一種空地融合精細化三維建模方法及其行業(yè)應用

李文琪 趙 耀 劉騰飛 高 鐵

（1.陽泉精誠測繪有限責任公司，山西 陽泉 045000；2.山西省測繪地理信息院，山西 太原 030001；3.瞰景科技發(fā)展（上海）有限公司，陜西 西安 710000；4.西安鷹翔測繪科技有限責任公司，陜西 西安 710000）

0.引言

近年來隨著國家對實景三維中國建設的進一步推進和落地，以及無人機航攝技術的成熟，實景三維模型越來越廣泛應用在生產建設的各個行業(yè)。

無人機傾斜攝影實景三維建模生產的三維模型成果，擁有建模還原度高、精度高、速度快、識圖更容易這幾大特點，常被應用于地理信息系統(tǒng)的底圖中。這一應用的出現(xiàn)，使得實景三維模型的功能應用從遠觀升級到近看。然而，單獨使用無人機傾斜攝影自動化生成的實景三維模型，遠觀非常漂亮逼真，一旦鏡頭拉近到地表視角近看，就會發(fā)現(xiàn)三維模型接近地面的部分，紋理模糊且不清晰、模型體凹凸不平甚至失真[1]。對于高差相距過大的測區(qū)，僅進行一次航測容易造成空洞現(xiàn)象[2]。為了解決這一問題，本文研究了一種“無人機傾斜航拍+地面補攝”空地結合的自動化實現(xiàn)實景三維建模的解決方案，對整個測區(qū)采集三種不同分辨率影像，分別進行有像控點和無像控點的空三加密，然后將空三的結果通過人工添加的方式進行空地兩類空三成果融合，最終生成實景三維模型[3]。

1.空地融合三維建模原理及技術難點

1.1 空地融合三維建模原理

傾斜攝影測量的三維重建是根據多視覺原理，以照相機為媒介獲取目標物的二維影像；借助目前三維建模處理軟件，通過視覺匹配提取相鄰圖像中的同名點；針對同名點進行相似性匹配計算；基于方向導數(shù)、圖像亮度對比關系、數(shù)學形態(tài)學的方法，對特征物特征進行匹配，結合照相機規(guī)定的內外方位元素，利用光束法平差準確地建立各圖像之間的對應關系得到空間點的三維坐標，構建TIN三角網，根據紋理映射算法得到具有真實紋理信息的三維模型[4]。傾斜攝影測量與地面拍照技術的本質是融合生成點云數(shù)據，最后構建高精度三維模型。空地融合技術路線如圖1所示。

圖1 空地融合技術路線

空地融合技術影像獲取方式為空中無人機航拍與地面手持設備補拍，利用無人機航拍數(shù)據與地面補拍數(shù)據分別進行空中三角測量計算，其中無人機航拍數(shù)據可根據位置信息計算出具有準確且真實空間定位的空三成果；將已經完成的空中數(shù)據空三成果與地面數(shù)據空三成果合并，通過添加人工連接點的方式進行空三成果匹配與矯正（具有真實空間定位的空三成果會矯正沒有真實空間定位的空三成果）；添加人工連接點的方式為選取空中航拍數(shù)據與地面補拍數(shù)據共有的地物特征點作為刺點目標，并且選取的連接點數(shù)量需要在地面補拍數(shù)據范圍內均勻分布；接著進行空三平差解算后查看人工連接點的匹配精度報告，若重投影誤差值在1個像素以內，即判定空三成果匹配精度合格；最后進行三維重建得到一個具有高精度、無漏洞、無扭曲拉花的實景三維模型。

1.2 空地融合技術難點

空地融合方案是采用無人機高分辨率影像與補拍低分辨率影像進行融合空三建模的一種技術。其中數(shù)據源的獲取與后期照片的融合處理為本技術方案的難點，具體難點如下：

（1）由于無人機高空獲取的數(shù)據與補拍數(shù)據在分辨率上存在較大差異，但照片與照片之間不能存在較大色差，否則模型存在色差，影響可視化效果；

（2）補拍數(shù)據要滿足空三與重建基本要求（拍攝方式、照片重疊、影像質量等）；

（3）數(shù)據處理過程中要保證空三不存在分層、斷層、丟片等情況，與傳統(tǒng)傾斜數(shù)據不同，空地融合需要特殊數(shù)據流程方法。

2.技術路線

2.1 測區(qū)狀況

此次項目測區(qū)位于湖北省宜昌市，總面積約為48 km2，其中許家沖村和中堡村位于壩體兩側，距禁區(qū)直線僅500 m，且山坡上大型高壓線塔密布；其余村子均分布在長江上游沿岸，河谷深切，地勢險峻。河谷內受“狹管效應”影響，亂流較多，飛行干擾大；村子背靠落差一千多米的山峰，仿地飛行高度多變，且山上植被以原始森林為主，無法進行踏勘，使得像控點布設極為困難，對作業(yè)人員水平及飛行設備性能都是極大的考驗。測區(qū)實際狀況如圖2所示。

2.2 設備參數(shù)

選用的三種設備如圖3所示。

圖3 選用的三種設備

2.3 像控點布設

像控點布設節(jié)點一般分為航測前和航測后兩種。由于傾斜攝影的特殊性，布設時選取較為開闊地點或者完全裸露地面，以免被建筑物或者植被遮擋從而損失精度或造成無效點。

布設規(guī)律與以往垂直攝影不同，由于傾斜攝影空三加密階段使用了計算機視覺匹配技術，故與以往使用基線規(guī)律不同，更為簡單。目前通用方式為采用間隔25 000—30 000像素間隔布設一次。以GSD3 cm分辨率影像為例，點與點之間間隔750 m—900 m即可。

2.4 影像獲取

根據測區(qū)內的海拔情況和地物分布情況，將測區(qū)分為山脊區(qū)、山谷區(qū)、建筑群落區(qū)、重點標志建筑區(qū)4種類型。針對測區(qū)內不同紋理類型的地物，設計了相對應航高，即測區(qū)整體按照5cm的分辨率作業(yè)；建筑群落區(qū)按照2cm的分辨率作業(yè)；在此基礎上使用精靈4RTK對重點標志性建筑物進行補拍，以滿足模型精細度要求。

大高差測區(qū)分塊航線示意及地面拍照原理如圖4所示。

圖4 大高差測區(qū)分塊航線示意及地面拍照原理

由于不同建筑結構存在差異，補拍數(shù)據需要滿足一定要求才能夠作為融合數(shù)據進行后期的融合處理。具體方法如下：

（1）拍攝的傳感器鏡頭與建筑保持適中距離；

（2）拍攝方式分為建筑上部、中部、下部三種；

（3）照片與照片之間保證60%重疊度；

（4）照片中避免出現(xiàn)大面積水域或者天空等無特征區(qū)域。

2.5 空三加密

本項目使用的是瞰景Smart 3D軟件中的空三算法模塊，該模塊具有穩(wěn)健的空三算法，空三一遍過，可以達到建模要求的精度。真正實現(xiàn)傾斜攝影數(shù)據全過程并行化，突破大高差測區(qū)傾斜數(shù)據處理效率的瓶頸，同時穩(wěn)健的算法提高了解算的魯棒性，解決了很多同類軟件不能解決的問題，確?？杖馑阋槐檫^，且精度達到后續(xù)建模的要求。具體步驟為：

（1）進行數(shù)據預處理，利用飛馬無人機管家中快速圖像整理功能將五鏡頭影像、pos及相機屬性等導出xml，可直接導入瞰景Smart 3D中進行空三解算?？旖輬D像整理功能模塊界面如圖5所示。

圖5 飛馬無人機管家快捷圖像整理功能模塊界面

（2）利用Smart 3D進行空三處理，首先新建工程，導入生成的xml文件，此處需注意檢查影像路徑，然后提交空三加密。

（3）初次空三定向完成之后，接下來需要利用控制點平差進行空三絕對定向，保證空三的位置精度。此時需要將外業(yè)提供的控制點信息導入空三中進行刺點，刺點完成后通過使用控制點平差計算出滿足精度要求的影像外方位元素。

由于此次項目現(xiàn)場情況復雜，數(shù)據采集難度大，最終決定采用多數(shù)據融合的方式處理。此次數(shù)據類型包含5 cm、2 cm以及地面補拍多源數(shù)據。由于數(shù)據分辨率存在很大差異，故采用Smart 3D空地融合處理方法，具體如下：

（1）使用Smart 3D對高分辨率影像進行空三處理；

（2）得到空三結果后在原始數(shù)據組中二次添加精靈4RTK數(shù)據；

（3）數(shù)據加載完成后，提交空地融合模式，開始計算融合后的整體空地數(shù)據（此方法同樣可以適用于無POS的手持相機數(shù)據）；

（4）整體空地數(shù)據空三后，直接提交建模即可。

三種數(shù)據結果展示如圖6所示。

圖6 三種數(shù)據結果展示

2.6 空地融合自動三維實景建模

基于上一節(jié)空三成果瞰景Smart 3D軟件中的建模模塊進行三維重建，該軟件構建的模型幾何結構更精細，貼圖更真實，并且模型底部基本沒有懸浮物，極大減少了修模的工作量。通過數(shù)據融合機制和誤差閾值設定機制，保證了建模結構的完整性和貼圖的真實性。同時軟件支持無限融合功能，能夠將空地一體多源影像數(shù)據全自動的空三和三維重建，生成高精細度的實景三維模型，保證建筑物幾何形狀（面、線、角）和紋理完整、正確。多源異構數(shù)據融合機制，為高精度的三維建模提供了一種新的切實有效的方法，確保建模細節(jié)更優(yōu)。具體做法為采用多臺高性能計算機集群并行計算處理，最終輸出測區(qū)osgb模型成果如圖7所示。

圖7 空地融合三維模型

只用一種數(shù)據建立的模型對于單個細節(jié)模型有明顯的失真和拉花現(xiàn)象，尤其是在有遮掩和紋理復雜的區(qū)域，這種現(xiàn)象更加明顯。經過融合了三種數(shù)據后的模型可以充分解決丟失細節(jié)信息和模型拉花等問題，所以相較于傳統(tǒng)單層傾斜攝影數(shù)據，多種分辨率數(shù)據融合后，模型成果TIN格網三維結構變得更加精細，貼圖效果也更加清晰。空地融合前和融合后的細節(jié)模型對比如圖8所示。

圖8 空地融合前后的細節(jié)模型對比

3.基于空地融合技術精細化建模的行業(yè)應用前景

空地融合作為一種幫助我們獲取精細化的三維模型技術手段，為我們后續(xù)生產服務提供了強有力的數(shù)據保障。就目前國內應用層面來講，很多從業(yè)者處于一種迷茫階段，不知道如何來應用數(shù)據才能更好地發(fā)揮其更大的價值，以下從兩個方面，就精細化模型從已知應用和探索創(chuàng)新應用提出一些供大家討論的應用點：

（1）以本文為例，本次任務為鄉(xiāng)村振興規(guī)劃輔助應用，數(shù)據可服務于美麗鄉(xiāng)村規(guī)劃正向設計、數(shù)據展示、鄉(xiāng)村品牌影響力提升、旅游導覽等方向，以及針對古村落精細化真實還原等領域，如圖9所示。

圖9 空地融合后應用于古村落三維實景模型

（2）應急管理。?；?、冶金、礦山（尾礦庫）等行業(yè)場景復雜，空地融合更好地表達了管線、設施等情況，直觀地掌握目標區(qū)域內地形地貌與所有建筑物、生產設施的細節(jié)特征，為安全生產監(jiān)管、應急救援指揮、事故災害調查等提供現(xiàn)勢、詳盡、精確、逼真的空間基礎地理信息數(shù)據支持。應用于生產設施細節(jié)特征的示范如圖10所示。

圖10 空地融合后應用于掌握目標區(qū)域內生產設施細節(jié)特征

（3）實景三維中國方面。目前以mesh加單體化為主流思路，但耗費人力、物力非常之大，也是空地融合的另一大擴展點。在新型基礎測繪試點中，多源數(shù)據融合被作為試點研究工作的重中之重。如圖11所示。

圖11 空地融合技術是新型基礎測繪中多源數(shù)據融合的重要手段

4.結束語

高差達一千多米的三峽河谷地區(qū)，測區(qū)情況復雜，建筑與周圍地形環(huán)境高差大，常規(guī)三維建模方法通常會出現(xiàn)三維模型粘連、狹窄底部扭曲、拉花無紋理等問題。本文探討了一種新型的傾斜測量和地面實景拍攝相融合的空地一體精細化三維建模技術，通過空地融合技術，得到遠近視角逼真且精度高的實景三維模型。該方法采用了航空攝影、地面攝影及影像融合技術，利用照片之間的連接點進行模型拼接，取得了較好的三維建模效果。該方法在空地影像角度、重疊度、色差調整等方面仍存在一些需要改進之處，有待進一步深化探索。

綜上所述，空地融合的精細化建模方法雖存在一些不足之處，但其給復雜地形地貌條件下的三維建模工作提供了一種快捷、高效的新思路，具有一定的工程意義和推廣價值。