朱立波，黃文騫，石志遠，胡澤群，李澤宇

（1.海軍大連艦艇學院，遼寧 大連 116018；2.91937部隊，浙江 寧波 315000）

近年來，傾斜攝影技術快速發(fā)展，使得影像的獲取不再受限于垂直角度拍攝，而是通過多個角度采集影像數(shù)據(jù)以獲取更加豐富的地物信息[1]，但在實景三維建模過程中，自動化生成的三維模型效果往往差強人意，常出現(xiàn)水面、墻面、玻璃等物體模型破洞，車輛、施工塔吊等移動物體異常匹配，規(guī)則建筑物輪廓變形，以及出現(xiàn)大量懸浮物等問題。

針對這些問題，不少專家學者對此展開研究[2-5]。但是，這些研究采用的軟件較為單一，對于三維模型常見問題及修模步驟總結(jié)得不夠系統(tǒng)，也不夠全面。

本文對傾斜攝影三維建模的關鍵步驟展開討論，針對三維模型的缺陷進行問題總結(jié)分類并進行原因分析，通過Dp-Modeler、Meshmixer 及模方軟件進行模型修飾并展開修模效果對比分析，由此為建立精細化模型提供解決方法和技術參考。

1 傾斜攝影三維建模

利用傾斜攝影技術進行三維建模的流程主要包括影像數(shù)據(jù)采集與預處理、空中三角測量、三維重建以及模型修飾等。圖1 顯示的是傾斜攝影三維建模的基本流程。

圖1 傾斜攝影三維建模流程

1.1 數(shù)據(jù)采集及預處理

無人機傾斜攝影技術相較于傳統(tǒng)單方向（垂直）攝影測量，其實質(zhì)是同時從垂直和傾斜角度對地物進行拍攝，數(shù)據(jù)可以由同一平臺搭載多個傳感器，也可由單鏡頭的無人機通過布設多航向航線或環(huán)繞航線進行采集。

數(shù)據(jù)預處理主要針對原始影像以及POS數(shù)據(jù)，對于原始影像，需要對其進行對比度、曝光以及色彩等的調(diào)整，使得影像數(shù)據(jù)更加清晰、色彩和諧、層次分明，另外需要保證影像數(shù)據(jù)不能重名。對于POS 數(shù)據(jù)，原始POS數(shù)據(jù)信息要與影像數(shù)據(jù)一一對應，支持后差分模塊的無人機系統(tǒng)，后期需要進行差分解算，以獲取更高精度的POS成果。

1.2 空中三角測量

空中三角測量是利用少量控制點將整個區(qū)域網(wǎng)連接在一起，進而通過區(qū)域網(wǎng)平差獲取影像的外方位元素以及加密點的平面和高程坐標[8]。

在數(shù)據(jù)處理軟件中，首先導入影像數(shù)據(jù)、POS 數(shù)據(jù)以及設置相機參數(shù)，軟件會對影像進行大量的特征點計算提取，然后進行多視角影像特征點密集匹配，完成相對定向；最后需將外業(yè)控制點刺入影像中，利用這些點進行區(qū)域網(wǎng)平差，一般采用光束法區(qū)域網(wǎng)平差，由此解出每張相片的外方位元素和各加密點的地面坐標，完成絕對定向[9]。

1.3 三維重建

三維重建主要包括多視影像密集匹配、構(gòu)建TIN網(wǎng)、紋理映射幾個關鍵步驟。經(jīng)過空三加密后，得到大量密集的點云數(shù)據(jù)，由此計算出不規(guī)則的三角形TIN 網(wǎng)，生成三維模型的白模，最后通過紋理映射，得到實景三維模型。

三維模型自動生成數(shù)據(jù)量大，對電腦配置的要求比較高，提交重建任務需要根據(jù)電腦配置以及模型場景將模型進行瓦片劃分，另外可以采用集群計算機的方式，這樣可大幅提高三維重建效率。

1.4 模型修飾

通過軟件自動化生產(chǎn)出的三維模型，由于受到遮擋、反光、運動物體、大面積純色物體以及一些特殊地物的影響，就會出現(xiàn)模型的破洞、變形、碎片、凹凸不平等情況，因而需要借助一些軟件對模型進行修飾，由此獲取精細化的三維模型。

2 實景三維模型常見問題分類

2.1 三維模型破洞

模型破洞在實景三維模型中是最常見的問題之一，雖然三維建模軟件擁有一些簡單的修模功能，可以自動識別填充一些破洞，但是效果欠佳，仍需要后期進行處理。破洞問題產(chǎn)生的原因可以分為兩類：一類是原始照片數(shù)量不足，主要由于地物遮擋或者照片重疊度不夠等原因造成的。地物遮擋可能存在于地物之間的縫隙，也可能存在于一些特殊構(gòu)造的地物上；照片重疊度不夠則可能是由于地物處于測區(qū)邊緣，也可能是由于定高飛行時地物相對較高導致較平地區(qū)域擁有較低的照片重疊度。另一類是弱紋理表面，主要包括水面、純色墻體、玻璃、大片的沙灘及草原等，這類表面特征點較少，使得照片難以匹配甚至匹配錯誤，從而導致破洞的產(chǎn)生。

2.2 懸浮物

在軟件進行空三加密生成密集點云時，由于影像質(zhì)量欠佳或者一些地物的特殊結(jié)構(gòu)，如形狀過細、鏤空地物等，使得在進行密集點云匹配時難以進行匹配，構(gòu)建的三角網(wǎng)出現(xiàn)錯誤，進而導致懸浮物的產(chǎn)生。

2.3 移動物體異常匹配

在攝影測量的過程中，道路上的車輛、施工的塔吊等地物一直保持運動狀態(tài)，這使得軟件在進行影像密集匹配時難免出現(xiàn)一些錯誤，從而造成移動物體的幾何模型出現(xiàn)扭曲變形、道路凹凸不平等，在紋理映射時也會因為紋理粘貼錯誤而導致紋理混亂的情況出現(xiàn)[10]。

2.4 規(guī)則物體變形

受照片分辨率、弱紋理表面、照片數(shù)量不足以及軟件自身算法等因素的影響，難免無法絕對精準地進行點云匹配，使得在三維模型中出現(xiàn)扭曲變形，這在一些規(guī)則物體表面更為直觀地表現(xiàn)出來，如道路的引導線、規(guī)則建筑物的輪廓等。

3 不同軟件修模效果對比分析

3.1 實驗區(qū)概況及軟件介紹

本文的實驗研究區(qū)域位于遼寧省大連市琥珀灣，整個測區(qū)面積大約0.1 km2，飛行器采用精靈4pro，使用配套的DJI Terra進行飛行控制，航高設置為120 m，飛行速度設置為5 m/s，航向重疊率為80%，旁向重疊率為70%，相機使用精靈4pro自帶的V2.0相機，共獲取81張原始影像數(shù)據(jù)。后期數(shù)據(jù)處理所使用的電腦是LENOVO 30DJS8HX00 計算機，其采用了Windows 1 064 位操作系統(tǒng)，搭載了i9-10900 處理器，運行內(nèi)存為128 GB，機身內(nèi)存為10 T，可以穩(wěn)定、高效地完成實景三維建模及模型修飾工作。本文通過瞰景Smart 3D軟件進行自動化三維建模得到obj及osgb格式的實景三維模型數(shù)據(jù)，從中選取幾個存在模型問題的典型場景用于模型修飾實驗。

本文主要選取目前業(yè)內(nèi)流行的Dp-Modeler、Meshmixer及模方軟件這三款修模軟件展開研究分析。

Dp-Modeler是一套基于多影像進行快速、精確三維建模、Mesh網(wǎng)格模型修飾的軟件。該建模軟件支持多種模型格式、三角網(wǎng)格的局部修改、模型紋理自動映射等功能，已廣泛應用于數(shù)字城市大規(guī)?？焖偃S建模、工程竣工測量與土地的精確建模等相關領域。

Meshmixer 是一款被廣泛應用的三維模型設計軟件，支持三角網(wǎng)的增減調(diào)節(jié)、模型的編輯變換，主要有模型的切割、拼接、修補、剝殼、著色、刪除懸浮物等功能，另外還可以對模型進行結(jié)構(gòu)分析，添加支撐以備打印。

模方軟件是國內(nèi)一款專門針對實景三維模型的冗余碎片、水面殘缺、道路不平、標牌破損、紋理拉伸模糊等共性問題研發(fā)的實景三維模型修復編輯軟件，為實景三維模型修飾提供了較好的解決方案。

3.2 修模效果對比分析

在三維模型破洞修復上，以水面修飾為例，Dpmodeler可以先將水域區(qū)域選中擬合到平面，以此避免水面的凹凸不平，然后再通過補洞工具及紋理修飾操作完成水面修飾，另外也可以直接用準備好的紋理圖替換待修飾的水面區(qū)域；模方將水面修飾分為繪制水面范圍、調(diào)整水岸線、確認水岸線、選取島嶼、選取色彩、瓦片操作6個步驟，只需按照軟件提示進行操作即可，在Dp-modeler中也有水面修飾功能，但是并不是流程化的操作，不易掌握；Meshmixer 首先需要對凹凸不平的水面進行置平，工具中的磨平筆刷對于道路這種起伏不大的平面置平效果還不錯，但是對于起伏較大的水面失去置平的效果，在補洞方面，自動補洞不可能很好地檢測并修復所有破洞，需要用到編輯工具中的填補功能，另外在紋理修飾方面，軟件不能聯(lián)動其他修圖軟件。三款軟件對于水面修飾的修模效果如圖2所示。

圖2 Dp-modeler、模方與Meshmixer水面修復效果比較

在對懸浮物的剔除上，Dp-modeler采用選取懸浮物工具，通過設置最小組件比例自動篩選出所選tile中的所有懸浮物，最后完成剔除懸浮物的操作；模方則是通過刪除小碎片工具，顯示所有碎片并完成碎片的剔除操作；Meshmixer 通過分析工具的檢查器功能實現(xiàn)懸浮物的自動篩選，但是該工具僅支持單個tile的操作。三款軟件對于懸浮物的剔除效果如圖3所示。

圖3 Dp-modeler、模方與Meshmixer懸浮物剔除效果比較

從圖3中可以看出，三款軟件均可以實現(xiàn)自動化剔除懸浮物，且均能達到不錯的效果，但是Meshmixer 只能針對單一tile 進行操作，而且在操作中偶爾會出現(xiàn)錯誤填補破洞，處理速度也相對較慢。

在移動物體異常匹配上，以道路上移動的車輛為例，Dp-modeler 首先通過擬合到平面工具將道路置平，然后通過Mesh 紋理修改工具調(diào)用PS 進行紋理的修飾；模方中有道路置平工具和表面置平工具，直接框選范圍區(qū)域進行自動置平，紋理修飾可以通過調(diào)用PS進行處理，也可以通過設置空三文件，然后系統(tǒng)自動挑選出合適影像進行映射；Meshmixer 在選擇處理區(qū)域后通過平面切割工具對高出地面區(qū)域的物體進行切割完成區(qū)域置平，或者也可以直接刪除異常匹配物體然后再進行補洞，不具備紋理修飾功能。三款軟件對于移動物體異常匹配的修模效果如圖4所示。

圖4 Dp-modeler、模方與Meshmixer移動物體異常匹配修模效果比較

從圖5 中可以看出，Dp-modeler、模方在移動物體異常匹配上的修模效果都挺不錯，但在操作便捷性上還是模方軟件比較占優(yōu)勢；Meshmixer 對于此類問題的解決則略加繁瑣，且質(zhì)量效果不佳。

圖5 Dp-modeler、模方與Meshmixer規(guī)則物體變形修復效果比較

在規(guī)則物體變形上，以規(guī)則建筑物為例，建筑物的扭曲變形常常體現(xiàn)在建筑物輪廓上，Dp-modeler可以通過墻線拉直工具對墻線進行矯正，也支持一體化模型構(gòu)建，將建筑物通過線面工具繪制出來后再進行自動紋理映射，從而得到精細化的單體模型，但是對于單鏡頭影像，易出現(xiàn)因影像數(shù)據(jù)不足而導致自動紋理映射失??；模方中的立面修正工具同樣可以對建筑物進行繪制，并提供融合到整體模型、從整體模型中挖除及不融合到整體模型3 種選擇，同樣支持自動紋理映射功能；Meshmixer 對于墻面的不平整可以通過磨平筆刷進行平整，但是效果并不理想，也不支持對于變形墻線的拉直等操作，修復效果相對較差。三款軟件對于規(guī)則物體變形的修模效果如圖5所示。

在軟件功能上，Dp-modeler功能比較強大，對于同一種模型問題擁有更多的解決方案，這在一定程度上拓寬了軟件模型修飾的功能；模方軟件的功能主要針對三維模型的共性問題，對各類問題提供了直觀便捷的解決方案，功能基本滿足實景三維模型的修復；Meshmixer 的功能更多偏向于模型的設計，主要用于編輯修改以及拼接模型，對于傾斜攝影實景三維模型修復的適用性相對要弱一些。另外，Dp-modeler和模方軟件都可以直接聯(lián)動Photoshop 軟件進行紋理修飾，也支持一鍵式紋理自動映射，但是Meshmixer 需要第三方修圖軟件進行操作，因此Meshmixer 在紋理修飾上比較欠缺。

在使用便捷性方面，模方軟件的使用最具有友善性及便捷性，對于一些模型問題的解決直接一鍵操作或以步驟化的形式列舉出來，比較直觀方便；Dp-modeler則專業(yè)性較強，使用起來不太容易操作；Meshmixer 有一些簡單使用的功能，但是對于模型常見問題的解決需要熟練掌握多個工具的組合，在初期使用起來會比較困難。

在處理效率上，Dp-modeler和模方對于加載和處理常規(guī)實景三維模型數(shù)據(jù)都比較高效，但是從處理模型共性問題的便捷性和速度來看，模方還是相對占一定優(yōu)勢，另外，模方的多瓦片聯(lián)合處理功能極大提高了處理效率和處理效果質(zhì)量，因此顯得更加高效；Meshmixer 加載一定數(shù)量的瓦片數(shù)據(jù)后，就會出現(xiàn)明顯的卡頓現(xiàn)象，單瓦片的處理極大限制了處理效率，處理效率相對較低。

4 結(jié)語

本文針對三維模型常見問題總結(jié)分類并進行原因分析，利用業(yè)內(nèi)三款典型軟件進行模型修飾，并對不同軟件修模效果展開對比分析，結(jié)果表明：對于三維模型出現(xiàn)的幾類常見問題，Dp-Modeler軟件修復效果較佳，工具豐富，解決問題方案多樣，但操作較為繁雜。而模方修復效果較佳，操作直觀便捷，處理效率上也占一定優(yōu)勢，但工具較Dp-Modeler 相對較少。Meshmixer 主要側(cè)重于模型設計，對于三維模型修復的適用性相對較弱，修復效果也差一些。隨著實景三維建模技術的不斷成熟，傳統(tǒng)的測繪地理信息產(chǎn)品早就難以滿足用戶對于精細化模型的需求，選擇可靠高效便捷的軟件進行模型修飾直接影響著后期的作業(yè)效果及作業(yè)效率。本文選擇的三款軟件具有修模的典型性，總結(jié)提出的常見模型問題修模思路也比較清晰，可供相關人員參考借鑒。