傾斜攝影實(shí)景三維模型成果的質(zhì)量檢查與分析

林金標(biāo)

（福建省地質(zhì)測(cè)繪院，福建 福州 350011）

0 引言

傾斜攝影測(cè)量作為一項(xiàng)新興的測(cè)量技術(shù)，在三維建模和工程測(cè)量中有廣泛的應(yīng)用前景，特別是在街景工廠 Street Factory、Pix4Dmapper、JX4、Pixel?grid、DPGrid、TOPGRID、PhotoMesh等三維建模的先進(jìn)專業(yè)軟件的開發(fā)中，為實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)的處理提供強(qiáng)有力支撐。與傳統(tǒng)三維建模技術(shù)相比，傾斜攝影實(shí)景三維建模技術(shù)有很多優(yōu)點(diǎn)，如省時(shí)省力、效率高、工作量少等。傳統(tǒng)三維模型是在《三維地理信息模型數(shù)據(jù)產(chǎn)品質(zhì)量檢查與驗(yàn)收》（以下簡(jiǎn)稱規(guī)范CH/T 9024—2014）［1］基礎(chǔ)上進(jìn)行質(zhì)量控制的，但傾斜攝影實(shí)景三維模型在技術(shù)路線、作業(yè)流程等方面與傳統(tǒng)三維建模不同，現(xiàn)行的標(biāo)術(shù)規(guī)范無(wú)法對(duì)傾斜攝影實(shí)景三維模型的數(shù)據(jù)質(zhì)量作出客觀真實(shí)的評(píng)價(jià)。本研究基于福建省某縣的傾斜攝影實(shí)景三維模型建設(shè)項(xiàng)目成果的質(zhì)量檢查，來(lái)闡述實(shí)景三維模型普遍存在的質(zhì)量問(wèn)題、檢查內(nèi)容、檢查方式、檢查結(jié)果、處理建議等。

1 實(shí)景三維特征

傳統(tǒng)的三維模型以外業(yè)影像照片、數(shù)字線劃圖DLG、數(shù)字正射影像DOM、數(shù)字高程模型DEM 等為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，利用3ds Max等三維處理軟件對(duì)輪廓進(jìn)行人工構(gòu)建，從而構(gòu)建建筑物的三維模型，照片處理和紋理貼圖分為細(xì)節(jié)模型、主體模型和模型符號(hào)等方式，是依據(jù)現(xiàn)行的三維模型數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查與驗(yàn)收的規(guī)范對(duì)傳統(tǒng)三維模型數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量檢查、質(zhì)量評(píng)定。

實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)是在外業(yè)（傾斜攝影、全景拍攝等方式）采集到的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，內(nèi)業(yè)通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，多視影像區(qū)域網(wǎng)聯(lián)合平差，多視影像密集匹配，數(shù)字表面模型生產(chǎn)，實(shí)景三維模型的生成。傾斜攝影測(cè)量數(shù)據(jù)采集具有靈活、高效、高分辨率等優(yōu)點(diǎn)，是實(shí)景三維建模數(shù)據(jù)采集普遍采用的一種方式。普通三維建模的模型等級(jí)高低、要素類型、精細(xì)程度均取決于地物要素的重要性，而傾斜攝影實(shí)景三維原始影像的分辨率和傾斜三維處理軟件算法對(duì)模型的精細(xì)程度產(chǎn)生影響，與地物要素重要性等級(jí)無(wú)關(guān)，沒(méi)有單體化之前的各類地物，其模型結(jié)構(gòu)均按統(tǒng)一規(guī)則進(jìn)行取舍，其精細(xì)度也基本一致。建筑物墻面、門窗、陽(yáng)臺(tái)等細(xì)節(jié)表現(xiàn)也較好，道路、水系、建筑物等模型結(jié)構(gòu)基本上完整。但地物大小及其周邊遮擋情況會(huì)影響模型的精細(xì)度，一些地物模型結(jié)構(gòu)會(huì)出現(xiàn)不完整的現(xiàn)象，如漂浮、殘缺、漏洞等，從而導(dǎo)致模型不完整、模型漂浮、模型殘缺、模型漏洞等。這就要求在實(shí)景三維模型質(zhì)量檢查過(guò)程中，要區(qū)分地物要素的重要性，不能照搬現(xiàn)行規(guī)范，必須有選擇、有重點(diǎn)地進(jìn)行質(zhì)量檢查。

2 質(zhì)量檢查內(nèi)容和方法

傳統(tǒng)三維模型的質(zhì)量檢查是以規(guī)范CH/T 9024—2014為依據(jù)，傾斜攝影實(shí)景三維模型在技術(shù)路線、作業(yè)流程等方面均不同于傳統(tǒng)三維建模，無(wú)針對(duì)性的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范可用，但現(xiàn)行的標(biāo)術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范無(wú)法對(duì)傾斜攝影實(shí)景三維模型的數(shù)據(jù)質(zhì)量作出客觀真實(shí)的評(píng)價(jià)。通過(guò)參考相關(guān)規(guī)范及傾斜攝影實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查存在的問(wèn)題，對(duì)質(zhì)量檢查的元素進(jìn)行分析梳理，闡述傾斜攝影實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)的質(zhì)量檢查內(nèi)容和檢查方法［2］。檢查內(nèi)容、檢查方式詳見表1。

表1 質(zhì)量檢查內(nèi)容和方式

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 項(xiàng)目概況

本研究以福建省某縣中心區(qū)域開展的傾斜攝影實(shí)景三維模型工作為例，該區(qū)域地勢(shì)平坦，攝影面積為18.5 km2。攝影機(jī)為羅賓遜R44型直升機(jī)搭載AMC1050，雙下視十鏡頭采集影像，航高為320 m，下視影像分辨率為0.05 m，共獲取58 352 張影像，航線總數(shù)量為70條。布設(shè)像片控制點(diǎn)135個(gè)，采用Bentley Context Capture 軟件進(jìn)行空三加密和三維模型構(gòu)建工作，同時(shí)使用DP-modeler 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)建模和修飾編輯，數(shù)據(jù)格式為openscenegraphbi?nary（.osgb），平面及高程誤差均控制在0.25 m內(nèi)［3］。

3.2 質(zhì)量檢查

綜合考慮模型復(fù)雜度、重要程度和航攝分區(qū)等因素對(duì)該實(shí)景三維模型成果進(jìn)行檢查，其中抽取4 個(gè)區(qū)塊（面積為1.3 km2）作為樣本進(jìn)行全面詳查，且統(tǒng)計(jì)出存在的各類差錯(cuò)數(shù)量及中誤差，樣本成果進(jìn)行外業(yè)實(shí)地檢查，并實(shí)地測(cè)量明顯特征點(diǎn)的平面坐標(biāo)和高程，內(nèi)業(yè)采用人機(jī)交互的方式進(jìn)行檢查，其他區(qū)域采取概括檢查方式進(jìn)行檢查。每個(gè)區(qū)塊選取檢查30～60 點(diǎn)，外業(yè)實(shí)測(cè)檢查點(diǎn)坐標(biāo)及高程，與內(nèi)業(yè)在軟件Bentley Acute3D Viewer 平臺(tái)上量取對(duì)應(yīng)同名點(diǎn)的平面坐標(biāo)和高程數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，并求出其中誤差。通過(guò)核查分析法或外業(yè)實(shí)測(cè)法對(duì)空間參考系、位置精度、邏輯一致性、時(shí)間精度、場(chǎng)景效果、表達(dá)精細(xì)度、數(shù)據(jù)組織、附件質(zhì)量等進(jìn)行檢查，匯總存在的主要質(zhì)量問(wèn)題、坐標(biāo)及高程精度，并結(jié)合項(xiàng)目技術(shù)設(shè)計(jì)書及相關(guān)規(guī)范進(jìn)行質(zhì)量評(píng)定。

3.3 檢查結(jié)果

4個(gè)樣本區(qū)塊的實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)質(zhì)量等級(jí)評(píng)定為合格，但也存在一些質(zhì)量問(wèn)題，經(jīng)作業(yè)組全面、認(rèn)真地整改后，成果滿足技術(shù)設(shè)計(jì)書的要求。

3.3.1 主要質(zhì)量問(wèn)題。①場(chǎng)景完整性和協(xié)調(diào)性。采用核查分析法進(jìn)行檢查時(shí)，檢查結(jié)果表明，少數(shù)低矮建筑物和高大獨(dú)立樹的模型出現(xiàn)相互穿插的現(xiàn)象。水域模型發(fā)生異常變形、破洞未處理、懸浮物未刪除。城市道路、天橋和廣告牌的模型出現(xiàn)相互穿插的現(xiàn)象。大面積水域、坡度較大的山體的模型存在縫隙和空洞現(xiàn)象。②表達(dá)精細(xì)度。采用人機(jī)交互核查的方式檢查模型、紋理的精細(xì)度，檢查結(jié)果表明，鐵塔、電桿、路燈、廣告牌等線狀建筑物的模型發(fā)生扭曲變形。建筑物外墻出現(xiàn)表面不平、破洞的現(xiàn)象，少數(shù)房屋建筑物出現(xiàn)模型黏連，電桿、鐵塔存在缺漏。低矮房屋模型存在輕微的變形，且紋理不清晰。道路路面局部凹凸不平，出現(xiàn)模型紋理錯(cuò)位、扭曲變形的現(xiàn)象。狹窄的街道出現(xiàn)模型扭曲失真的現(xiàn)象。一些紋理拼接出現(xiàn)色差明顯、貼圖錯(cuò)位的現(xiàn)象。水面發(fā)生變形，出現(xiàn)高程變化起伏較大的現(xiàn)象。少數(shù)大型建筑發(fā)生模型側(cè)面紋理錯(cuò)位情況。茂密樹林發(fā)生模型變形扭曲的情況。

3.3.2 坐標(biāo)及高程精度檢查。采用全站儀等儀器實(shí)地測(cè)量人行天橋和房屋等建筑物特征點(diǎn)的平面坐標(biāo)或上下高程，將外業(yè)實(shí)測(cè)明顯特征點(diǎn)的平面坐標(biāo)和高程數(shù)據(jù)，與內(nèi)業(yè)在三維模型上量取的對(duì)應(yīng)同名點(diǎn)的平面坐標(biāo)和高程數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，并求出其中誤差，通過(guò)計(jì)算中誤差的方法來(lái)衡量平面坐標(biāo)和高程精度。精度檢查結(jié)果如表2所示。

表2 坐標(biāo)及高程精度檢查統(tǒng)計(jì)表

4 處理建議

實(shí)景三維模型在模型比例、場(chǎng)景紋理、模型細(xì)節(jié)等方面具有真實(shí)直觀的效果，但目前的技術(shù)手段和生產(chǎn)工藝還存在局限性。因此，在生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題也在所難免。傾斜攝影實(shí)景三維建模主要利用影像的特征點(diǎn)進(jìn)行匹配構(gòu)建，該算法在處理顏色單調(diào)、顏色變化小的金屬柱架、墻壁或屋頂、大面積水域、玻璃幕墻等無(wú)明顯特征點(diǎn)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)匹配粗差或偏差的情形，從而造成拼接錯(cuò)位、冗余數(shù)據(jù)、扭曲變形、部件細(xì)節(jié)缺失、漏洞、紋理拉伸等。攝影測(cè)量因其航高低、傾角大，容易產(chǎn)生陰影和遮擋等現(xiàn)象。

對(duì)實(shí)景三維模型在檢查過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的模型扭曲變形、紋理拉伸模糊、黏連等質(zhì)量問(wèn)題，除了采用常規(guī)的技術(shù)手段來(lái)減弱或消除這些質(zhì)量問(wèn)題外，還可使用先進(jìn)的處理軟件通過(guò)人工編輯進(jìn)行補(bǔ)充完善，進(jìn)一步將模型處理好，也可將點(diǎn)云數(shù)據(jù)運(yùn)用到實(shí)景三維模型構(gòu)建中，并配合低空近景攝影方式來(lái)完善模型紋理，進(jìn)一步提升實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)的質(zhì)量。

5 結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)階段，在傾抖攝影實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)產(chǎn)品質(zhì)量檢查規(guī)范尚未發(fā)布的前提下，本研究參考現(xiàn)行的傳統(tǒng)三維建模的相關(guān)行業(yè)規(guī)范，通過(guò)對(duì)福建省某縣實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量檢查，總結(jié)傾斜攝影實(shí)景三維模型的主要檢查內(nèi)容和方法，并對(duì)存在的質(zhì)量問(wèn)題提出處理建議，為實(shí)景三維數(shù)據(jù)的生產(chǎn)提供指導(dǎo)，從而加強(qiáng)質(zhì)量控制，為實(shí)景三維數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)定提供參考，確保實(shí)景三維數(shù)據(jù)的質(zhì)量。