韓婷婷　趙琳　范憲創(chuàng)　歐陽亞麗

摘? 要：隨著攝影測(cè)量技術(shù)的飛速發(fā)展，實(shí)景三維建模在智慧水利、智慧城市等各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。憑借其直觀、真實(shí)、多維度虛擬現(xiàn)實(shí)等優(yōu)勢(shì)對(duì)智慧水利的發(fā)展產(chǎn)生了重要影響。文章利用傾斜攝影技術(shù)對(duì)平寨水庫的壩址區(qū)進(jìn)行周期性實(shí)景三維建模，下視影像分辨率優(yōu)于3 cm，可以全方位立體展示工程的建設(shè)過程。結(jié)果表明：傾斜攝影實(shí)景三維模型紋理真實(shí)，幾何結(jié)構(gòu)完整，具有測(cè)繪級(jí)量測(cè)精度，大大節(jié)省了時(shí)間和資金成本，為“智慧水利”建設(shè)提供了重要支撐。

關(guān)鍵詞：智慧水利；實(shí)景三維模型；紋理；精度

中圖分類號(hào)：P231；TP39? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：2096-4706（2023）12-0108-04

Practice of Real-Scene 3D Modeling Technology Based on Tilting Photography

—A Case of Pingzhai Reservoir

HAN Tingting1， ZHAO Lin1， FAN Xianchuang2，3， OUYANG Yali4

（1.China Water Resources Beifang Investigation， Design & Research Co.， Ltd.， Tianjin? 300222， China; 2.College of Artificial Intelligence， North China University of Science and Technology， Tangshan? 063210， China; 3.Hebei Key Laboratory of Industrial Intelligent Perception， Tangshan? 063210， China; 4.Beijing Jingshan School Caofeidian Branch， Tangshan? 063209， China）

Abstract： With the rapid development of the photogrammetry technology， real-scene 3D modeling in smart water conservancy， smart city and other fields has been widely used. With its intuitive， real， multi-dimensional virtual reality and other advantages， it has an important impact on the development of smart water conservancy. This paper uses tilting photography technology to product periodic real-scene 3D modeling for the dam site area of Pingzhai Reservoir， and the visual image resolution is better than 3 cm， which can show the construction process of the project in all directions. The results show that the real-scene 3D model of tilting photography has real texture， complete geometric structure and surveying accuracy， which greatly saves time and capital cost. It provides important support for the construction of “smart water conservancy”.

Keywords： smart water conservancy; real-scene 3D model; texture; precision

0? 引? 言

傾斜攝影技術(shù)是一種多視角技術(shù)，旨將多臺(tái)傳感器搭載在同一飛行平臺(tái)上[1，2]，經(jīng)過一次航飛獲取五個(gè)不同角度的影像，包括下視、后視、前視、左視、右視，垂直地面角度拍攝的影像則為正片，鏡頭朝向與地面有一定夾角拍攝的影像則為斜片，即前視、后視、左視、右視，通過慣導(dǎo)系統(tǒng)精確定位功能獲取影像對(duì)應(yīng)的空間位置和姿態(tài)信息，使地面物體信息更為完整準(zhǔn)確，傳統(tǒng)的傾斜航空攝影，只能獲得垂直方向的影像數(shù)據(jù)，無法獲取物體側(cè)面豐富的紋理信息和結(jié)構(gòu)，無法實(shí)現(xiàn)三維建模，更無法實(shí)現(xiàn)高精度、高質(zhì)量的需求，傾斜攝影恰好彌補(bǔ)垂直攝影的缺點(diǎn)，可同時(shí)獲取5個(gè)不同角度的影像信息，獲取數(shù)據(jù)的性價(jià)比很高，高效低成本，一個(gè)中小城市建模工作如果采用人工建模的方式完成，需要一兩年的時(shí)間，若改成傾斜攝影測(cè)量方式，則可能三四個(gè)月時(shí)間就完成，很大程度上減少了三維模型數(shù)據(jù)采集時(shí)間，也降低了成本，并且模型具有真實(shí)效果，能保證測(cè)量精度，大大提升了模型的生產(chǎn)效率[3]。

1856年，納達(dá)爾在法國拍攝了第一張航空傾斜攝影，打開了航空攝影測(cè)量的大門，起初，傾斜攝影更多的應(yīng)用于軍事方面，隨著GPS技術(shù)的飛速發(fā)展，傾斜攝影有了新的研究方向，推動(dòng)了傾斜攝影技術(shù)的發(fā)展。國外，美國的Pictometry公司最早研究出對(duì)影像的紋理提取和貼附，之后徠卡公司推出了不同角度拍攝的相機(jī)，伴隨傾斜攝影的出現(xiàn)，很多軟件公司研發(fā)出了影像處理軟件，如法國的街景工廠和Smart 3D Capture；國內(nèi)，傾斜影像測(cè)量技術(shù)起步相對(duì)較晚，2010年剛剛興起，天下圖公司率先引進(jìn)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)[4]，并引起學(xué)者們紛紛探討，隨后國內(nèi)的建模軟件也逐漸興起，如Photoscan、Pix4D、Phomesh等，使實(shí)景三維建模技術(shù)更加廣泛應(yīng)用[5]。

傾斜攝影三維建模技術(shù)是當(dāng)前比較流行的一種方式，本文對(duì)同一區(qū)域開展不同時(shí)期的實(shí)景三維建模，清晰看出同一區(qū)域不同時(shí)期的變化，輔助現(xiàn)場(chǎng)施工人員進(jìn)行立體展示，為其提供決策作用。三維建模的技術(shù)流程主要包括通過獲取傾斜影像數(shù)據(jù)和像控點(diǎn)與檢查點(diǎn)、空中三角測(cè)量、實(shí)景三維模型的制作。整體技術(shù)流程如圖1所示。

1? 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)介紹

1.1? 項(xiàng)目概況

測(cè)區(qū)屬喀斯特盆地地貌，漣江縱貫全境，太陽地貌—著名的洛平避暑勝地—漣江沖積平原面積90 km2，土地肥沃，阡陌縱橫，平疇綠野，生機(jī)盎然?？h境位于苗嶺山地南端，北連黔中山原，南接黔南峽谷，正好是苗嶺山地向廣西丘陵盆地過渡的斜坡地帶，北高南低，測(cè)區(qū)位于貴州惠水縣平寨鄉(xiāng)，地理位置位于東經(jīng)106° 39′ 20″ E～106° 55′ 30″ E，北緯25° 36′ 00″ N～25° 35′ 51″ N。坐標(biāo)系統(tǒng)采用CGCS2000坐標(biāo)系，3°分帶，中央經(jīng)線為東經(jīng)105°。測(cè)區(qū)氣候?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，四季分明，冬春冷涼干旱，夏季炎熱多雨，年平均氣溫17 ℃左右，1月平均氣溫-7 ℃，7月平均氣溫24 ℃，生長(zhǎng)期年平均300天，無霜期年平均269天，最長(zhǎng)293天，最短221天，年平均日照時(shí)數(shù)1 232小時(shí)，0 ℃以上持續(xù)期300天，年降雨量約1 200 mm，測(cè)區(qū)自然資源豐富，土壤肥沃，雨量充沛。平寨鄉(xiāng)境內(nèi)地形為山區(qū)，地勢(shì)略呈中間低、四周高，地面一般海拔700 m，最高點(diǎn)位于平途村俾腳坡，海拔1 386 m，最低點(diǎn)位于高伸村唐朗寨，海拔470 m，測(cè)區(qū)范圍如圖2所示。

1.2? 傾斜影像獲取

本項(xiàng)目采用大疆M600pro無人機(jī)搭載MS Q5五鏡頭傾斜攝影測(cè)量系統(tǒng)對(duì)測(cè)區(qū)進(jìn)行傾斜攝影測(cè)量，大疆M600pro延續(xù)了經(jīng)緯M600的高負(fù)載和優(yōu)秀的飛行性能，采用模塊化設(shè)計(jì)，進(jìn)一步提升了可靠性，使用更便捷，大疆M600pro采用的是多軸機(jī)比較常見的機(jī)臂向下折疊方式，能有效節(jié)省運(yùn)輸空間。大疆M600pro具體外觀如圖3所示。

MS Q5是一套專用微型無人機(jī)搭載的傾斜攝影系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以同步拍攝5個(gè)朝向的影像，傾斜角度為45°，并且具備超輕量的負(fù)重及體積，該系統(tǒng)采用密封化設(shè)計(jì)，具備良好的防塵及防雨能力，5個(gè)朝向的影像傳感器均可以進(jìn)行更換不同鏡頭。具體參數(shù)如表1所示。

由于傾斜航空影像的空三加密是通過多視匹配算法完成的，若想匹配更多的同名點(diǎn)，需要影像重疊度足夠大，則下視影像的航向重疊度約75%，旁向重疊度約為70%。本項(xiàng)目是周期進(jìn)行傾斜影像數(shù)據(jù)獲取，以3次周期為例，第一次原始航飛影像數(shù)量約4 454張，飛行3個(gè)架次，有效航攝面積約0.6 km2，第二次原始航飛影像數(shù)量約4 734張，飛行3個(gè)架次，有效航攝面積約0.6 km2，第三次原始航飛影像數(shù)量約7 194張，飛行3個(gè)架次，有效航攝面積約0.6 km2，且影像質(zhì)量符合要求，滿足使用條件。航飛示意圖如圖4所示。

1.3? 像控點(diǎn)布設(shè)和采集

此次測(cè)區(qū)位于農(nóng)村鄉(xiāng)鎮(zhèn)，地物特征不夠多，作為像片控制點(diǎn)的目標(biāo)地物過少，需要提前布設(shè)部分靶標(biāo)作為像控點(diǎn)；控制點(diǎn)通常布設(shè)在地形高程起伏較小、地勢(shì)相對(duì)平整空曠的地方。為保證三維模型的精度，像片控制點(diǎn)按照每航向0.3 km、旁向0.3 km布設(shè)成網(wǎng)格狀[6]。同時(shí)為了檢查三維模型的平面精度和高程精度，在測(cè)區(qū)范圍采集一定數(shù)量的檢查點(diǎn)，檢查點(diǎn)要均勻分布在整個(gè)測(cè)區(qū)，通常選取較容易區(qū)分的地面點(diǎn)，如路口、房角、墩臺(tái)等；本項(xiàng)目根據(jù)實(shí)際情況采用網(wǎng)絡(luò)RTK測(cè)量了19個(gè)像控點(diǎn)和8個(gè)檢查點(diǎn)，保證了傾斜模型的精度。像控點(diǎn)和檢查點(diǎn)示意圖如圖5所示，紅色（深色×）的是像控點(diǎn)，黃色（淺色×）的是檢查點(diǎn)。

2? 實(shí)景三維建模的實(shí)踐——以平寨水庫為例

2.1? 實(shí)景三維模型的構(gòu)建

傾斜攝影能同時(shí)獲得垂直方向和傾斜數(shù)據(jù)，因此有多視影像，主要包括三部分，有地面飛控系統(tǒng)、無人機(jī)和控制測(cè)量，在獲得影像數(shù)據(jù)時(shí)，若想得到準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，需對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，無論有無控制點(diǎn)，都可以利用相關(guān)軟件實(shí)現(xiàn)三維場(chǎng)景，后續(xù)經(jīng)過軟件處理，可獲得三維模型的各個(gè)量，根據(jù)新式測(cè)量方法，自動(dòng)匹配各個(gè)影像，聯(lián)合多視影像生成連接線，得出平差方程，然后進(jìn)行聯(lián)合運(yùn)算以得到精準(zhǔn)的結(jié)果。

攝影測(cè)量中的一個(gè)重難點(diǎn)是影像匹配，匹配算法主要有三個(gè)，包括灰度、特征和關(guān)系匹配算法，傾斜攝影的不同視角差距很大，且范圍也大，所以導(dǎo)致傾斜影像間會(huì)存在一定程度的幾何畸變，加大了影像匹配的難度，點(diǎn)云匹配中會(huì)存在大量冗余信息，為了保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，得到精確的結(jié)果，此冗余信息不能忽略，為了找到同名點(diǎn)對(duì)應(yīng)的影像信息，需要消耗足夠的時(shí)間，這個(gè)過程至關(guān)重要，傾斜攝影測(cè)量具有辨識(shí)多視影像功能，自動(dòng)獲取影像信息，同時(shí)將地物的特性轉(zhuǎn)成對(duì)應(yīng)的可以識(shí)別的矢量信息，為建模做好準(zhǔn)備。

采用Context Capture Center軟件構(gòu)建模型，首先計(jì)算特征點(diǎn)，并把相應(yīng)的特征點(diǎn)提取出來，隨后進(jìn)行同名點(diǎn)匹配，主要有多視匹配和密集匹配等技術(shù)[7]，為了獲得準(zhǔn)確的外方位元素，進(jìn)行迭代平差優(yōu)化、畸變差校正等過程。

根據(jù)外業(yè)測(cè)量像控點(diǎn)文件，在下視影像及傾斜影像相應(yīng)位置分別添加像控點(diǎn)。像控點(diǎn)選取影像清晰，選點(diǎn)處無遮擋，點(diǎn)位遠(yuǎn)離影像邊緣，每個(gè)像控點(diǎn)刺點(diǎn)選取不同鏡頭影像共約20張影像。在刺完像控點(diǎn)以及添加連接點(diǎn)后，進(jìn)行空中三角測(cè)量平差計(jì)算，直至空三結(jié)果正確且精度滿足項(xiàng)目要求為止，空中三角測(cè)量成果示意圖如圖6所示。

空三完成合格后，通過影像間密集匹配，獲取海量的匹配點(diǎn)云，運(yùn)算生成基于真實(shí)影像的超高密度點(diǎn)云，通過后續(xù)的紋理編輯和模型優(yōu)化，將模型按照CGCS2000空間坐標(biāo)系統(tǒng)輸出，為了快速完成建模和有足夠的空間存放數(shù)據(jù)，通常將模型瓦片大小設(shè)成100 m×100 m的，質(zhì)量選擇為最優(yōu)，格式選擇通用的OSGB，模型構(gòu)建完成后[8]，對(duì)模型進(jìn)行修飾，修整水面、刪除漂浮物等，并對(duì)模型質(zhì)量進(jìn)行檢查，生成滿足要求的實(shí)景三維模型。

2.2? 周期性模型對(duì)比

通過三個(gè)不同時(shí)期的實(shí)景三維模型對(duì)比，可以清晰看出施工現(xiàn)場(chǎng)和水庫的實(shí)景變化，全方位立體展示工程的建設(shè)過程，對(duì)智慧水利發(fā)展提供重要數(shù)據(jù)支撐。如圖7和圖8所示，分別是工地和水庫的實(shí)景三維模型對(duì)比圖。

2.3? 精度分析

為了分析實(shí)景三維模型的精度，外業(yè)人員在測(cè)區(qū)范圍內(nèi)均勻布設(shè)了8個(gè)檢查點(diǎn)，以外業(yè)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為真值，同時(shí)讀取模型上的坐標(biāo)值，統(tǒng)計(jì)出兩者之間的差值，具體如表2所示，完全滿足項(xiàng)目的精度要求。

3? 結(jié)? 論

隨著智慧化進(jìn)程的加快，利用無人機(jī)傾斜攝影構(gòu)建實(shí)景三維模型非常受大眾歡迎，具有高效低成本的優(yōu)勢(shì)，性價(jià)比極高，大大影響了智慧水利的發(fā)展，發(fā)揮了極好的作用，對(duì)水資源管理的數(shù)字化和智能化有重要的支撐，實(shí)景三維數(shù)據(jù)為智慧水利提供三維一體化的數(shù)據(jù)來源，在智慧水利方面發(fā)揮著重要作用。傾斜攝影實(shí)景三維技術(shù)的出現(xiàn)解決了傳統(tǒng)手工三維建模低效率、周期長(zhǎng)、真實(shí)性差的問題，但是由于地物的光反射性質(zhì)，模型有空洞，存在局部模型細(xì)節(jié)不清的情況，影響視覺效果和精度，還需要后續(xù)進(jìn)一步研究。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：韓婷婷（1990—），女，漢族，吉林德惠人，工程師，碩士，研究方向：遙感及攝影測(cè)量；通訊作者：范憲創(chuàng)（1989—），男，漢族，山東兗州人，講師，碩士，研究方向：遙感與地理信息系統(tǒng)。

收稿日期：2022-12-16

基金項(xiàng)目：華北理工大學(xué)省屬高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目（JQN2022006）