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(1. 廈門理工學院 計算機與信息工程學院， 福建 廈門361024；2. 生態(tài)環(huán)境及其信息圖譜福建省高等學校重點實驗室(莆田學院)， 福建 莆田 351100；3. 福建省土木工程建筑行業(yè)協(xié)會， 福建 廈門 361022)

引言

傾斜攝影測量技術通過傾斜、垂直等多角度進行影像數(shù)據(jù)的采集，彌補了傳統(tǒng)航攝技術的不足，在軍事偵察、文物保護、施工建筑、考古等領域得到了廣泛的應用[1]。美國的Trimble公司、Pictometry公司通過多臺同時從不同的角度對同一目標地物進行觀測，很好地突出了地形地物的紋理特征及立體結構，彌補了過去只能從垂直角度觀測的不足[2]。Pictometry公司研發(fā)的EFS/POL系統(tǒng)，以色列Ofek研發(fā)的Multivision和Idan公司研發(fā)的權利器系統(tǒng)，可以反映出多角度實時觀測的目標，并且有更好圖像傾斜入射角度[3]。

傾斜攝影測量技術在中國的研究起步相對較晚，繼2010年第一臺中國產(chǎn)的swdc-5傾斜攝影相機問世之后，又有多款傾斜攝影相機被陸續(xù)生產(chǎn)出來。廣州紅鵬公司2013年研發(fā)出了一款用于旋翼無人機的傾斜相機APSS 100，促進了傾斜攝影測量技術的快速發(fā)展[4]。傾斜攝影測量技術的出現(xiàn)，極大程度地提高了中國數(shù)字城市的三維重建中“城市高分辨率航空影像數(shù)據(jù)庫”建設的質(zhì)量和速度，降低了成本[5]。用戶可以在同一地區(qū)獲取廣闊的視角觀察不同的影像信息，對影像進行直觀量測[6]。目前中國并沒有明確傾斜攝影測量的國家技術標準，如何拍攝出高真實感、高質(zhì)量的地形地物紋理是傾斜攝影研究的重點[7-8]。

本研究采用天魁-2多旋翼五鏡頭無人機進行數(shù)據(jù)采集，利用傾斜攝影測量技術進行三維建模，對重建后的城區(qū)傾斜三維模型進行質(zhì)量檢查及畸變原因分析。針對模型問題，提出影像質(zhì)量提升、二次補充處理、模型幾何修復方法，最后得到高精度的三維模型。

1 傾斜攝影測量技術及設備

1.1 系統(tǒng)介紹

為了保證獲取地形地物的表面紋理，在獲取影像數(shù)據(jù)時相機需要傾斜一定角度。目前五鏡頭相機是國內(nèi)比較主流的傾斜攝影系統(tǒng)，搭載5臺傳感器，同時從1個垂直、4個傾斜等5個不同角度的方式獲取影像數(shù)據(jù)，而無需轉(zhuǎn)動云臺，加快獲取數(shù)據(jù)的效率。近年來市場上也出現(xiàn)了兩相機、四相機等多種傾斜攝影系統(tǒng)。

傾斜攝影測量技術是多臺傳感器搭載在同一飛行平臺上，同時從垂直、傾斜等不同角度進行影像采集，獲取完整的地形地物表面信息，傾斜角度拍攝的照片叫做斜片，垂直角度拍攝的照片叫做正片，無人機在拍攝時同時精確記錄當時的航高、航向、經(jīng)緯度、航速、俯仰角等地理信息。數(shù)據(jù)采集完成后將照片添加到ContextCapture(原Smart3D)中，通過空中三角測量加密，重建三維模型。

1.2 數(shù)據(jù)后處理系統(tǒng)介紹

傾斜攝影測量技術以高精度、高清晰、大范圍的方式綜合感知復雜場景，彌補傳統(tǒng)人工建模仿真的不足，為測繪領域的實際效果和水平精度提供保證，為提升效率帶來革命性的改變。目前比較有代表性的技術有ContextCapure、街景工廠、PhotoScan、Pix4DMapper等。

采用ContextCapture軟件進行傾斜數(shù)據(jù)的處理，生成OSGB、OBJ、3MX 等格式的三維模型，其技術流程如圖1所示。

圖1 技術流程圖Fig.1 Technical flowchart

1.3 設備介紹

使用天魁-2多旋翼五鏡頭無人機進行數(shù)據(jù)采集，五相機同時曝光，一次采集5張影像，有下視影像，便于空中三角測量和正攝圖生成。天魁-2多旋翼五鏡頭無人機系統(tǒng)適用于較大載重載荷設備(如三維激光雷達)掛載飛行，在智能飛行駕駛儀控制下自主起飛、空中巡航、起飛點自主降落，操作人員在便攜式地面站上實時監(jiān)控飛機的飛行狀態(tài)，完成不同載荷對應的飛行任務。天魁-2多旋翼五鏡頭無人機相機參數(shù)如表1所示。

表1 天魁-2多旋翼五鏡頭無人機相機參數(shù)

2 模型重建及質(zhì)量提升

傾斜攝影測量技術基于無人機或大飛機搭載航攝儀通過多角度拍攝來獲取影像，再將影像經(jīng)過相機檢校、pos數(shù)據(jù)解算、影像預處理、空中三角測量、外業(yè)像控、三角格網(wǎng)模型構建以及映射紋理等處理過程，實現(xiàn)城市實景三維模型的自動構建。其中高精度三維模型成果制作技術路線如圖2所示 。

圖2 技術路線圖Fig.2 Technology roadmap

2.1 數(shù)據(jù)預處理

數(shù)據(jù)采集主要包括：規(guī)劃區(qū)域影像采集、像控點采集、pos數(shù)據(jù)采集。通過確定航拍區(qū)域，規(guī)劃無人機飛行方向、飛行范圍、飛行高度、飛行速度、航線航向、重疊度和旁向重疊度等要素。在設置規(guī)劃完整的航線后，無人機無需手動操作，可根據(jù)航線位置智能飛行，并觸發(fā)相機自主進行影像數(shù)據(jù)拍攝采集。同時像控點的布設也是傾斜攝影測量里很重要的一個環(huán)節(jié)，像控點布設的好壞會直接影響三維模型成果的精度，因此外業(yè)布設像控點時要注意像控點目標的選擇，一般選擇房屋腳做控制點。pos數(shù)據(jù)包括相片日期和時間、經(jīng)度、緯度、飛行高度、飛行姿態(tài)、航向等信息，pos數(shù)據(jù)在飛機航拍時實時記錄，可在拍攝結束后連接無人機導出。

數(shù)據(jù)采集完成后，將5個鏡頭的照片分別放在5個不同的文件夾，再對其分別重命名。避免照片重復，有利于后期刺像控點和連接點時尋找照片，同時把pos數(shù)據(jù)命名為對應照片名。

2.2 數(shù)據(jù)處理

2.2.1 集群運算

隨著傾斜攝影測量技術的廣泛運用，內(nèi)業(yè)處理的數(shù)據(jù)量越來越大，集群式傾斜攝影數(shù)據(jù)處理會比單機式處理快得多，集群可以加快內(nèi)業(yè)建模效率，更加精準高效。

集群運算是對同一局域網(wǎng)中的所有電腦分配任務進行并行運算，首先將一臺配置比較高的電腦作為“主腦”，在“主腦”上將照片和pos數(shù)據(jù)進行文件共享，然后在ContextCapture Settings中設置任務序列目錄為“主腦”共享的文件夾路徑。將局域網(wǎng)中的所有電腦進行設置后，重啟后即可開始Smart3D集群運算。

2.2.2 數(shù)據(jù)導入

由于使用集群運算，首先需要將新建工程的工程目錄選擇為“主腦”共享的文件路徑。再通過影像目錄添加影像，添加所有的照片數(shù)據(jù)，相對應地把pos數(shù)據(jù)添加到ContextCapture Master，選擇WGS-84坐標作為絕對坐標。同時因為沒有做像控點計算出來的空中三角測量會發(fā)生一定程度的形變，加入像控點能夠很好地校正。在兩個飛行架次之間添加連接點也有助于電腦能夠更好的識別兩個架次之間的同名點。最后提交空中三角測量，利用含有pos數(shù)據(jù)的兩個架次的照片進行空中三角測量，可以算出每張照片的三維位置，該過程由軟件自動進行。

空中三角測量運算后，可以查看數(shù)據(jù)處理的結果，同時在三維視圖目錄中可以查看空中三角測量的成果，通過航點可以查看相對應照片的信息，沒有問題后即可直接進行三維模型重建。

2.3 三維模型重建

三角測量結束后就能新建重建項目進行三維模型重建，根據(jù)需求對空間框架進行選擇，坐標系選擇WGS-84/ UTM ZONE 50N，再根據(jù)電腦的配置對瓦片的大小進行相應的設置。瓦片越大，對電腦內(nèi)存的需求就越大。常用的格式有3MX、OSGB、OBJ等，本研究采用了3MX格式，通常第一次輸出3MX格式后，后續(xù)若要輸出其他格式，只要在同一個空三下輸出時間就會變得很快。紋理壓縮可以根據(jù)需求進行不同的選擇，本研究強調(diào)高精度，所以選擇100%的JPEG質(zhì)量。質(zhì)量越高數(shù)據(jù)量就越大，因此電腦處理的時間也會更長。

選擇好WGS-84/ UTM ZONE 50N坐標系，并且確定輸出路徑便可以進行三維模型重建。三維模型重建時電腦會通過ContextCapture軟件進行全自動化的圖像處理運算，集群運算速度比單機運算快很多，同時ContextCapture在運算時軟件界面會顯示總進度條，可以在“更多細節(jié)”中查看各瓦塊的處理進度。三維模型重建成功后，在Acute3D Viewer中查看模型，以某學院模型為例，如圖3所示。

圖3 某學院的三維模型Fig.3 3D model of an university

2.4 三維模型質(zhì)檢及分析

在實際生產(chǎn)應用中，由于地形、設備、大氣環(huán)境、軟件算法等多種因素影響，最后的三維模型成果會出現(xiàn)畸變和錯誤，給實際工程應用造成阻礙?，F(xiàn)以案例的三維模型成果進行畸變及原因分析[9-10]。

2.4.1 存在問題

通過對三維模型質(zhì)檢，主要存在以下問題：

(1)整體邊緣不整齊，出現(xiàn)了鋸齒狀，整體色彩灰暗。

(2)玻璃建筑物出現(xiàn)破洞，如圖4(a)所示。

(3)模型整體模糊不清，如圖4(b)所示。

(4)模型存在破洞，整體表面玻璃模糊，如圖4(c)所示。

(5)模型底部存在大量破碎瓦片，如圖4(d)所示。

圖4 三維模型質(zhì)量檢查Fig.4 Quality inspection of 3D model

2.4.2 原因分析

(1)受天氣或時段影響，造成影像光照不足或過曝等，引起模型紋理不均勻、昏暗、破洞等問題。

(2)受測區(qū)地形影響，造成影像分辨率不足，引起模型邊緣平滑等問題。

(3)受航攝飛行姿態(tài)顛簸或建筑物高度影響，造成影像重疊度不足、幾何畸變，引起模型畸變等問題。

(4)受航攝盲區(qū)影響，造成區(qū)域性影像缺失，引起模型空洞、畸變等問題。

(5)空中三角測量階段，因影像及pos數(shù)據(jù)質(zhì)量問題，出現(xiàn)匹配錯誤及點位不足等情況，引起模型空洞、畸變等問題。

2.5 三維模型質(zhì)量提升方法

2.5.1 影像質(zhì)量提升

原始影像數(shù)據(jù)的質(zhì)量提升對三維自動建模意義重大，主要通過改善相機平臺、相機參數(shù)設定、影像預處理過程，提升最終模型質(zhì)量，減少模型灰暗、拉花、空洞等問題。

對影像進行預處理軟件有：Adobe Lightroom、Adobe Photoshop、Dynamic-Photo HDR、Color Efex Pro等，其主要是能夠批量的對原始影像的色彩空間類型、基礎映射方式、亮度對比度、降噪模式、邊緣銳化程度等進行修改。其中對影像進行勻光勻色處理能夠改善不同航帶的銜接計算問題，同時減少計算機修正運算，提升計算效率。

2.5.2 二次補充處理

三維模型產(chǎn)生的空洞、扭曲、粘連、紋理缺失等問題，主要是由于影像分辨率不足、視線遮擋、建筑物密集、丟失紋理等原因造成的，此類大部分問題能夠通過測區(qū)補拍得到解決。利用小型旋翼無人機或手持相機對測區(qū)進行補拍，將補拍數(shù)據(jù)添加到原工程目錄下和原數(shù)據(jù)再次進行空中三角測量，選擇合適參數(shù)，模型重建完成后即可進行下一步修飾。對于重點建模測區(qū)可以將補拍的數(shù)據(jù)單獨建模，再利用Geomagic軟件對最終模型進行替換。

2.5.3 模型幾何修復

通過基礎數(shù)據(jù)的提升，三維模型還存在一定的空洞、扭曲等問題，則需選擇相關模型修復軟件對模型進行修正。利用OSketch、SVSModeler、3DMax、Geomagic Studio、RealityPaint、Meshmixer等相關軟件功能對模型進行空洞修補、凸包整平、細部整飾、模型替換、水面修復等工作，能夠有效的對模型進行修復。

利用上述提出的各種基于無人機傾斜攝影測量成果的城市三維模型質(zhì)量提升方法，對上文構建的三維模型進行質(zhì)量提升驗證。模型檢查后，針對不同的問題使用不同方法進行修復。例如：將原始影像進行勻光勻色，使得整體圖像色彩更加豐滿美觀(見圖5)；利用補拍數(shù)據(jù)單獨建模，并使用Geomagic軟件將新模型與舊模型進行位置矯正，完成精修替換(見圖6)；將玻璃破碎的瓦片通過Geomagic軟件刪除破碎塊，再利用“搭橋工具”將破洞分為很多個小的破洞，再挨個“填充”，完成玻璃破洞修復(見圖7)。通過實例驗證，使用上述模型質(zhì)量提升方法能夠顯著提高三維模型質(zhì)量。

圖5 修復效果圖Fig.5 Repair effect diagram

圖6 模型替換Fig.6 Model replacement

圖7 圓盤樓修復前后對比Fig.7 Pre-and post-repair comparison of the disk building

3 總結

以某學院作為案例，對重建后的城區(qū)傾斜三維模型進行質(zhì)量檢查及畸變原因分析。針對模型問題，提出影像質(zhì)量提升、二次補充處理、模型幾何修復方法。并以上文重建的城區(qū)三維模型為研究對象，利用提出的模型質(zhì)量提升方法對其驗證，結果表明模型中的明顯缺陷及不足得到改善，顯著提高了模型質(zhì)量，為其能夠應用在更高要求的場合提供一定的借鑒。