付紅云 禹 信

（山西能源學(xué)院,山西 太原 030600）

1 概述

傾斜攝影測量是一門新興技術(shù),在同一駕飛機(jī)上配備多角度相機(jī)系統(tǒng),多角度獲取地面圖像,突破了傳統(tǒng)航空攝影測量技術(shù)僅僅只能從單個方向獲取大量數(shù)據(jù)信息的局限性,更加真實地反映地面的具體情況。

一個真三維場景是智慧平臺搭建的基礎(chǔ),以往構(gòu)建三維模型的方法通常利用大比例尺二維數(shù)據(jù)建立三維模型,但是這種方式構(gòu)建的模型紋理都是依靠人工貼圖的方式,后期工作量很大,成本較高,更加適合少量部分模型的建立與更新；利用三維激光掃描技術(shù)建立三維模型雖具有獲取數(shù)據(jù)的效率高的優(yōu)勢,但是處理工作復(fù)雜,容易造成數(shù)據(jù)冗余等[1]。目前,在建立大規(guī)模的三維模型時,所有原始數(shù)據(jù)的獲取采用的都是航空攝影測量技術(shù)[2],傾斜攝影測量技術(shù)主要是利用無人機(jī)或一些其他的飛行器從多個角度取去拍攝地面獲取其影像信息,通過多視影像聯(lián)合平差、密集匹配等技術(shù),借助于專業(yè)的建模軟件完成建模。本文以山西能源學(xué)院校區(qū)為例,基于無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)并利用Smart3D 軟件構(gòu)建校園三維模型,試圖為無人機(jī)傾斜攝影的三維建模提供一套可參考的解決方案,并可應(yīng)用于虛擬校園平臺中的高精度模型的構(gòu)建。

2 基本原理與關(guān)鍵技術(shù)

傾斜影像在三維建模方面的廣泛應(yīng)用相比于傳統(tǒng)的垂直式的航空攝影有著明顯的獨特性和優(yōu)點,傳統(tǒng)的航空攝影只能進(jìn)行垂直拍攝,建筑物的側(cè)面和底部信息不能全部獲取,導(dǎo)致內(nèi)業(yè)人員往往看不清地物細(xì)節(jié),無法真正滿足用戶需要,而傾斜航空攝影不但能夠進(jìn)行豎直方向的拍攝,對于建筑物的側(cè)面也可以具備前、后、左、右4 個視角去提供觀察,極大地改進(jìn)了傳統(tǒng)影像對于側(cè)面紋理難獲取的短板,使三維建模成本大幅降低,提高三維建模的速度[3]。從應(yīng)用的角度來講,利用獲取到的傾斜影像構(gòu)建的三維模型可以同時獲取地物的高度、長度、面積、角度、坡度等位置信息,將其與虛擬現(xiàn)實技術(shù)結(jié)合可設(shè)計實現(xiàn)虛擬校園漫游系統(tǒng)。

基于傾斜影像構(gòu)建三維模型的主要步驟為：傾斜影像的獲取、空三解算和三維模型的構(gòu)建等,如圖1 所示。

圖1 無人機(jī)傾斜影像三維建?；玖鞒?/p>

3 校園三維模型構(gòu)建應(yīng)用實踐

3.1 硬件選擇

山西能源學(xué)院地處山西省晉中市榆次區(qū)大學(xué)城,占地約760 余畝,總占地面積約45 萬平方米,總建筑面積約19 萬平方米,距離地面最高建筑27m,高于27m 無任何遮擋物,最終選擇大疆經(jīng)緯M300RTK 無人機(jī)進(jìn)行影像獲取。綜合考慮到現(xiàn)有的條件與實踐的經(jīng)驗,本次研究所采用的軟件和硬件系統(tǒng)情況參見表1。

表1 軟硬件參數(shù)

3.2 像控布設(shè)

為獲取到高精度的三維校園模型,需布設(shè)一定數(shù)量的控制點。像控點的數(shù)量和精度會直接地影響到航測數(shù)據(jù)處理的精度,所以像控點的布置與選擇要做到盡量規(guī)范、嚴(yán)謹(jǐn)、精準(zhǔn)。為了有效保證外業(yè)航飛工作中獲得大量數(shù)據(jù)信息的準(zhǔn)確性需進(jìn)行相應(yīng)的像控測量,本次試驗共在校園內(nèi)布設(shè)了4 個像控點（XK1-XK4）和17 個檢查點（JC1-JC17）。像控點主要布設(shè)在山西能源學(xué)院四角,檢查點選用校園內(nèi)部采用已經(jīng)有測繪釘?shù)目刂泣c,像控點采用RTK－CORS 網(wǎng)絡(luò)模型施測（CORS 基站選用山西能源學(xué)院CORS 站）,利用iRTK2 對控制點進(jìn)行測量,測定所有像控點4 個,使用iRTK2 測量模型進(jìn)行檢測點17個,布設(shè)方案如圖2 所示。

圖2 像控點、檢查點分布圖

3.3 傾斜影像的獲取

本次試驗以大疆的經(jīng)緯M300RTK 無人機(jī)為主要技術(shù)設(shè)計基礎(chǔ),在2020 年11 月對山西省能源學(xué)院進(jìn)行傾斜攝影測量,設(shè)計航高為60m,航向、旁向兩方向航線重疊均為80%。根據(jù)所設(shè)參數(shù),規(guī)劃出外業(yè)航線（見圖3）。

圖3 外業(yè)航線圖

利用大疆經(jīng)緯M300RTK 無人機(jī)按航飛路線飛行所得的研究區(qū)影像數(shù)據(jù)共4031 張,其中影像量為18.2GB。經(jīng)檢查,所獲研究區(qū)影像全覆蓋,沒有明顯的漏洞,而且層次鮮明、顏色飽和,可用于三維模型的制作。

3.4 模型的構(gòu)建

本次試驗選用的處理的軟件為Smart3D。Smart3D 三維建模軟件是一款無人機(jī)數(shù)據(jù)后處理的軟件,可以進(jìn)行快速、簡單、全自動三維建模。它以對單個或大型建模主體從多個視角中獲取的圖像、視頻或點云信號采集設(shè)備中所獲取的數(shù)據(jù)為輸入源,經(jīng)過嚴(yán)密的空中三角測量和解算,最后可以輸出帶有真實紋理的三維模型,此外還可以輸出點云數(shù)據(jù)、多種圖像的正射影像DOM、多種數(shù)字表面模型DSM。

數(shù)據(jù)處理主要包括以下幾個步驟：照片組和POS 數(shù)據(jù)導(dǎo)入、空三解算、TIN 模型構(gòu)建,自動紋理映射,最后生成三維實景模型。

圖4 三維建模流程

圖5 校園三維模型

圖6 密集點云

3.5 模型的修復(fù)優(yōu)化

在建模過程中,由于會受到人工誤差、環(huán)境影響,建模軟件等的影響,生成的模型會出現(xiàn)缺失、扭曲等現(xiàn)象,這時就需要對模型進(jìn)行修復(fù)。在Smart3D 軟件中對模型進(jìn)行檢查,對有互相遮蔽或信息冗余的區(qū)域的模型進(jìn)行空洞填補(bǔ)和冗余信息的刪除。模型存在的問題及修復(fù)后圖像如圖7、8 所示。

圖7 空洞修復(fù)前后對比圖

圖8 冗余信息修復(fù)前后對比圖

3.6 精度分析

使用中海達(dá)iRTK2 測量的4 個像控點和17 個檢查點均勻分布在山西能源學(xué)院校園內(nèi),在像片以及三維模型上分別采集出這些點的坐標(biāo)。通過計算得到各個方向的中誤差。（表2）

表2 實測坐標(biāo)和三維模型坐標(biāo)精度對比表

通過檢驗,得出X 方向的中誤差為0.038m,Y 方向的中誤差為0.035m,H 方向的中誤差為0.043m,能夠符合高精度三維模型建立的精度要求。

4 結(jié)論

本文以山西能源學(xué)院的校園環(huán)境為背景,利用傾斜攝影測量技術(shù)獲取校園影像數(shù)據(jù),構(gòu)建山西能源學(xué)院校園真三維模型,能直觀的反映校園景觀、校園建筑等各種設(shè)施,下一步在三維模型數(shù)據(jù)可量測性的保障下進(jìn)一步開發(fā)虛擬校園漫游系統(tǒng),將測量與虛擬校園結(jié)合起來開發(fā)一套測量模擬仿真系統(tǒng),對測量專業(yè)學(xué)生進(jìn)行教學(xué)具有非常大的意義。