手機(jī)影像輔助傾斜攝影的快速精細(xì)化建模方法研究

李聞杰，左小清，唐靈，楊栩，張暢

(1.昆明理工大學(xué)，云南 昆明 651051； 2.株洲市規(guī)劃設(shè)計(jì)院，湖南 株洲 412000)

1 引 言

隨著各種測(cè)量手段的不斷進(jìn)步，地理信息產(chǎn)業(yè)和空間數(shù)據(jù)的獲取手段得到了飛速發(fā)展。城市化進(jìn)程加快，數(shù)字城市、智慧城市快速發(fā)展。傳統(tǒng)的二維數(shù)字地圖已經(jīng)不能滿足各個(gè)行業(yè)的相關(guān)需求。相較于傳統(tǒng)的二維地圖，三維數(shù)據(jù)具有更直觀、更真實(shí)、數(shù)據(jù)量更大、精度更高等眾多優(yōu)點(diǎn)[1～3]。

傾斜攝影三維建模技術(shù)是現(xiàn)在大范圍三維建模的主流技術(shù)。通過(guò)在同一飛行平臺(tái)上搭載多臺(tái)傳感器，同時(shí)從一個(gè)垂直、四個(gè)側(cè)視等不同角度采集影像。該方法方便快捷，效率高，采用實(shí)景照片貼合紋理具有極高的逼真度。但是由于飛行高度較高拍攝角度有局限、地面地物有遮擋，導(dǎo)致地物模型的局部變形、拉花，從而影響建模效果。

現(xiàn)行主流精細(xì)化建模技術(shù)有三種。第一種也是較為主流的方法是以傾斜攝影為主，結(jié)合地面激光雷達(dá)的作業(yè)模式[4～7]。無(wú)人飛行器搭載傾斜攝影系統(tǒng)采集測(cè)區(qū)傾斜攝影影像數(shù)據(jù)，地面激光雷達(dá)采集特定目標(biāo)建筑物地面點(diǎn)云數(shù)據(jù)，提高了三維建模的精度，完善了模型地面紋理細(xì)節(jié)。但是存在設(shè)站過(guò)多、外業(yè)工作量大、兩種技術(shù)數(shù)據(jù)格式不統(tǒng)一、數(shù)據(jù)融合煩瑣等問(wèn)題，造成精細(xì)化建模效率低下。

第二種是利用傾斜攝影測(cè)量結(jié)合小型無(wú)人機(jī)近景攝影測(cè)量的實(shí)景三維精細(xì)化建模[8～10]。該方法可大幅提升實(shí)景三維模型效果，特別是對(duì)模型側(cè)面紋理、結(jié)構(gòu)效果有很大提升。但是地面工作量大，需要多臺(tái)無(wú)人機(jī)配合采集數(shù)據(jù)。

另一種單體化精細(xì)建模主要是利用相關(guān)軟件(如3ds Max等)人工手動(dòng)建模[8，11，12]，手工建模的三維模型效果好，但是建模的過(guò)程復(fù)雜、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制作周期長(zhǎng)、無(wú)法適應(yīng)快速變化的城市環(huán)境更新。紋理的制作與貼圖十分麻煩且地物地貌較為虛擬，會(huì)將影像直接投影至模型表面，如建筑物前的植物等物體會(huì)被貼圖至建筑物表面，導(dǎo)致逼真度差與真實(shí)世界存在較大反差。

本文在現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上，利用手機(jī)近景影像輔助無(wú)人機(jī)傾斜攝影影像進(jìn)行精細(xì)化三維模型重建，選用株洲市清水塘工業(yè)園區(qū)內(nèi)某棟建筑物作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象。

2 研究區(qū)概況

本次研究主要針對(duì)大范圍實(shí)景三維模型中特定目標(biāo)建筑物的更新，研究區(qū)選擇了湖南省株洲市石峰區(qū)清水塘工業(yè)園區(qū) 13 km2的范圍。清水塘片區(qū)是我國(guó)“一五”“二五”期間重點(diǎn)建設(shè)的工業(yè)基地之一，經(jīng)過(guò)60多年的發(fā)展，形成了以冶煉、化工為主的產(chǎn)業(yè)格局。片區(qū)內(nèi)工業(yè)園區(qū)、低矮建筑物、中高層建筑等分布均勻，有利于選取特定建筑物完成精細(xì)化建模實(shí)驗(yàn)。研究區(qū)域如圖1黃色線框所示。

圖1 研究區(qū)范圍

3 原理和方法

三維實(shí)景模型重建的過(guò)程是先利用采集的影像進(jìn)行空中三角測(cè)量解算生成點(diǎn)云，從而構(gòu)建TIN三角網(wǎng)，再將采集的影像紋理數(shù)據(jù)貼合到構(gòu)建的TIN三角網(wǎng)上，從而實(shí)現(xiàn)三維實(shí)景建模。

將無(wú)人機(jī)傾斜攝影影像數(shù)據(jù)和手機(jī)近景影像數(shù)據(jù)分別提交空中三角測(cè)量任務(wù)，完成后合并兩個(gè)空三成果文件，在此基礎(chǔ)上重建精細(xì)化三維模型。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的獲取與處理技術(shù)路線如圖2所示。

圖2 技術(shù)路線

3.1 無(wú)人機(jī)影像獲取及預(yù)處理

(1)無(wú)人機(jī)影像數(shù)據(jù)獲取

無(wú)人機(jī)主要采集整個(gè)園區(qū)的傾斜影像，以及特定建筑物的頂部影像。

①選擇作業(yè)區(qū)域。測(cè)區(qū)株洲清水塘老工業(yè)園區(qū)，作業(yè)面積 13 km2。

②航線規(guī)劃。外業(yè)航飛數(shù)據(jù)采集工作采用四旋翼無(wú)人機(jī)搭載五鏡頭傾斜攝影系統(tǒng)。該傾斜攝影系統(tǒng)是SONY a6000五鏡頭傾斜攝影系統(tǒng)，其具體參數(shù)如表1所示。針對(duì)飛行面積，作業(yè)效率，作業(yè)區(qū)域地形條件，無(wú)人機(jī)性能等相關(guān)約束條件，在飛控軟件中規(guī)劃出最優(yōu)航線。無(wú)人機(jī)飛行高度 191 m，空間分辨率 3 cm，航向重疊度80%，旁向重疊度75%。

③地面像控點(diǎn)布設(shè)。由于采用的無(wú)人機(jī)為免像控?zé)o人機(jī)，機(jī)身上搭載了GPS接收機(jī)，但根據(jù)工作經(jīng)驗(yàn)其高程數(shù)據(jù)并不精確，故在外業(yè)航飛數(shù)據(jù)采集之前需要布設(shè)高程控制點(diǎn)。在測(cè)區(qū)選擇了15個(gè)地面高程控制點(diǎn)，要求其上方無(wú)地物遮擋，測(cè)區(qū)范圍邊界處控制點(diǎn)適當(dāng)加密。平面坐標(biāo)采用2000國(guó)家大地坐標(biāo)系，高程系統(tǒng)采用1985國(guó)家高程基準(zhǔn)。

傾斜攝影系統(tǒng)相機(jī)參數(shù) 表1

④航飛數(shù)據(jù)采集。選擇天氣晴朗，光照條件好，風(fēng)力較小的時(shí)間進(jìn)行無(wú)人機(jī)影像數(shù)據(jù)采集的外業(yè)工作。

(2)無(wú)人機(jī)影像數(shù)據(jù)的預(yù)處理

①影像質(zhì)量檢查。檢查無(wú)人機(jī)采集的影像數(shù)據(jù)質(zhì)量，查看影像文件完整性，抽檢色調(diào)、亮度是否一致，清晰度是否符合要求。

②空三解算。將合格的影像導(dǎo)入Context Capture軟件。手動(dòng)設(shè)置傾斜攝影系統(tǒng)的鏡頭參數(shù)。添加POS文件與控制點(diǎn)文件，手動(dòng)對(duì)影像控制點(diǎn)刺點(diǎn)，提交空三任務(wù)，進(jìn)行自動(dòng)空中三角測(cè)量。

③三維模型重建。檢查空三成果是否合格，有無(wú)影像錯(cuò)層等現(xiàn)象。設(shè)置統(tǒng)一起算坐標(biāo)與建模瓦片大小，以便之后精細(xì)化建模替換原模型，從而達(dá)到大面積三維實(shí)景模型中特定建筑物局部更新的目的。

3.2 手機(jī)影像獲取及預(yù)處理

(1)手機(jī)影像數(shù)據(jù)獲取

近景影像數(shù)據(jù)采集。地面近景影像數(shù)據(jù)采集采用Oneplus 8型號(hào)智能手機(jī)，拍攝時(shí)使用定焦功能。該型號(hào)手機(jī)系統(tǒng)參數(shù)如表2所示。手動(dòng)拍攝可打開(kāi)手機(jī)相機(jī)中九宮格功能輔助拍攝，以控制重疊率(80%)，影像中心盡量保持在同一直線，可使用立式手機(jī)支架輔助以保證相片的穩(wěn)定性。在同一個(gè)拍攝點(diǎn)位需采集正視方向、左側(cè)45度角、右側(cè)45度角三個(gè)方向的影像數(shù)據(jù)，分別采集地物正面、側(cè)面紋理，保證紋理數(shù)據(jù)的完整度。

手機(jī)系統(tǒng)相機(jī)參數(shù) 表2

(2)手機(jī)影像數(shù)據(jù)的預(yù)處理

①影像質(zhì)量檢查。檢查手機(jī)采集的影像數(shù)據(jù)質(zhì)量，及時(shí)檢查手機(jī)影像是否合格，有無(wú)模糊等情況。剔除不合格影像。

②手機(jī)影像預(yù)處理。由于手機(jī)相機(jī)拍攝影像畸變較大；需要對(duì)手機(jī)采集影像進(jìn)行影像幾何畸形矯正。對(duì)幾何矯正后的數(shù)據(jù)進(jìn)行勻光勻色處理。

③選取控制點(diǎn)。本文為了研究一種精細(xì)化模型局部快速更新的方法。因此直接在傾斜模型中量取未拉花、變形的特征點(diǎn)(如房角與地面交點(diǎn)、窗角等)坐標(biāo)值作為手機(jī)影像的控制點(diǎn)。

④空三解算。將預(yù)處理合格后的影像導(dǎo)入Context Capture軟件。手動(dòng)設(shè)置智能手機(jī)的鏡頭參數(shù)。添加控制點(diǎn)文件，進(jìn)行控制點(diǎn)刺點(diǎn)，對(duì)拍攝影像進(jìn)行影像糾正。提交空三任務(wù)，進(jìn)行自動(dòng)空中三角測(cè)量。

3.3 多源數(shù)據(jù)融合及三維重建

①空三成果融合。在Context Capture軟件中合并手機(jī)影像解算的空三文件與無(wú)人機(jī)傾斜攝影采集影像的空三文件。

②精細(xì)化三維模型重建?？杖晒喜⒑笾亟ň?xì)化三維實(shí)景模型，瓦片分塊設(shè)置與傾斜式三維模型設(shè)置相同，均為 100 m的分塊大小，設(shè)置同一起算坐標(biāo)保證每一個(gè)瓦片的命名一致。為了提高工作效率，無(wú)須整個(gè)測(cè)區(qū)大面積建模。可以手動(dòng)選擇需要精細(xì)化建模更新的瓦片分塊，單獨(dú)重建該區(qū)域三維實(shí)景模型，構(gòu)建出無(wú)人機(jī)傾斜攝影數(shù)據(jù)和手機(jī)近景攝影數(shù)據(jù)結(jié)合的實(shí)景三維模型。

③模型修飾。由于手機(jī)影像像元大小過(guò)小，對(duì)影像匹配的精度有所影響。大面積白墻三維模型重建之后存在小范圍空洞，需要通過(guò)DP-Modeler軟件填補(bǔ)白墻空洞。

④模型局部更新。將精細(xì)化建模的瓦片直接替換原傾斜式三維實(shí)景模型的同名瓦片數(shù)據(jù)，完成大面積三維實(shí)景模型中對(duì)特定目標(biāo)建筑物的精細(xì)化模型更新。

3.4 重建模型精度評(píng)價(jià)方法

為了檢驗(yàn)該方法的實(shí)際精度是否滿足規(guī)范要求。本文使用全站儀實(shí)地隨機(jī)測(cè)量了8個(gè)特征點(diǎn)的坐標(biāo)值作為真值。運(yùn)用Context Capture Viewer軟件中的量測(cè)工具，量測(cè)傾斜攝影三維模型和數(shù)據(jù)融合精細(xì)化模型中的對(duì)應(yīng)點(diǎn)坐標(biāo)值，量測(cè)三次取平均值，該數(shù)據(jù)作為檢測(cè)數(shù)據(jù)的觀測(cè)值。通過(guò)計(jì)算得出傾斜模型與精細(xì)化模型的點(diǎn)位中誤差，用此作為重建三維模型幾何精度的評(píng)價(jià)指標(biāo)。坐標(biāo)中誤差計(jì)算公式如式(1)所示。

(1)

4 結(jié)果與分析

4.1 多源數(shù)據(jù)融合三維重建結(jié)果

無(wú)人機(jī)傾斜式三維模型重建完成后可發(fā)現(xiàn)傾斜式實(shí)景三維模型較為逼真地反映了現(xiàn)實(shí)世界，但是放大后發(fā)現(xiàn)有些建筑物拉花嚴(yán)重、局部扭曲、建筑物結(jié)構(gòu)不完整，無(wú)法達(dá)到精細(xì)化建模要求，如圖3所示。

圖3 傾斜式三維模型

將兩組空三成果文件合并后進(jìn)行精細(xì)化三維模型重建，同一棟建筑物更新前后對(duì)比如圖4所示，圖4(a)為傾斜式三維模型，該棟建筑物結(jié)構(gòu)扭曲明顯，紋理拉花嚴(yán)重與實(shí)際建筑物相差較大。圖4(b)為傾斜攝影影像結(jié)合手機(jī)近景影像重建的實(shí)景三維模型，該建筑物結(jié)構(gòu)更加完整；未發(fā)生扭曲、變形，紋理無(wú)拉花，細(xì)節(jié)清晰，模型更加美觀，與實(shí)際相差較小。達(dá)到了精細(xì)化建模的預(yù)期效果。

圖4 手機(jī)精細(xì)化建模對(duì)比圖

因前后兩次模型重建任務(wù)的起算坐標(biāo)與瓦片大小相同所以可實(shí)現(xiàn)同名瓦片替換，以達(dá)到局部精細(xì)化更新的目的。模型精細(xì)化更新對(duì)比圖如圖5所示，圖中兩棟建筑物位于更新瓦片與未更新瓦片邊緣交界處，其中，圖5中左建筑物為精細(xì)化模型更新的建筑物，右建筑物為未精細(xì)化模型更新的傾斜攝影三維模型。由圖5可見(jiàn)，對(duì)目標(biāo)建筑精細(xì)化更新效果良好。結(jié)果表明該方法可以實(shí)現(xiàn)精細(xì)化模型的局部更新。

圖5 模型精細(xì)化更新對(duì)比圖

4.2 模型精度評(píng)價(jià)

通過(guò)Context Capture Viewer軟件中坐標(biāo)量測(cè)功能，分別量測(cè)傾斜攝影三維模型和數(shù)據(jù)融合精細(xì)化模型中的對(duì)應(yīng)點(diǎn)坐標(biāo)值，計(jì)算其與全站儀實(shí)測(cè)坐標(biāo)的差值，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如圖6所示。通過(guò)公式1計(jì)算得出傾斜模型與精細(xì)化模型的點(diǎn)位中誤差如表3所示。

圖6 模型坐標(biāo)與實(shí)測(cè)坐標(biāo)差值折線圖

模型中誤差統(tǒng)計(jì)表 表3

由表3，精細(xì)化建模的平面中誤差為 ±2.41 cm。由于手機(jī)近景影像精細(xì)化建模的控制點(diǎn)數(shù)據(jù)來(lái)源于原模型，因此高程精度幾乎沒(méi)有差距，均為 ±5.22 cm。

根據(jù)《三維地理信息模型數(shù)據(jù)產(chǎn)品規(guī)范》，三維模型平面精度規(guī)范如表4所示，高程精度要求如表5所示：

三維模型平面精度要求 表4

三維模型高程精度要求 表5

《三維地理信息模型數(shù)據(jù)產(chǎn)品規(guī)范》中根據(jù)實(shí)際地形的不同，對(duì)三維模型的精度要求也不同，精細(xì)化模型的平面精度達(dá)到規(guī)范中Ⅰ級(jí)精度要求，高程精度達(dá)到了平地地形Ⅰ級(jí)要求。由表3可知，精度較傾斜式三維模型平面精度提高了19%，其原因是精細(xì)化建模后結(jié)構(gòu)更完整，房角、屋檐等結(jié)構(gòu)十分明顯，在使用量測(cè)功能選擇特征點(diǎn)時(shí)更精確。

4.3 實(shí)用性評(píng)價(jià)

(1)工作效率對(duì)比

針對(duì)本文實(shí)驗(yàn)的兩棟目標(biāo)建筑物若使用地面激光點(diǎn)云補(bǔ)充采集低空傾斜攝影盲區(qū)數(shù)據(jù)，前期需要完成布設(shè)測(cè)站，測(cè)站控制點(diǎn)測(cè)量等準(zhǔn)備工作，外業(yè)數(shù)據(jù)采集和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理均需要較長(zhǎng)的時(shí)間。

如果使用無(wú)人機(jī)近景攝影測(cè)量的方法補(bǔ)充采集盲區(qū)影像，則需要在二次實(shí)地航飛前完成規(guī)劃環(huán)繞飛行航線和貼近飛行航線等前期工作。如果建筑物周?chē)鷺?shù)木或其他物體遮擋較多則需要手動(dòng)操作無(wú)人機(jī)采集影像數(shù)據(jù)，對(duì)外業(yè)操作者要求很高。

利用3d Max等軟件人工手工的方式對(duì)實(shí)驗(yàn)中的兩棟目標(biāo)建筑物精細(xì)化修模預(yù)計(jì)需要 1 h。若建筑物模型結(jié)構(gòu)變形嚴(yán)重，模型表面空洞過(guò)多其工作時(shí)長(zhǎng)將會(huì)更長(zhǎng)。

而本文提出的利用手機(jī)采集低空傾斜攝影盲區(qū)影像數(shù)據(jù)的方法，實(shí)驗(yàn)中兩棟目標(biāo)建筑物的外業(yè)數(shù)據(jù)采集工作僅耗時(shí) 10 min，內(nèi)業(yè)空三加密解算耗時(shí) 3 min。不同工作方式精細(xì)化建模時(shí)間對(duì)比如表6所示。

不同工作方式精細(xì)化建模時(shí)間對(duì)比表 表6

通過(guò)對(duì)比幾種精細(xì)化方法的工作時(shí)間可以得出：本文提出的手機(jī)補(bǔ)拍低空傾斜攝影盲區(qū)影像數(shù)據(jù)的方法，相較于其他三種傳統(tǒng)方法外業(yè)內(nèi)業(yè)工作周期短、工作量較小、具有較強(qiáng)的操作優(yōu)勢(shì)、大幅提升了工作效率。

(2)生產(chǎn)成本對(duì)比

地面激光雷達(dá)掃描儀，小型專(zhuān)業(yè)級(jí)無(wú)人機(jī)等專(zhuān)業(yè)儀器設(shè)備以及3d Max等專(zhuān)業(yè)模型軟件都價(jià)格高昂，并且需要加大相關(guān)專(zhuān)業(yè)人員的投入，生產(chǎn)成本極高。利用日常智能手機(jī)補(bǔ)拍地面影像數(shù)據(jù)可有效降低工程生產(chǎn)成本。

5 結(jié) 論

針對(duì)傳統(tǒng)三維建模的優(yōu)缺點(diǎn)，本文發(fā)展了一種傾斜攝影測(cè)量技術(shù)與手機(jī)近景攝影測(cè)量技術(shù)相結(jié)合的快速實(shí)景三維精細(xì)化建模方法。相較于單一無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)，該方法利用手機(jī)地面近景影像彌補(bǔ)了傾斜攝影技術(shù)由于視角造成的地物遮擋，存在拍攝盲區(qū)的缺陷，通過(guò)無(wú)人機(jī)搭載傾斜攝影系統(tǒng)低空作業(yè)也解決了地面手機(jī)無(wú)法采集到的建筑物頂部數(shù)據(jù)的問(wèn)題。兩種數(shù)據(jù)采集方式很好地實(shí)現(xiàn)了空地互補(bǔ)。通過(guò)該方法能夠完成對(duì)特定目標(biāo)建筑物精細(xì)化建模，所生產(chǎn)的三維實(shí)景模型美觀、結(jié)構(gòu)完整、紋理清晰。通過(guò)統(tǒng)一起算坐標(biāo)，固定模型瓦片大小，可直接將數(shù)據(jù)融合后重建的精細(xì)化三維實(shí)景模型數(shù)據(jù)替換原傾斜式三維實(shí)景模型數(shù)據(jù)，以達(dá)到對(duì)特定目標(biāo)建筑物三維精細(xì)化建模局部更新的效果。該方法具有良好的可行性、有效性、經(jīng)濟(jì)性。相較于主流的地面激光點(diǎn)云與傾斜攝影技術(shù)融合的精細(xì)化建模的方法，本方法工作效率明顯提升且能實(shí)現(xiàn)多建筑物的精細(xì)化建模局部更新。