元素。空三加密完成后，可以查看整個(gè)航帶的飛行情況、空三點(diǎn)的位置密度、每張影像的相對(duì)位置及覆蓋范圍方位角等信息。

③控制點(diǎn)導(dǎo)入?？刂泣c(diǎn)導(dǎo)入后需要再次進(jìn)行空三加密，如果第一次空三加密前通過(guò)EO文件導(dǎo)入Block，則可省去再次空三加密。通常情況下，選擇空三加密后導(dǎo)入控制點(diǎn)是因?yàn)閮纱慰杖用芩钑r(shí)間比導(dǎo)入控制點(diǎn)后進(jìn)行一次空三加密少，且還可以通過(guò)空三加密出來(lái)的航帶信息，快速找到控制點(diǎn)在哪些圖片上，減少控制點(diǎn)的刺點(diǎn)時(shí)間。

④模型貼圖。通過(guò)選擇tile的尺寸大小對(duì)模型進(jìn)行分塊，并將Smart 3D計(jì)算結(jié)果不理想的或空洞部分導(dǎo)出到第三方軟件里進(jìn)行修改編輯，達(dá)到減少數(shù)據(jù)導(dǎo)出量，快速整合數(shù)據(jù)、更新數(shù)據(jù)的目的。將修改后的模型通過(guò)Smart 3D回爐功能重新整合輸出，最終實(shí)現(xiàn)實(shí)景三維的建立。

2 舞鋼市傾斜攝影三維建模應(yīng)用

本次試驗(yàn)以舞鋼市為研究對(duì)象，通過(guò)ARC-524傾斜相機(jī)獲取高清影像，包含1個(gè)正視和4個(gè)側(cè)視數(shù)據(jù)。任務(wù)區(qū)面積為7.7km2，平均飛行高度為250m，共分為5個(gè)測(cè)區(qū)，包含18個(gè)架次，總計(jì)18 435張影像。空三處理效果如圖2所示。

圖2 空三效果

三維重建，通過(guò)紋理自動(dòng)映射進(jìn)行紋理貼圖，形成最終的具有真實(shí)紋理信息的三維模型，其生產(chǎn)過(guò)程如圖3所示。

舞鋼市傾斜攝影三維建模，采用DELLT5600臺(tái)式計(jì)算機(jī)，建模面積為7.7km2，共運(yùn)行21天，模型處理速度平均為：0.06km2/（天·臺(tái)）。與傳統(tǒng)的模型對(duì)比，Smart 3D具有如下優(yōu)勢(shì)（見(jiàn)表1）。

3 結(jié)語(yǔ)

本文主要介紹了利用傾斜攝影技術(shù)自動(dòng)構(gòu)建三維模型的原理和流程，并以舞鋼市傾斜數(shù)據(jù)為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。結(jié)果表明：Smart 3D打破了智慧城市建設(shè)過(guò)程中存在的城市三維模型采集制作周期長(zhǎng)、建模費(fèi)用高、測(cè)量精度差、感官不真實(shí)等問(wèn)題，為智慧城市提供了高效、真實(shí)的數(shù)據(jù)支持。

圖3 三維模型

表1 Smart 3D與傳統(tǒng)建模的對(duì)比

［1］沈大勇，楊正銀，李躍宇.震后北川縣城三維建模方法研究［J］.測(cè)繪，2011（6）：259-262.

［2］孫宏偉.基于傾斜攝影技術(shù)的三維數(shù)字城市建模［J］.現(xiàn)代測(cè)繪，2014（1）：18-21.

［3］桂德竹，林宗堅(jiān)，張成成.傾斜航空影像的城市建筑物三維模型構(gòu)建研究［J］.測(cè)繪科學(xué)，2012（4）：140-142.

［4］李鎮(zhèn)洲，張學(xué)之.基于傾斜攝影測(cè)量技術(shù)快速建立城市3維模型研究［J］.測(cè)繪與空間地理信息，2012（4）：117-119.

［5］朱鐵穩(wěn)，王勇.大傾斜航空攝影圖像地理坐標(biāo)賦予方法［J］.海洋測(cè)繪，2010（4）：23-26.

［6］王偉，黃雯雯，鎮(zhèn)姣.傾斜攝影技術(shù)及其在三維城市建模中的應(yīng)用［J］.測(cè)繪與空間地理信息，2011（3）：181-183.

［7］張?bào)K，高釗，陳蓉.基于Leica RCD 30傾斜航攝儀和Smart 3D技術(shù)快速進(jìn)行三維實(shí)景生產(chǎn)［J］.測(cè)繪技術(shù)裝備，2014（3）：61-64.

［8］曲林，馬洋，支玲美，等.基于無(wú)人機(jī)傾斜攝影數(shù)據(jù)的實(shí)景三維建模研究［J］.測(cè)繪與空間地理信息，2015（3）：38-39.

Three Dimensional Modeling Method and Application of Oblique Image

Li Yongli1Lu Xiaoping1Hou Yue2
（1.College of Surveying and Land Information Engineering,Henan Polytechnic University，Jiaozuo Henan 454003；2.Henan Institute of Surveying and Mapping，Zhengzhou Henan 450003）

With the rapid development of photography without tilting the UAV real 3D model has gradually become an important data source for many industries demand analysis,fine real fast 3D modeling technolo?gy has become a hotspot of current research.The unmanned aerial vehicle based on the image data,estab?lished the Smart 3D platform and real fast 3D modeling method based on workflow technology,and has been applied and verified by oblique photography data of Wugang City,the results showed that the method has the characteristics of high degree of automation,3D modeling speed,real good.

UAV；smart 3D；3D modeling；oblique photography

P231

A

1003-5168（2017）10-0030-03

2017-09-02

李永利（1982-），男，本科，工程師，研究方向：機(jī)載lidar以及無(wú)人機(jī)航攝。