楊云峰 魏天宇 郝晶晶

隨著無人機傾斜攝影技術的快速發(fā)展，傾斜攝影建模技術以其高時效、低成本、高精度的特點正逐步替代傳統(tǒng)三維建模技術，在數字城市的建設中發(fā)揮巨大作用。目前，ContextCapture、Agisoft PhotoScan及Pix4Dmapper是行業(yè)中常用的傾斜攝影建模軟件，本文結合南京市佘村的案例，利用三款軟件重建場地地形，并對軟件的操作性、運算時長、模型質量等方面進行對比，為傾斜攝影建模軟件在園林設計中的選擇與應用提供借鑒。

傾斜攝影建模軟件；軟件對比；ContextCapture；Agisoft PhotoScan；Pix4Dmapper

隨著無人機航拍攝影技術的高速發(fā)展，諸多領域逐步糅合了無人機技術，這項技術在災情監(jiān)視、交通巡邏、治安監(jiān)控、地球物理勘探以及海岸緝私等方面廣泛應用開來[1]。無人機傾斜攝影建模技術隨著無人機航拍技術的發(fā)展應運而生，由于其相較于傳統(tǒng)三維建模方式擁有低成本、高機動性、高精度、高時效的優(yōu)點，因此傾斜攝影建模正逐漸成為重要的建模手段之一，在數字城市的發(fā)展過程中發(fā)揮著重要作用。

1. 垂直攝影采集的影像（左）與傾斜攝影采集的影像（右）

傾斜攝影建模軟件是基于傾斜攝影技術開發(fā)的三維建模軟件，以無人機采集的連續(xù)航片影像為基礎，利用圖形運算單元GPU，可以快速、精確、自動地生成逼真的實景三維場景模型[2]。通過分析實景三維模型可以得到真實場地的三維坐標、視域情況、坡度坡向與現(xiàn)狀建筑等信息，因而傾斜攝影建模軟件正廣泛應用于山地的測繪和規(guī)劃、城鎮(zhèn)建設規(guī)劃與古建筑保護等諸多領域[3]。

目前，法國Acute3D公司推出的ContextCapture、俄羅斯Agisoft公司開發(fā)的PhotoScan以及瑞士Pix4D公司的Pix4Dmapper是業(yè)界主流的傾斜攝影建模軟件。在實際的使用過程中，消費級無人機飛行姿態(tài)不穩(wěn)定且搭載非測量相機，所采集的航片存在影像畸變大、像幅小、像片數量多的特點[4]；軟件的算法和邏輯上的差異，使得軟件運算時長、模型精度與貼圖質量明顯不同。因此本文通過實際案例分析當前三種主流傾斜攝影建模軟件的建模過程與模型效果上的差異，并分析三維模型單體化方法，為傾斜攝影軟件在園林設計中的選擇與應用提供借鑒。

南京市江寧佘村是江蘇省開展特色田園鄉(xiāng)村建設的重要試點之一，隨著鄉(xiāng)村建設的快速發(fā)展，村莊內的建筑樣貌與中心綠地發(fā)生不同程度的變化，原先的地形圖因老舊、偏差較大已不再適用于當前的村莊現(xiàn)狀。在此情況下，本次實驗以收集佘村特色田園鄉(xiāng)村建設資料為契機，對三款目前常用的傾斜攝影建模軟件進行多方面對比，提出符合園林設計及需求的三維建模技術。

1 技術背景及軟件介紹

1.1 傾斜攝影技術

傾斜攝影技術是通過在同一飛行平臺上搭載多鏡頭相機，在飛行過程中從垂直、傾斜等多個角度同時采集影像，獲取更為完整精確的地面地物信息[5]。在建立建筑物模型與表面紋理的過程中，垂直影像中包含建筑頂面信息，傾斜影像能夠提供地物側面的視角，兩者結合滿足生成建筑物表面紋理和模型的需要[6]（圖1）。

1.2 傾斜攝影建模軟件

傾斜攝影建模軟件是基于傾斜攝影原理開發(fā)的三維建模軟件。將具有一定重疊度的無人機航拍傾斜攝影數據導入建模軟件，計算機中的圖形處理GPU會結合像片所包含的POS信息自動進行空中三角測量計算，生成點云并加密為密集點云，構成三角網格模型，最后結合傾斜影像中的像素信息生成富有紋理的三維模型[7]（圖2）。

（1）ContextCapture。2011年， 飛 利 浦· 龐 斯（Jean-Philippe Pons）博士和雷洛·卡拉文（Renaud Keriven）博士聯(lián)合創(chuàng)立了Acute3D公司，推出了一款突破性的攝影測量產品Smart3DCapture。2015年2月，Acute3D公司被Bently收購，產品升級為ContextCapture，該軟件能基于圖形運算單元GPU處理來自于數碼相機、航拍照片、激光雷達的多源攝影數據，生成超高密度點云，并進一步生成以高分辨率影像為紋理的三維實景模型[8]。三維模型的輸出格式包含OBJ、OSGB等通用模型格式，可以自由地導入各種模型編輯軟件與基于GIS平臺開發(fā)的模型瀏覽管理軟件。

2. 傾斜攝影建模的生產路線

3. 軟件對比的技術路線

（2）Agisoft PhotoScan。它是俄羅斯Agisoft公司開發(fā)的傾斜攝影建模軟件，可根據影像數據自動生成高質量三維模型。基于多視圖三維重建技術，PhotoScan可以處理任何照片，而無需設置初始值、相機檢校與控制點。當提供控制點時，可以生成具有高精度和真實坐標的3D模型[9]。該軟件支持多種格式的數據源，經計算后生成高分辨率正射影像與帶精細色彩紋理的DEM模型。

（3）Pix4Dmapper。原為Pix4UAV，是瑞士Pix4D公司推出一款無人機數據和航空影像處理軟件，擁有自動、專業(yè)、高精度的特性。Pix4D能夠大量航拍影像快速制成高精度、帶地理坐標的正射影像圖與三維模型數字產品。其特點在于擁有一套專業(yè)的工作流程，包含了從數據的采集到項目處理再到數據分析的完整算法。

2 技術路線

本文介紹了傾斜攝影技術的概念與三款傾斜攝影建模軟件的基本情況，并以實際案例中采集的航拍影像為數據基礎，嚴格控制各項輸入參數，評價三款軟件的操作過程、空中三角測量精度以及軟件運算時長方面的表現(xiàn)。最后，通過軟件生成模型質量的對比說明三款建模軟件存在的優(yōu)勢與局限性并進一步提出三維模型單體化方法，為傾斜攝影建模軟件在園林設計中的選擇與應用提供依據，滿足設計對三維模型的需求（圖3）。

3 實驗流程

3.1 測區(qū)概況

佘村位于江蘇省南京市江寧區(qū)東山街道，地處黃龍山與大連山之間峽谷地帶，南臨佘村水庫，依山傍水，環(huán)境優(yōu)越。佘村歷史悠久，由一百多個自然村發(fā)展而來，總面積約7.2 km2。村中保留的明清古建筑、古井、古石灰窯等歷史遺跡與稻田灰瓦、青山綠水共同構成寧靜悠遠的山村生活畫卷。

本次實驗場地選擇的是沿上佘路東西兩側分布的村落以及部分農田自然林地與水塘，地理位置為31°58′47″~31°59′10″N，118°55′12″~118°55′37″E，總面積為30.3 hm2。場地內大量植被、建筑以及兩處公園包含豐富的紋理信息與空間變化，可用于對比傾斜攝影模型的質量及紋理；村莊中央的村委會與潘氏故居可以作為建筑模型單體化的重要實驗數據（圖4）。

3.2 無人機型號及相機參數

本次實驗中使用的是深圳大疆創(chuàng)新科技有限公司于2015年發(fā)布的“精靈”系列Phantom 3 Professional，主要參數如表1。

3.3 航片成果與像控點布設

預設飛行高度110 m，航向重疊度75%，旁向重疊度70%，地面影像分辨率為0.04 m，飛行作業(yè)時間40 min，航帶5條，共獲得190張航拍影像與對應POS數據。場地內均勻分布15處像控點（4個控制點與11個檢查點），在布設時優(yōu)先選擇地面有明顯特征的標注點，其余像控點用自噴漆手動繪制，測量儀器為中海達RTK，坐標系采用2000國家大地坐標系。

表1 精靈Phantom 3 Pro技術參數

3.4 數據處理流程

3.4.1 ContextCapture數據處理流程

（1）新建工程項目，依次填寫項目名稱與存儲路徑；（2）添加影像文件與POS數據，并檢查影像文件的完整性；（3）在Surveys選項卡下的控制點編輯器中導入像控點文件（txt或csv格式），為了避免長距離幾何失真和提高控制精度，每個控制點定位3張以上像片；（4）填入工作目錄名稱和各項參數后提交；（5）激活Engine模塊，軟件自動進行空三運算；（6）提交新建重建任務，在空間框架選項卡下，對模型進行分塊設置，本次實驗平面切塊的網格大小250 m，共計9個瓦片；（7）提交模型生產并選擇模型輸出格式、貼圖質量、坐標系、建模范圍以及輸出路徑；（8）模型輸出（圖5）。

3.4.2 Agisoft PhotoScan數據處理流程

（1）點擊菜單欄“工作流程”的“添加照片”選項，導入航拍影像后雙擊縮略圖檢查文件的完整性，并添加POS數據；（2）對齊照片后添加控制點與比例尺；（3）選擇建模區(qū)域控制運算點的數量，設置密集點云的參數后等待軟件自動處理；（4）在點云的基礎上建立三維網格模型；（5）創(chuàng)建模型紋理貼圖，生成高分辨的TIN模型或生成正射影像和數字高程模型DEM（圖6）。

3.4.3 Pix4Dmapper數據處理流程

（1）新建工程設置名稱和存儲路徑；（2）添加影像后設置坐標系與POS數據；（3）導入控制點文件并在像片上進行刺點；（4）根據需要填寫運算參數；（5）點擊菜單欄“運行”，在本地全自動處理，依次進行空三加密、DSM與DOM生成；（6）生成正射影像并輸出多種格式成果（圖7）。

4. 測區(qū)范圍與概況

5. ContextCapture生成三維模型

6. Agisoft PhotoScan生成三維模型

7. Pix4Dmapper生成三維模型

4 處理流程及建模成果對比

表2 硬件需求匯總表

4.1 軟件硬件需求對比

三款軟件對計算機硬件需求如表2所示。

4.2 操作性對比

ContextCapture與其他兩款軟件相比操作最為復雜，操作步驟多，主從模式、編輯控制點與約束水面具有一定的專業(yè)性和復雜性。PhotoScan的操作難度次之，除了添加像控點需在參考選項卡下進行，其余的操步驟按先后順序排列在“工作流程”選項卡中，在進行每個操作前設置相應參數即可。Pix4D的操作最為簡單，基本可分為三大步驟：（1）導入影像與控制點文件；（2）填寫選項參數；（3）本地運行全自動處理生成模型。

4.3 空中三角測量對比

ContextCapture Engine是執(zhí)行計算工作的控制模塊，它可以在后臺自動完成建模任務中的空中三角測量和三維模型重建過程。在運算過程中Engine模塊采取不同的且計算量大的密集型算法，如關鍵點的提取、自動連接點匹配、集束調整、密度圖像匹配等，因此在控制量測、POS平差、匹配能力等方面都要優(yōu)于其他兩個軟件。PhotoScan存在部分連接點的匹配精度較差的問題，需要少量人工干預才能順利計算，并且處理效率及匹配方面不及其他兩款軟件。Pix4D的空三測量的能力略優(yōu)于PhotoScan，空三精度報告有具體的窗口分欄且內容詳細[10]。

4.4 輸出文件格式

ContextCapture在輸出時可依據三維模型生產后的用途選擇合適的數據生產格式，支持的最終效果導出格式包含：3MX格式（ContextCapture自有格式，可與Bently其他應用程序交互并具有壓縮、LOD紋理及模型多重精細度結構的特性）、OBJ格式（開源數據格式）、OSBG格式等十余種文件格式。PhotoScan在生成三維模型后可通過“文件”菜單欄中“導出模型”選擇輸出文件格式，格式種類與Smart3D基本一致，并額外支持3DS格式。Pix4D在輸出格式上的選擇較少，生成正射影像圖時可選擇GeoTiff與谷歌地圖KML格式，三維模型僅可選擇OBJ與PLY格式。

4.5 計算時間長短對比

ContextCapture運算時間最長，完成整個數據處理約用時8 h，其中空中三角測量耗時較短，模型重建與生成紋理用時較長。PhotoScan計算時間稍短，約6.5 h，而Pix4D在軟件運算上耗時最短，僅用5 h左右完成了整個三維重建工作。

4.6 模型精度對比

三維模型的精度可以通過控制點誤差進行評價。本次實驗利用4個像控點作為控制點進行區(qū)域網空三平差[11]，其余11點作為檢查點效驗模型精度。三款軟件的平面誤差基本控制在0.1 m之內，只有Pix4D在2號檢查點處誤差達0.152 m。ContextCapture各控制點的平面誤差明顯低于其他兩者，PhotoScan平面誤差略低于Pix4D（圖8）（表3）。三款軟件在垂直誤差方面的差距較小，檢查點垂直誤差集中在0.12 m左右。ContextCapture與Pix4D垂直方向標準差結果相近，PhotoScan在2號、6號與10號點的垂直誤差超過0.2 m，因此標準差高于另外兩款軟件（圖9）。綜合來看，ContextCapture在水平方向與垂直方向對誤差的控制較好，三維模型精度優(yōu)于其他兩款軟件。

8. 檢查點平面誤差分析圖

9. 檢查單垂直誤差分析圖

10. ContextCapture局部模型效果

11. PhotoScan局部模型效果

12. Pix4D局部模型效果

表3 控制點標準差匯總表

從三維模型成果上來看，ContextCapture模型整體效果出色，將村莊全貌通過三維模型很好地展現(xiàn)出來，但部分水體由于光線反射生成對的倒影在建模時造成失真與空洞，需要后期手動修復完善模型。模型細節(jié)精度很高，以馬頭墻以及院內停放的車輛為例，詳細地刻畫出場景的三維效果（圖10）。PhotoScan整體效果較好，將村莊整體樣貌描摹出來，但細節(jié)部分出現(xiàn)結構缺失的問題（圖11）。Pix4D模型效果介于兩者之間，整體效果較為出色，但細節(jié)部分的模型不足以達到以假亂真的效果（圖12）。

4.7 紋理貼圖對比

ContextCapture貼圖是以真實航拍影像為紋理，因而紋理清晰細膩，對于真實場景的色彩和紋理的模擬表現(xiàn)出色（圖13）。PhotoScan貼圖顏色較淺，但細節(jié)豐富，由于三維模型的效果不夠出色，對紋理貼圖的展示帶來一定影響（圖14）。Pix4D貼圖細節(jié)介于兩者之間，色彩豐富但紋理略顯不足（圖15）。建筑側面紋理信息的獲取是本次實驗的重要組成部分，有助于進行現(xiàn)狀建筑質量、建筑風貌、建筑層數的分析。ContextCapture與PhotoScan建筑側面紋理豐富真實，可以清晰地觀察到建筑的門窗等細節(jié)。Pix4D效果一般，對建筑立面的刻畫模糊，門窗僅有基本輪廓。

4.8 其他輔助功能對比

13. Smart3D模型貼圖效果

14. PhotoScan模型貼圖效果

ContextCapture在Acute3D Viewer中提供部分測量功能，包括：模型坐標、線段測距、面積以及體積的計算。PhotoScan提供的額外功能較少，只能進行簡單的測量坐標與測距，其余功能需要在三維模型編輯軟件中進行。Pix4D除了提供測量場地高程海拔分析功能和生成熱成像圖，還可以設置動畫路徑，制作以三維模型為基礎的視頻動畫。

4.9 資金投入對比

ContextCapture全套專業(yè)版售價約為12 000元，而PhotoScan與Pix4D分別提供免費的探索版與收費的專業(yè)版，其中PhotoScan探索版限制項目中添加項目的數量，在很大程度上影響項目的計算與分析，售價3 499美元的專業(yè)版能提供所有運算服務。Pix4D新用戶可以體驗15天的專業(yè)版服務內容，租賃專業(yè)版年租費為3 500美元，并配備技術支持與社區(qū)應答等售后服務。

4.10 軟件對比匯總

三款軟件在硬件要求、操作難度、模型精度等方面有著不同的表現(xiàn)，根據實驗結果，從多個方面綜合評價三款傾斜攝影建模軟件（表4）。

5 模型單體化研究

與人工建模方式不同，傾斜攝影建模軟件所自動生產的三維實景模型是一個三角網構成的整體，不會將建筑、地面、樹木等需要單獨管理的對象分離為單獨模型。這種模型雖然可以用于轉化為柵格數據模型用于場地的高程、坡度、坡向等分析，但是不能單獨選擇對象添加信息屬性，難以滿足風景園林設計的對象化管理需求。因此，需要進行一定的處理才能實現(xiàn)模型“單體化”。

ContextCapture生產的數字模型貼圖細膩、模型準確，在此基礎上使用SuperMap對潘氏住宅與村委會兩處建筑進行單體化處理并添加屬性信息。當選中目標建筑時會出現(xiàn)高亮顯示，并可以查詢被賦予的屬性，滿足對象化管理需求（圖16）。

6 結論與展望

三款傾斜攝影建模軟件都真實地復現(xiàn)了30 hm2的村莊全貌。在前期采集無人機航拍傾斜攝影數據需要半天時間，數據的處理時長可以控制在12 h之內，最終生成高精度的三維模型和真實的色彩紋理，可見該技術在園林設計的展示與分析等方面擁有傳統(tǒng)測量技術所不可替代的直觀性、時效性與及時性。但是目前傾斜攝影建模技術在應用仍然存在一些問題，如：喬木茂盛區(qū)域由于無法獲取樹下影像數據，出現(xiàn)植被下層模型信息缺失的問題；水面在光線反射的影響下不能生成正確的模型與紋理。

表4 傾斜攝影建模軟件對比表

15. Pix4D模型貼圖效果

16. 傾斜攝影模型單體化

ContextCapture在空中三角測量、模型精度與貼圖紋理的細膩程度都優(yōu)于其他兩款軟件，但存在硬件要求高、操作難度大與運算時間長的局限性，因此在實際項目中更加適合在中小尺度場景中使用。一方面，中小尺度模型的運算量較小，能有效控制三維建模的時間；另一方面，高精度、高仿真的模型更加適合在設計過程中進行細部的展示與分析。PhotoScan對計算配置要求低，軟件體量小，各方面效果均表現(xiàn)較好，是一款均衡的建模軟件，可以適用于大多數場景，但空中三角測量精度不足會對模型精度造成影響。Pix4Dmapper具有操作簡便、空三精度與模型精度較高、建模效率高的顯著特點，但貼圖紋理精度不足，一定程度上限制其在需要展示細節(jié)的項目與園林設計中細節(jié)設計上的應用。因而該軟件更加適合在涉及到大尺度場地時加以應用，從而較為快速的獲得場地的基本模型，為開展后續(xù)的規(guī)劃性設計壓縮時間，并且多樣化的輔助功能可以在設計初期提供直觀化的高程分析、地形分析、熱成像分析資料。本文以ContextCapture建立的三維模型為基礎，在SuperMap中對場地建筑進行單體化處理，添加屬性信息，提出符合園林設計需求的三維建模技術。

在園林設計的過程中，可以根據實際項目的需要，靈活選用傾斜攝影建模軟件，為設計過程提供便利。相信隨著科技的發(fā)展，這一技術勢必會在園林設計的諸多方向上擁有廣泛的應