張艷麗 楊峰

摘要：“十四五”任務指出，實景三維中國建設是新型基礎測繪的組成部分之一，而實景三維數(shù)據(jù)的生產(chǎn)主要采用無人機傾斜攝影技術(shù)。本文從傾斜攝影技術(shù)入手，以實際生產(chǎn)項目為案例，對實景三維模型數(shù)據(jù)的生產(chǎn)流程進行了介紹，并針對模型存在的拉花、變形、孔洞等問題，進行了深入分析，提出切實可行的解決方案。采用DP-Modeler軟件對問題模型進行了處理，取得了較好的模型展示效果。本文的研究，以期為實景三維中國的建設帶來借鑒。

關鍵詞：無人機；傾斜攝影；實景三維中國；單體化；實景三維模型

中圖分類號：P231? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2024）07-0107-03

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）

0 引言

實景三維中國建設是“十四五”時期提出的一項全國性的測繪行業(yè)的任務，從國家層面到地方都要求按時高質(zhì)量完成。實景三維城市建?？刹捎脗鹘y(tǒng)的垂直攝影測量方式，基于虛擬立體像對采集建筑物的頂部信息和量取建筑物的長寬高等，這種方式由于獲取的側(cè)面信息較少，后期貼圖需要外業(yè)利用數(shù)碼相機補拍，然后往建筑物上貼圖，補拍的照片坐標系任意，并且分辨率差異大，貼圖的過程中，會對照片進行拉伸旋轉(zhuǎn)等一系列操作，導致最終貼圖與實際相差較大[1-3]。也可采用三維激光掃描技術(shù)，通過地面和航空方式獲取密集的點云數(shù)據(jù)，然后經(jīng)過一系列濾波處理等操作，將異常點剔除，然后基于密集的點云數(shù)據(jù)采集建筑物的結(jié)構(gòu)，量取建筑物的長寬高等。這種方式獲取的點云數(shù)據(jù)量大，對作業(yè)人員能力要求高，對電腦配置要求也高，并且獲取的點云數(shù)據(jù)前期處理工作量大，貼圖也是補拍方式獲取，生產(chǎn)的實景模型與實際相差較大[4-6]。近年來，無人機搭載傾斜相機被廣泛用于城市建模，本文首先介紹了傾斜攝影原理，并以某一作業(yè)項目為例，對建模流程進行說明。并對模型存在的拉花、變形、孔洞等問題，從原理上進行深入分析，提出切實可行的方案，并采用DP-Modeler軟件對上述問題進行了處理。通過對處理前后的模型進行對比可知，采用單體化方式處理的模型，其展示效果較好，可以滿足實景三維中國建設的要求。

1 傾斜攝影測量

傾斜攝影測量是指在飛行平臺上，搭載多個相機，通過飛控控制多個相機同時曝光拍照，并將下視相機曝光時的位置和姿態(tài)記錄下來，然后利用攝影測量軟件解算，得到數(shù)字正射影像、實景三維模型等具有量測特性的成果。傾斜攝影相機一般有2鏡頭、3鏡頭、5鏡頭等，其獲取影像的視角不同，獲取的照片數(shù)不同，目前常用的是5鏡頭組合，包含1個下視和4個側(cè)視，下視獲取被攝物體頂部紋理數(shù)據(jù)，側(cè)視獲取被攝物體側(cè)面紋理數(shù)據(jù)。5鏡頭航攝示意圖如圖1所示。

2 案例分析

某市要開展實景三維模型生產(chǎn)，要求獲取建成區(qū)2cm分辨率的傾斜影像，完成實景三維模型生產(chǎn)，并對部分建筑進行單體化處理，對場景中的空洞、拉花、變形等問題進行處理。筆者在對該項目進行分析后，提出如圖2所示的作業(yè)方案，并對其主要環(huán)節(jié)進行說明。

2.1 測區(qū)勘查與資料收集

本次任務區(qū)面積約30km2，地勢平坦，最高樓約100m。收集到該區(qū)域0.2m分辨率的正射影像，其現(xiàn)勢性為2022年，可用于本次像控點布設以及測量的底圖和路線規(guī)劃圖。

2.2 飛機與相機選擇

結(jié)合測區(qū)勘查情況，本次作業(yè)選擇多旋翼無人機搭載傾斜5鏡頭相機。在相機選擇時，選擇下視焦距為35mm，側(cè)視焦距為50mm，像元大小為4.52um，像幅為7952*5304的相機，其中側(cè)視相機與下視相機夾角為45度，在記錄POS數(shù)據(jù)時，只記錄下視相機對應的POS。

2.3 控制測量

為了保證本次成果精度符合項目要求，在航攝實施前進行像控點的布點與采集?；谝延杏跋?，間隔400m均勻布設點位，并將點位標注到影像上，導出電子圖存到平板中，并對測點路線進行規(guī)劃，確保高效率完成像控點的測量工作。像控點點位選取時，盡量選取四周空曠，點位明確的點進行測量，在沒有符合要求的點位時，采用噴涂靶標的方式進行點位噴涂，然后對靶標坐標進行測量。在航攝前，要確保靶標完整不被損壞。在對點位坐標測量時，多次測量取平均值。為了內(nèi)業(yè)對點位準確判斷與轉(zhuǎn)刺，在測量時，從不同視角、遠近距離分別拍攝像控點實地測量照片。

2.4 航空攝影實施

遵循相關法律，對任務區(qū)空域進行申請，然后按照空域批復文件中的范圍、航攝高度、作業(yè)時間段作業(yè)。在作業(yè)前，結(jié)合空域批復文件內(nèi)容，完成航線的規(guī)劃，并將航線上傳飛控。在確保起飛環(huán)境安全時，完成無人機的起飛與數(shù)據(jù)采集，并對航攝影像成果質(zhì)量進行檢查，主要檢查影像的對比度和亮度。通過人機交互方式查看本次成果，影像對比度適中，亮度適中，符合本次項目要求。POS數(shù)據(jù)個數(shù)和下視相機影像對應完整，未出現(xiàn)丟失POS或影像問題，成果可直接用于后續(xù)數(shù)據(jù)的生產(chǎn)。

2.5 空三加密與平差調(diào)整

本次數(shù)據(jù)解算選用瞰景Smart3D軟件。由于任務區(qū)面積大，在進行空三解算時，將任務區(qū)分為4部分，在接邊區(qū)域，互相重疊3個展點，保留共用的一部分像控點。新建工程，將POS數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)加載到軟件中，完善每個鏡頭的焦距參數(shù)，提交空三任務，開啟引擎，進行空三加密解算。在完成自由網(wǎng)空三解算后，查看空三報告，加密點重投影中誤差為0.412個像素，影像平均分辨率為1.9cm，成果精度良好。設置空三坐標系統(tǒng)，導入像控點并轉(zhuǎn)刺，并完成帶像控點的平差調(diào)整。通過查看平差報告，像控點在平面和高程方向較差均小于0.01m，成果精度高，可直接用于模型生產(chǎn)。對于接邊區(qū)域，分別進行公共點的轉(zhuǎn)刺與平差，并將符合要求的空三進行合并。

2.6 實景三維模型生產(chǎn)

為了便于模型的管理，本次在生產(chǎn)模型時，將設置瓦片命名和模型偏移的原點設置為同一個數(shù)，并且其位置基本上位于測區(qū)中心。設置模型空間框架和像控點坐標系一致，導入任務區(qū)范圍線，并對其緩沖50m，設置瓦片大小為100m×100m，分塊方式為水平規(guī)則格網(wǎng)劃分，模型輸出格式為OSGB和OBJ，如圖3所示，是本次得到的部分模型。

2.7 實景三維模型優(yōu)化

采用人機交互方式對實景三維模型查看，對存在的問題起因進行分析，并利用DP-Modeler軟件，對問題模型進行處理。

2.7.1 建筑物底部模型拉花

傾斜攝影是從空中對地面進行的一種攝影，其在獲取影像時，由于建筑物的互相遮擋，伸出屋檐的遮擋等，會導致獲取的數(shù)據(jù)存在盲區(qū)。在進行空中三角測量解算時，其提取的是同名點，對于盲區(qū)區(qū)域，由于缺少影像，導致無法提取同名點和匹配點云數(shù)據(jù)，因此在后期構(gòu)建三角網(wǎng)的時候，無法準確地對建筑物結(jié)構(gòu)進行構(gòu)建，從而導致模型結(jié)構(gòu)拉花。在紋理映射時，沒有準確的影像映射紋理，從而會導致映射紋理拉花。

對于建筑物底部模型拉花問題，目前主要采用兩種方式進行處理。一種是利用傾斜攝影數(shù)據(jù)和地面掃描的激光點云數(shù)據(jù)融合建模。利用掃描的數(shù)據(jù)構(gòu)建準確的建筑結(jié)構(gòu)，并將彩色紋理映射到模型上。這種方式要求傾斜數(shù)據(jù)和點云數(shù)據(jù)精度極高，才可以準確融合，作業(yè)難度較大。另一種是直接利用單體化軟件，結(jié)合虛擬立體像對，對建筑物結(jié)構(gòu)重建，然后利用補拍的照片進行紋理映射，從而得到結(jié)構(gòu)符合要求的模型成果。本次采用DP-Modeler軟件，對部分建筑物進行單體化處理，其優(yōu)化前后對比如圖4所示。

2.7.2 薄墻壁易出現(xiàn)孔洞

在空三解算時，薄墻壁的兩側(cè)都會提取到同名點，然后基于多視影像密集匹配算法，會在墻壁的兩側(cè)提取大量的密集三維點數(shù)據(jù)。在后期進行三角網(wǎng)構(gòu)建時，正常應該是同側(cè)點云構(gòu)建三角網(wǎng)。而按照三角網(wǎng)構(gòu)網(wǎng)原則，要求構(gòu)建的三角網(wǎng)符合鄰近點構(gòu)網(wǎng)，又要滿足三邊之和最小原則，因此會出現(xiàn)墻壁兩側(cè)的點構(gòu)建同一個三角網(wǎng)，從而導致墻壁出現(xiàn)孔洞。

對于薄墻壁出現(xiàn)孔洞問題，目前主要的優(yōu)化方案有三種。第一種方案是從點的數(shù)量角度出發(fā)，即改變匹配算法，獲取更加密集的點云，或者獲取更高分辨率的影像，進行密集點云的匹配；第二種方案是采用第三方軟件，直接對墻壁上的孔洞進行填補。即利用周邊的點數(shù)據(jù)，對孔洞進行三角網(wǎng)的擬合，然后對紋理進行修飾；第三種方案是采用單體化方式，直接舍棄原有模型，然后重建薄墻壁。本次采用DP-Modeler軟件，采用單體化的方式對薄墻壁進行優(yōu)化，優(yōu)化前后對比圖如圖5所示。

2.7.3 路燈、獨立樹木易形成懸浮物

對于路燈和獨立樹木這類地物，在進行密集點云匹配時，由于其細小等特征，導致匹配的點云數(shù)量較少，在進行三角網(wǎng)的構(gòu)建時，由于點數(shù)量無法滿足構(gòu)網(wǎng)需求，因此會導致部分區(qū)域無法構(gòu)網(wǎng)，從而形成孤立的三角網(wǎng)，紋理映射完成后，就形成所說的懸浮物。

對于上述這種問題，目前處理的方式主要有兩種，第一種方案是從點的數(shù)量角度出發(fā)，即改變匹配算法，獲取更加密集的點云，或者獲取更高分辨率的影像，進行密集點云的匹配；第二種方案是直接對模型中的懸浮物進行刪除。因為在某些項目要求中，為了體現(xiàn)場景的干凈整潔，對懸浮物進行刪除即可。本次采用DP-Modeler軟件，直接對懸浮物進行刪除，懸浮物刪除前后對比圖如圖6所示。

3 結(jié)束語

本文以實景三維中國建設項目為例，對傾斜攝影在實景三維模型生產(chǎn)中的流程進行了說明，并分析了模型存在問題的原因，給出可行的解決方案，并對問題模型進行處理。通過對處理前后的模型進行對比查看可得出，采用本文方案得到的模型成果，其可以滿足實景三維中國建設要求，本文的研究可以為實景三維中國建設帶來借鑒。

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【通聯(lián)編輯：梁書】