曹瀟雷 董燕

摘? 要： 隨著無人機技術(shù)、傾斜攝影測量技術(shù)和三維建模技術(shù)的快速發(fā)展，無人機傾斜攝影測量技術(shù)已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于測繪領(lǐng)域。無人機傾斜攝影測量技術(shù)實現(xiàn)三維建模已經(jīng)成為一種趨勢。本文通過研究ContextCapture軟件實現(xiàn)快速建模的建模過程，對建模過程中存在的問題進行總結(jié)并提出合理化的建議，實現(xiàn)三維模型的高效快速，對推動全自動化快速建模的發(fā)展具有重要的意義。

關(guān)鍵詞： ContextCapture;無人機;傾斜攝影;建模方法

【Abstract】： With the rapid development of drone technology， tilt photogrammetry technology and 3D modeling technology， UAV tilt photogrammetry technology has been widely used in surveying and mapping. It has become a trend to realize three-dimensional modeling of UAV tilt photogrammetry. This paper studies the modeling process of rapid modeling by studying ContextCapture software， summarize the problems in the modeling process and propose rationalization suggestions， efficient and Fast implementation of 3D Model， it is of great significance to promote the development of fully automated rapid modeling.

【Key words】： ContextCapture; UAV; Tilt photography; Modeling method

0? 引言

無人機傾斜攝影測量技術(shù)是近幾年發(fā)展應(yīng)用起來的一項新的測量技術(shù)。目前，無人機傾斜攝影測量技術(shù)在各個領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，如建筑設(shè)計、地圖制圖、施工和建造、資源與能源，文物遺產(chǎn)保護等[1]。傳統(tǒng)的三維建模方法主要是將收集到的二維平面數(shù)據(jù)和高程數(shù)據(jù)，與數(shù)字?jǐn)z影技術(shù)、計算機圖形學(xué)等相關(guān)技術(shù)相結(jié)合進行三維建模，該方法只適用于建模區(qū)域較小、地表植被單一和建筑物結(jié)構(gòu)簡單的區(qū)域，需要投入更多的內(nèi)外業(yè)人員采集數(shù)據(jù)并進行大量的內(nèi)業(yè)處理，工作量大且周期較長，在建模的質(zhì)量、速度和效率方面都難以滿足應(yīng)用領(lǐng)域的需求。

然而，無人機傾斜攝影測量技術(shù)具有靈活、經(jīng)濟且便于攜帶的特點，并且能從一個垂直和四個傾斜角度進行空間信息的采集，可以快速的獲取地物的高分辨率紋理信息，有效的提高了獲取地物紋理信息的效率。近年來，無人機傾斜攝影測量技術(shù)主要應(yīng)用于城市三維建模中，比較常用的三維建模方法有：基于CAD的建模技術(shù)、基于激光掃描建模技術(shù)[2]、基于攝影測量的三維建模技術(shù)（數(shù)字航空攝影測量系統(tǒng)和數(shù)字近景攝影測量技術(shù)）、移動測量技術(shù)、照片建模技術(shù)、三維組件式自動建模技術(shù)等。國內(nèi)很多學(xué)者對三維建模方法進行了研究，臧宇哲等人基于多源數(shù)據(jù)的三維建模方法研究，將三維激

光掃描數(shù)據(jù)和傾斜攝影測量數(shù)據(jù)相融合，構(gòu)建建筑模型[3]。許一凡等人也提出將兩類技術(shù)綜合運用實現(xiàn)測區(qū)三維數(shù)據(jù)完整采集，通過統(tǒng)一控制點坐標(biāo)系和迭代最臨近點配準(zhǔn)算法將兩類點云融合，構(gòu)建高質(zhì)量、高效率、高分辨率的三維模型[4]。二者的區(qū)別在于前者是以某大學(xué)建筑物為例，后者是以地形地貌較為復(fù)雜和特殊的地區(qū)為例。譚仁春等人總結(jié)了一套無人機傾斜影像城市三維建模的改進方法，將傾斜攝影和MAX等技術(shù)有效結(jié)合進行城市三維建模，以3DGIS技術(shù)所要達到的精確數(shù)據(jù)和逼真效果為出發(fā)點，充分利用現(xiàn)階段城市測繪資源，研究各種模型要素的特點，制定技術(shù)流程，開發(fā)基于3DMAX等建模軟件來實現(xiàn)高精度和真實的城市三維快速建模技術(shù)方法[5-6]。因此，需要對不同的三維建模方法進行研究，解決建模過程中存在的問題，改進建模方法，提高建模的質(zhì)量和效率。三維模型應(yīng)用十分廣泛，數(shù)據(jù)的儲存方式和表示方法對模型的應(yīng)用都有著重要的意義[7]。

1? 無人機傾斜攝影測量

1.1? 無人機技術(shù)

無人機簡單的來說就是無人駕駛飛機，它是利用無線電遙控設(shè)備和自備的程序控制裝置進行操作，或者由車載計算機完全地間歇地自主操作。從技術(shù)角度來講，包含多旋翼、固定翼、垂直起降飛機等多種機種。

無人機具有機動、靈活、經(jīng)濟、快速的特點，能實現(xiàn)高分辨率影像的采集，在彌補衛(wèi)星影像經(jīng)常因云層遮擋獲取不到影像缺點的同時，解決了傳統(tǒng)衛(wèi)星遙感重訪周期長，應(yīng)急不及時等問題。無人機在國土資源、自然資源和應(yīng)急救災(zāi)數(shù)據(jù)獲取方面展現(xiàn)出其獨特的效率和優(yōu)勢。在當(dāng)今數(shù)字城市和智慧城市以及測繪領(lǐng)域，研究無人機對三維模型建模及建模效果有著重要的意義[8]。

1.2? 傾斜攝影技術(shù)

傾斜攝影技術(shù)是國際測繪領(lǐng)域近些年發(fā)展起來的一項高新技術(shù)[9]。它改變了傳統(tǒng)的只能從垂直角度拍攝的局限，搭載多臺傳感器在同一飛行平臺上，從一個垂直、四個傾斜角度進行影像的采集，獲取豐富的地物高分辨率紋理信息，通過先進的定位、融合、建模等技術(shù)，生成真實的三維模型。結(jié)合GNSS技術(shù)，將三維城市納入城市地理信息框架，展現(xiàn)出全面豐富的地理信息，提升用戶體驗度的同時大大降低三維城市建模的成本[10]。該技術(shù)廣泛的應(yīng)用于應(yīng)急指揮、國土安全、城市管理、房產(chǎn)稅收等行業(yè)。目前，基于無人機傾斜影像進行快速三維建模的軟件有法國Acute3D公司的Bentley ContextCapture軟件、俄羅斯的Photoscan、法國Astrium公司的街景工廠、瑞士Pix4D公司Pix4Dmapper軟件等。我國目前雖然沒有比較全面的建模軟件，但是也進行了積極的研究，如武漢天際航信息科技有限公司開發(fā)的DP-Modeler可實現(xiàn)基于傾斜影像的高精度手工建模[11]。常用的修復(fù)軟件有： 3DMax、Geomagic、Meshmixer和PhotoMesh等。在建模時使用建模軟件會出現(xiàn)很多的問題，會出現(xiàn)空三失敗、運算較慢等問題。本文通過分析ContextCapture軟件，研究其三維建模的過程，總結(jié)建模過程中所存在的問題，并提出合理化的建議，推動三維模型的快速構(gòu)建。

2? ContextCapture建模

ContextCapture三維建模是利用空中三角測量算法，通過空三加密計算出大量的連接點，利用這些連接點構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)TIN，生成三維模型的基本框架，將三維模型白膜和表面的紋理信息進行自動映射，從而獲取具有真實、自然紋理的高分辨率實景三維模型[12]。ContextCapture是一套實景三維自動建模系統(tǒng)，將數(shù)字影像處理技術(shù)、計算機虛擬現(xiàn)實技術(shù)和計算機幾何圖形算法相結(jié)合，對各種地物進行精確的重建，通過加入傳感器參數(shù)、空間坐標(biāo)以及控制點等數(shù)據(jù)來提高建模精度。

ContextCapture系統(tǒng)的模塊主要包含：Master（主控臺）、Setting（設(shè)置）、Engine（引擎）、Viewer（瀏覽）等。Master主要是進行創(chuàng)建任務(wù)和管理任務(wù)，查看任務(wù)的進程等，Setting主要是指明任務(wù)的路徑，Engine是對隊列中的任務(wù)進行處理，Viewer是對生成后的三維模型進行瀏覽，可以對生成后的模型質(zhì)量進行觀察，然后通過導(dǎo)入其它輔助修改軟件進行修改。參照一定的技術(shù)規(guī)范，獲取整個測區(qū)的傾斜影像數(shù)據(jù)，主要的實施流程有：對測區(qū)進行勘探獲得其基本地理信息、采集三維影像數(shù)據(jù)、三維數(shù)據(jù)處理三個步驟[13]。

2.1? 數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備

對測區(qū)進行實地勘探收集測區(qū)的基本地理情況，了解周圍環(huán)境的狀況，根據(jù)實際情況選擇合適的無人機，進行航線設(shè)計和像控點布設(shè)，像控點的布設(shè)遵循一系列的布設(shè)原則[14]。選擇合適的天氣，實施飛行方案，對測區(qū)進行拍攝，獲取測區(qū)的高分辨率影像數(shù)據(jù)，整理建模所必須的數(shù)據(jù)，主要有原始影像數(shù)據(jù)、相機文件數(shù)據(jù)和POS數(shù)據(jù)等。

2.2? 數(shù)據(jù)的處理

目前，采用ContextCapture軟件進行三維重建居多。在數(shù)據(jù)處理方面，數(shù)據(jù)處理的主要方式是將數(shù)據(jù)資料進行分析和預(yù)處理，去除那些不夠完整的數(shù)據(jù)，以確保建模數(shù)據(jù)和資料完整性和格式正確。在進行三維建模之前，需要對采集的影像航片進行簡單的手工處理，手動剔除不合格的相片，如出現(xiàn)拍攝拖影，曝光嚴(yán)重，構(gòu)圖嚴(yán)重不合理的影像，還有無人機起飛和降落的相片進行刪除，適當(dāng)?shù)膭h除相似度較高或重復(fù)的相片，利用相機文件數(shù)據(jù)、POS數(shù)據(jù)以及像控點數(shù)據(jù)提高空三計算效率及精度。

2.3? ContextCapture軟件建模

ContextCapture軟件建模的整個過程：（1）利用ContextCapture Center Master新建工程;（2）在新建好的工程中導(dǎo)入正射影像和其它四個傾斜角度所采集的影像數(shù)據(jù)，并相應(yīng)的填寫傳感器的參數(shù)大小、焦距參數(shù)以及相機校檢，查看POS數(shù)據(jù)信息;（3）建立空三關(guān)系模型，選擇空三的區(qū)域內(nèi)的定位和定向，將傾斜影像進行空三加密，獲得影像的高精度外方位元素;（4）通過多視影像密集匹配將高精度的外方位元素和矯正后的傾斜影像相結(jié)合，獲取高密度的點云數(shù)據(jù)，構(gòu)建3DTIN模型;（5）選取相對應(yīng)的紋理信息，實現(xiàn)紋理的自動關(guān)聯(lián);（6）導(dǎo)出相應(yīng)格式的真三維模型場景。ContextCapture三維建模技術(shù)路線如圖1所示。

3? 建模方法分析

通過ContextCapture軟件輸出的初始化三維模型通常存在畸變，有些畸變是由于在工程實施過程中不可避免的客觀因素造成的，初始生產(chǎn)的實景三維模型難以滿足某些應(yīng)用的需求[15]。在實際工程實施過程中，受到無人機設(shè)備、大氣環(huán)境及軟件算法的影響，生產(chǎn)的模型會引起視覺差異和應(yīng)用障礙，如航攝盲區(qū)以及特征點匹配錯誤的影像，模型的邊緣細節(jié)表現(xiàn)不夠準(zhǔn)確，個別地物紋理缺失，建模地形與實際地形不一致等。導(dǎo)致這樣的原因主要是：（1）無人機在飛行過程中受天氣的影響造成幾何畸變;（2）大氣環(huán)境噪聲引起的模型飛面、凸包;? ? （3）陽光照射引起的模型紋理不均勻、破洞;? ? （4）像主點落水而引起的水面缺失;（5）影像分辨率不足或影像模糊而引起的地物模型邊緣平滑。模型成果的精度過渡依賴于攝影質(zhì)量，對設(shè)備的要求較高，模型成果的數(shù)據(jù)量較大，影響了模型的修正和實際應(yīng)用。

通過分析三維模型構(gòu)建過程和模型成果所存在的問題，在構(gòu)建三維模型過程中需要改進的方面有：（1）選擇先進和合適的無人機攝影設(shè)備，制定嚴(yán)密航飛技術(shù)方案，對拍攝不到的地區(qū)進行補測或者人工測量，獲取高質(zhì)量的影像;（2）對獲取的數(shù)據(jù)進行整理和分類，剔除不合理的數(shù)據(jù);（3）對模型進行修復(fù)：修補破洞，抹平凸包，刪除碎部;替換重要地物和標(biāo)志物的三維模型;替換和修補不均勻紋理、清晰度不夠的紋理等。結(jié)合傳統(tǒng)建模的優(yōu)點，對三維成果模型中需要修改的地物和區(qū)域進行二次處理。具體修復(fù)過程如圖2所示。

4? 探討研究

ContextCapture生成的ERISi3s格式的傾斜攝影模型成果可對接到ArcGIS中使用，并通過Porttal for ArcGIS網(wǎng)頁或者APP形式進行開放共享[16]。利用無人機傾斜攝影測量技術(shù)結(jié)合ContextCapture軟件，能夠較好的控制成本，相比傳統(tǒng)的建模技術(shù)，人工成本減少，勞動力強度降低。減少了外業(yè)的工作量，縮短了周期，明顯的提高了建模效率。能夠客觀反映真實性，還原實際場景，更好的表達現(xiàn)勢性要素，提供了長度、高程、面積及坡度等相關(guān)的現(xiàn)狀信息。

在建模過程中，不管是對數(shù)據(jù)的采集還是處理，都需要選擇合適的軟件和方法。需要結(jié)合不同數(shù)據(jù)的特點進行實施方案的制定，三維激光掃描點云數(shù)據(jù)與傾斜攝影測量數(shù)據(jù)融合可有效彌補了無人機拍攝不到區(qū)域，對復(fù)雜地面信息進行無死角數(shù)據(jù)采集，提高了作業(yè)效率，減少了人工修補的工作量。所以，在進行三維重建時，要充分結(jié)合多種方法來改進建模的效率和質(zhì)量，使其應(yīng)用在更多的生產(chǎn)生活中。

5? 結(jié)語

無人機傾斜攝影測量技術(shù)快速獲取傾斜影像和 ContextCapture自動化空三加密及建模方面，使其在建模質(zhì)量和效率有明顯的提升。但是在自動化生成三維模型的過程中出現(xiàn)的模型局部和細節(jié)問題還難以解決，很難滿足實際生產(chǎn)生活中應(yīng)用的需要，需要進一步研究提升無人機傾斜攝影測量三維模型的質(zhì)量和效率。在模型的修復(fù)過程中主要靠人工修補，需花費時間從而造成模型的自動化程度不高。在確保模型質(zhì)量的情況下，如何使得建模過程完全自動化有待進一步的研究。

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