基于倾斜摄影技术的寿县古城三维重建及浏览应用

郑旺

摘要：为满足寿县古城旅游宣传和保护的需求，对寿县古城进行了精细化三维建模，此次针对寿县古城研究，利用倾斜摄影方法，采集了寿县古城的空间坐标信息与表面纹理信息，通过基于计算机视觉和计算机图形的三维重建技术，获得了基于地理信息的数字化三维模型，通过对寿县古城实景三维模型建立，达到了对寿县古城信息记录、保护与展示利用目的。同时也可以为寿县旅游宣传及智慧旅游提供实景三维数据支撑。

Abstract： In order to meet the needs of tourism publicity and protection of the ancient city of Shouxian， a refined 3D model of the ancient city of Shouxian was built. Aiming at the research of the ancient city of Shouxian， the spatial coordinate information and surface texture information of the ancient city of Shouxian were collected by means of tilt photography. Through the 3D reconstruction technology based on computer vision and computer graphics， a digital 3D model based on geographic information was obtained. Through the establishment of the three-dimensional model of Shouxian ancient city， the purpose of information recording， protection and display of Shouxian ancient city is achieved. At the same time， it can also provide real 3D data support for Shouxian tourism publicity and smart tourism.

关键词：倾斜摄影;三维重建;寿县古城;旅游

Key words： oblique photography;3D reconstruction;ancient city of Shouxian;travel

中图分类号：TP391.41                                  文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2020）32-0163-02

0  引言

壽县古城位于安徽省淮南市。在实现寿县古城传统宣传及智慧旅游所有功能的同时，通过对寿县古城实景三维模型的建立，进一步提升游客体验，从而为寿县旅游宣传及智慧旅游提供实景三维数据支撑。

1  倾斜摄影技术简介

倾斜摄影测量技术是通过在同一飞行平台上搭载多台传感器，可同时从不同角度对地面物体进行影像数据获取。通过三维重建技术，精确还原影像获取时刻地物的三维实景模型，受到各单位广泛欢迎和大量应用。大概流程为：首先，对摄区进行实地勘查，完成航线设计之后，进行无人机低空倾斜摄影;控制点采集，用于模型纠正;再用自动建模软件进行空中三角测量与模型重构，生成三维实景模型;对不同航摄分区的三维实景模型进行拼接，完成整个项目的三维模型连接;最后整理成果并提交。无人机数据采集与处理流程如图1所示。

2  寿县古城三维建模

本文的主要技术点为利用大疆M600Pro飞行器、双相机摇摆式倾斜摄影相机以及重建大师等软件实现面向工程测量以及基于倾斜影像自动构建三维实景模型。相比于传统的数据采集方法，无人机航测系统具有体积小、重量轻、快速获取影像、飞行条件需求较低、成本低廉等特点。而采用倾斜摄影测量技术可以更全面的获取城区内建筑物、道路、水系、绿化、交通及其附属设施等高精度的原始影像数据。无人机数据采集与处理流程大致分为航测准备工作、数据采集、地面控制点测量、数据自动三维重建等步骤：

2.1 航测准备工作  ①航测作业开始前需要对测区进行踏勘，收集已有的地图、控制点信息等测绘资料;②结合踏勘情况，设计无人机航线规划以及行高、飞行速度、重叠度等参数;③对相机焦距和无人机性能进行调试。

2.2 数据采集  利用地面站软件“GSPRO”设计航线并实时监控飞行情况。通过航线规划系统，能够保证数据的重叠图，数据的分辨率和范围，从而保证采集数据的有效性。

本次建模飞行平台配置了大疆M600pro旋翼无人机，传感器采用了双鱼双镜头倾斜相机。双鱼倾斜相机的双相机摇摆工作模式，能够大大减轻重量，提高续航时间，从而提高数据采集的效率。根据地面分辨率5cm以内、平面高程精度较高的要求，综合研究后采用像片重叠度航向为80%，旁向为75%;航线弯曲度不大于5%。原始影像数据如图2所示。

2.3 地面控制点测量  本次寿县古城三维建模采集3cm分辨率的航空摄影，为保证最终成果的精度，在测量范围内使用RTK进行地面控制点测量。

针对寿县古城区域特点、本次像控布设一方面需保证整体数据成果精度、另一方面需保证不同架次或相邻内业处理区域之间不出现模型二义性现象（分层、错位）。基于以上考虑，在无人机架次规划的基础上，将控制点位均匀地布设在相邻架次接边处。

寿县古城三维像控点点位设计：点位布设按照行业标准，基于大地2000坐标系，3cm地物分辨率每平方公里10到12个点：具体参数描述如下所示：①像控点布设的航线间隔数和模型间隔数应满足《工程摄影测量规范》中的相关规定，即在城镇建筑区应其间隔数k应小于12;②在区域网中布设像控点时，区域四角应布设平高控制点，四边的航线应每间隔k≤12个模型;③区域网内像片平高控制点应以2k×2k布设8个平高控制点为基本单元，在其相邻处每增加一个基本单元时，应加布5个平高控制点;当增加的相邻区域小于2k×2k时，应布设5个平高控制点;④本项目采用数字摄影方式，按城镇地区的布设密度;⑤像控点控制区域应大于测图范围;⑥区域网中心部位应布设一个用作检查的平高控制点;⑦在本次建模中，按地面分辨率3cm成果，且采用不同的像控点密度对测区进行设计。相控布设示意图如图3所示。

2.4 数据自动三维重建  寿县古城低空无人机航空摄影测量生成带纹理的三维地形模型，主要作业流程包括像片控制点选择与刺点，空中三角测量和模型重建，采用重建大师三维建模软件。①根据三维模型浏览器的要求及三维重建平台本身的限制，确定模型的分块大小和重叠度，根据寿县古城大小确定生成三维成果的范围;②对于存在水面的区域在生成的三维模型中进行后期修改，并重新添加水面约束后更新三维模型;③在成果输出前，需要对空三结果进行检查，确定其精度满足要求。

2.5 技术难点  和以往的建模的規则性不同，寿县古城三维建模实施的主要技术难点体现在：①需要对古城内重点区域：孔庙、清真寺、报恩寺、宾阳楼等特殊区域进行针对性的精细化补拍，提升模型表面精度，减少摄影死角;②对于部分重点区域，采用无人机对重点建筑或区域超低空绕飞，以获取更高分辨率的影像;采用地面站自动定点绕飞或人工控制的形式绕飞，绕飞时影像重叠度不低于75%;③摄区内有较集中的居民地和城镇，航摄时必须在各主要位置派驻观察员，始终保持无人机不离开各观察员的视线。各观察员应配备相应通信设备（如：对讲机），及时将无人机飞行异常情况及时通报操控人员。

3  结束语

本文介绍了寿县古城数三维建模过程，从获取高分辨率的原始倾斜影像数据，到空三控制点加密，再到模型重建输出成果。根据此次工作，得到了多方面的宝贵经验：首先，在原始影像数据获得过程中，影像数据的获得快速且便捷，通过大疆无人机拍摄，且同时进行像控点测量，在天气允许的情况下，半天就能结束工作，与传统建模方法比较大大提升了工作效率;其次，寿县古城很多地方存在植被和密集的房屋，所以很多地方无人机无法获取影像数据，会对建模工作产生影像，必须采用地面补拍进行模型的后期处理或者用特定的三维模型修复软件进行后期处理，否则会影像整体模型的美观;与昂贵的激光三维扫描仪建模相比，尽管实景三维模型在部分细节与精度上存在理论差距，但通过控制点加密以及后期的模型精修，仍可满足需求，实景三维模型最大优点就是高性价比。

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