倪少華，姜志哲，徐慶

(1.秦皇島市城市規(guī)劃管理信息中心，河北 秦皇島 066001；2.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，陜西 西安 710065； 3.常州市測繪院，江蘇 常州 213002)

1 前 言

傾斜攝影測量三維建模技術是測繪遙感領域近些年發(fā)展起來的一項高新技術，實現(xiàn)了城市三維建模由“假三維”變成“真三維”。它以大范圍、高精度、高清晰的方式全面感知復雜場景，通過高效的數(shù)據(jù)采集設備及專業(yè)的數(shù)據(jù)處理軟件生成數(shù)據(jù)成果，直觀地反映了地物的外觀、位置、高度等信息，為真實效果和測繪精度提供保證。具有建模成本低、周期短、數(shù)據(jù)量小等優(yōu)點，是城市實景三維建模的主流技術。

傾斜攝影三維建模雖然有諸多優(yōu)勢，但作為近年來的一項新興技術，在實際的生產(chǎn)應用中也存在一些問題。例如，由于航攝盲區(qū)造成三維模型會存在空洞區(qū)域，尤其是水面區(qū)域；空三階段，因像片及POS參數(shù)的質(zhì)量問題，會出現(xiàn)匹配錯誤以及點位不足等情況，導致三維模型的空洞；還有三維場景中存在懸浮的植被、燈桿等；這些問題都需要后期通過手動修補優(yōu)化，才能滿足精細化三維建模的需求。

本文就利用傾斜攝影測量三維建模技術開展了秦皇島市主城區(qū) 1∶1 000城市實景三維模型數(shù)據(jù)采集實踐和分析，對傾斜攝影三維建模數(shù)據(jù)生產(chǎn)和后期處理有一定的參考意義和實用價值。

2 項目實施

2.1 任務概況

為滿足秦皇島市基礎測繪、城市規(guī)劃、建設、管理和國土資源調(diào)查需要，秦皇島市開展了建成區(qū) 1∶1 000城市實景三維模型數(shù)據(jù)生產(chǎn)及建庫工作。本項目實施區(qū)域為秦皇島市，位于華北與東北過渡地帶、河北省的東北部，實測范圍涵蓋了北戴河區(qū)、海港區(qū)、山海區(qū)，建筑物密集，充分反映了秦皇島市整體城市面貌。本項目設計實施區(qū)域為 95 km，實際航攝建模區(qū)域面積為 99 km，具體航攝范圍如圖1所示。

圖1 航攝范圍圖

根據(jù)本項目生產(chǎn)1∶1 000城市三維模型數(shù)據(jù)的特點，屬于大比例尺數(shù)據(jù)的采集，因此選用運-5運輸機作為飛行平臺。航攝任務使用RCD30傾斜相機作為傾斜攝影系統(tǒng)，它是適用于全景相機和遙感應用中唯一的中幅面相機。RCD30數(shù)字航空傾斜攝影儀區(qū)別于傳統(tǒng)的豎直航攝，除一個子相機獲取正下方影像外，還可同時從前后左右4個方向以45°傾斜角度對地面進行拍攝，得到被拍攝物的多視角影像、建筑物墻體真實紋理，可廣泛用于數(shù)字城市、數(shù)字地球、智慧城市等的基礎地理空間框架建設。此外，徠卡RCD30還配備了完整的數(shù)據(jù)后處理軟件，能高效完成最終產(chǎn)品提交。

2.2 機載POS系統(tǒng)及飛行管理系統(tǒng)

項目采用機載POS——慣性定位及定向系統(tǒng)(IMU、GPS組合系統(tǒng))(POS AV 510)為航空數(shù)字攝影系統(tǒng)提供機載POS系統(tǒng)服務功能。機載POS AV 510系統(tǒng)是Applanix公司制造的慣性定位定向系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)降低了空三加密的需要，減少對地面控制點的需求，方便了數(shù)據(jù)生產(chǎn)質(zhì)量的控制。它能夠直接獲取航空攝影測量數(shù)據(jù)的外定向元素，高速和高精度處理定位、速度、俯仰、滾動和偏流數(shù)據(jù)，為航空數(shù)據(jù)生產(chǎn)極大地節(jié)約了時間和成本，提高了項目的運行效率。

2.3 空中三角測量

本項目空三加密處理采用Leica研發(fā)的LeicaPostProcessing軟件對原始影像數(shù)據(jù)進行輻射校正，然后采用空中三角測量軟件進行空三加密。

(1)主要技術指標

①平面位置中誤差：內(nèi)業(yè)加密點和地物點，相對于最近野外控制點的圖上點位中誤差如表1所示。

加密點對最近野外控制點平面位置中誤差 表1

②高程中誤差：內(nèi)業(yè)加密點、高程注記點和等高線對最近野外控制點的高程中誤差不得大于表2規(guī)定。

加密點對最近野外控制點高程中誤差 表2

以上中誤差的兩倍為限差。

通過空三加密過程，對于內(nèi)業(yè)檢核無誤的外業(yè)像控成果，直接使用外業(yè)測量數(shù)據(jù)提供下工序使用。

(2)空三加密工作流程

采用Z/I ImageStation Automatic Triangulation 5.1空三加密的工作流程如圖2所示。

本項目采用地面控制點與POS系統(tǒng)獲取的EO(外方位元素)，通過光束法區(qū)域網(wǎng)整體聯(lián)合平差得到空三加密成果，使得平均每立體像對的加密點都約為20個，分別按1個空三分區(qū)進行聯(lián)合平差。平差統(tǒng)計的平面和高程精度如表3所示。

圖2 空三加密流程圖

空三精度驗證簡要描述 表3

檢查點及像控點位置、基線數(shù)滿足要求。像控點刺點位置與實測位置一致。檢查GPS測量像控點精度，符合像控點測量成果資料的檢查要求。

2.4 自動建模

三維建模數(shù)據(jù)處理過程包括平差點提取、平差處理、三維模型構建、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換等。數(shù)據(jù)處理用到的輸入數(shù)據(jù)包括原始航飛影像、影像的外方位元素、相機參數(shù)、控制點數(shù)據(jù)、測區(qū)邊界等。平差處理的主要目的是實現(xiàn)所有圖像數(shù)據(jù)的絕對定向，建立絕對位置關系，為三維建模提供絕對定向參數(shù)。經(jīng)過空三加密后獲取了大量高密度的點云數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行切塊分割，對分割的區(qū)塊內(nèi)的密集點云構建不規(guī)則三角網(wǎng)TIN，并生成無紋理的城市實景三維模型(即白模)?；赟mart3D強大的紋理映射算法對每個模型的三角面自動賦予紋理，效果如圖3～圖5所示。

圖3 TIN網(wǎng)構建圖

圖4 白模三維模型圖

圖5 紋理貼圖后的三維模型圖

3 模型后期修復

受分辨率、視線遮擋、目標運動、建筑物結(jié)構特殊性、弱紋理等因素的影響，導致三維模型成果中出現(xiàn)3D漏洞、模型扭曲、紋理缺失、模型粘連、孤立懸浮物等質(zhì)量問題，影響實景三維模型的瀏覽效果，這些問題都需要手動修補優(yōu)化，才能滿足精細化三維建模的需求。模型后期處理軟件主要包括3ds Max、Geomagics、Meshmixer等，本文主要討論利用3ds Max軟件進行模型二次修復的方法。

3.1 模型問題分類

因本項目建模區(qū)域大，必須依據(jù)模型所在區(qū)域的位置及模型類型，準確定義模型錯誤的分類及處理辦法，針對模型數(shù)據(jù)實際存在的貼圖模糊、扭曲，結(jié)構錯誤、空洞、粘連等情況，將模型存在問題主要分為以下幾種，如圖6～圖9所示。

圖6 貼圖模糊

圖7 結(jié)構破損

圖8 漂浮物

圖9 模型空洞

3.2 模型修改流程

3.2.1 將obj格式的三維數(shù)據(jù)導入3ds Max中

將obj文件導入3ds Max中有兩種方式，一是單個文件導入，二是批量文件導入。

(1)單個文件導入方式

①啟動3ds Max程序后，點file——import，打開導入文件對話框，按照順序依次導入obj文件。

②導入文件參數(shù)設置

取消勾選Rotate model，保證模型Y軸不反轉(zhuǎn)；取消勾選Unify，保證模型法線正確；其他為默認勾選狀態(tài)。

(2)批量文件導入方式

①啟動3ds Max程序后，點MAXScript → New Script，打開的編輯器中輸入一段代碼(從略)修改obj文件存放路徑；

②ctrl+s保存該script文件并命名為obj.ms；

③點擊MAXScript → Run Script，選擇保存的obj.ms文件，點擊Open即可。

3.2.2 瓦片數(shù)據(jù)編輯

通過3ds Max軟件的點線面編輯工具，對模型的缺失進行修補，凹凸不平進行拉平，冗余進行刪除。

(1)漂浮物及冗余刪除

首先在max里將模型轉(zhuǎn)換成線框模式，在多邊形網(wǎng)格層級選中頂點或面片層級，選中冗余部分進行刪除即可。

(2)凹凸及粘連拉平

首先在頂點級別選中需要處理的所有頂點，然后點Weld面板上的Collapse(塌陷)命令，將其變成一個頂點，其次修改頂點高度與地面高度相符合，最后切換到頂視圖，移動頂點到合適的位置即可。

3.3 模型修改前后效果對比

利用上述方法對模型存在問題進行修復，處理后模型前后對比效果如圖10～圖13所示。

圖10 漂浮物處理

圖11模型空洞處理

圖12 建筑破損處理

圖13 模型貼圖模糊處理

4 結(jié) 論

本文根據(jù)秦皇島市1∶1 000傾斜攝影實景三維建模項目，利用傾斜攝影測量技術，總結(jié)了生產(chǎn)城市實景三維模型數(shù)據(jù)的實施方案，在實現(xiàn)建筑物的正射影像與其立面紋理的結(jié)合，高效快速的三維建模以及用手工方式對模型進行修補優(yōu)化以精細化三維建模等方面進行了討論。指出傾斜攝影技術建模能大大降低城市三維實景模型數(shù)據(jù)采集的時間和費用，具有很好的應用前景。