基于ContextCapture的三维建模研究

杜金莉

（1.安徽省第一测绘院，安徽 合肥 230031）

传统的三维建模主要是利用大比例尺3D（DOM、DLG、DEM）数据，结合野外实际拍摄的地物纹理照片，制作建筑物三维模型和地形三维模型[1]。该作业方式工作量大、人工干预多、效率低下，不适合大规模作业，无法满足大面积快速出图需求。ContextCapture是基于图形运算单元的快速三维场景运算软件，仅需少量人工干预，依靠连续的二维影像就能还原出达到原始影像像素分辨率的实景三维模型[2-3]。利用该软件生产三维模型具有工作量小、效率高、成果效果好等优点。

目前无人机倾斜摄影技术较为成熟。无人机航摄具有成本低、时间自由、航空管制小等优点，可通过无人机航飞快速获取5个视角的影像数据，再结合自动化程度较高的ContextCapture软件构建真三维模型，适用于三维智慧城市大规模快速化作业。本文基于ContextCapture软件，梳理了三维建模的作业流程，总结了作业经验，并针对出现的问题提出了解决方法，供作业参考。

1 ContextCapture软件三维建模作业流程

首先通过无人机进行倾斜摄影测量，获取5个视角的倾斜航空影像；再通过相片控制测量，从野外获取少量的像控点；然后利用ContextCapture软件进行空三加密；空三加密合格后生产三维实景模型，具体流程如图1所示。

1.1 倾斜摄影测量

无人机倾斜摄影测量是在飞行平台上同时搭载多镜头相机，获取前视、后视、左视、右视与垂直5个角度的影像数据[4]，从而获得地表物体正摄和不同侧面的纹理照片。

航飞前收集测区现有资料作为航摄布网航飞设计的基础资料，再根据测区最大最小高程以及所需的影像地面分辨率设定飞行航高。航飞设计时，应保证航片范围覆盖有效建模范围，一般将航线各方向外扩大于3条航线或3条基线，影像重叠度应满足规范要求。航飞应选择晴朗无云能见度高的天气和时间，确保影像清晰、反差适中、颜色饱和、测区色调一致，从而保证三维建模的最终效果。

1.2 空三加密

将5个视角的影像数据以及机载POS系统获得的倾斜影像的初始外方位元素导入程序，利用正视、斜视影像构建区域网，多视角影像自动匹配；经过反复滤波、平差，解算得到符合精度要求的精确外方位元素[5]；进行控制点和加密点量测，通过平差计算获得加密成果。

图1 三维建模流程图

空三加密自动匹配模型连接点时，要求每张影像上的连接点不小于9个，跨航线连接点不少于3个，若影像内仅含植被、水体等纹理信息不丰富的地物，则不做要求。目前三维建模空三加密部分的相关标准规范还未正式发布，可根据项目要求并参考《数字航空摄影测量空中三角测量规范》设定空三加密精度。若超出限差，则需人工排查超限原因，合理解决。

1.3 三维建模

空三加密合格后，通过测区分区、点云计算、TIN构建、对TIN进行滤波简化等处理，利用处理后的TIN创建白模三维模型，再进行自助纹理映射，生成真三维模型[6-7]。纹理映射时需进行色彩均衡，纹理大小设置为影像长边的1.5倍。三维影像数据纹理精度应接近下视影像地面分辨率。整个作业区域应模型完整，不能有空洞和不合理悬浮的面片，建筑物模型自然，细节保留完整。

2 应用实例

2.1 项目概况

项目为皖南某市多个风景区3.07 km2的实景三维建模，测区内房屋较集中，基本为徽派建筑，中心区域多为街区式分布，外围农村居民地一般为散列式房屋，交通、水系等地物信息丰富。项目设计要求平面中误差和最大误差分别不大于0.5 m和1.0 m，高程中误差和最大误差分别不大于0.8 m和1.6 m。

2.2 作业情况

项目利用大白测绘六旋翼无人机DB-X6H搭载索尼相机进行倾斜摄影测量，共飞行7个架次，获得有效航片54 169张，下视影像地面分辨率为0.05 m；共布设24个控制点、10个检查点；利用ContextCapture软件生产3.07 km2的实景三维模型。整个项目从航飞到建成实景三维模型大约需3个人15 d完成，其中利用ContextCapture软件自动处理数据时间相对较短，但测区分散在多个地方，需航飞多个架次，航飞花费较多时间，若项目面积大且连续，整体效率会更高。

2.3 质量检查

本文采用比对外业实测检查点与实景三维模型上的同名像点坐标的方式进行精度检测，共检测10个点。结果表明，平面中误差为0.21 m，平面小于1倍中误差的点有8个，占比为80%，大于1倍且小于2倍中误差的点有2个，占比为20%；高程中误差为0.33 m，小于1倍中误差的点有8个，占比为80%，大于1倍且小于2倍中误差的点有2个，占比为20%；平面和高程精度均满足设计要求。人工检查发现，场景完整，模型精细度、纹理精度的正确性符合技术要求。

3 存在的问题及其解决方法

1）在一些面积较大的测区，倾斜摄影航摄的5个视角的影像较多，三维建模时若不分区则会导致数据量大、计算速度慢等问题。解决方法为：建议分块进行空三加密，尽量根据地形类别分块，同一区块高差不要太大；外围需外扩足够尺寸，保证5个视角影像的全覆盖；分块空三加密结束后，再创建新的工程合并分块的空三加密成果。

2）空三加密结果通常会显示空三分层，可通过解算新的相机文件来解决。实际作业时可选取一块影像质量相对较好且地形平坦的区块，人工尽可能多地选取相对定向点或控制点来进行平差解算，得到新的解算后的相机文件，相当于对航飞公司提供的原始相机文件进行一次检校。整个测区利用新解算后的相机文件，可减少后期平差次数，降低分层概率。

3）在一些阴影、遮挡、特殊地貌、影像质量差的区域经常出现因匹配的同名点不足或匹配错误而导致的平差失败，需在出现错误的区域适当增加人工点，再次解算，直至满足精度要求为止。

4）空三加密中有匀色选项，作业时可勾选匀色选项卡。若仍觉得整个测区影像色彩协调不够理想，还可利用匀光匀色更好的第三方软件（易拼图软件等）对原始影像进行匀色处理。

5）为了便于接边，分界处应尽量选取地形平坦开阔、纹理相对简单的地方。若遇河流、道路等线状地物，分界时可把一方制作完整，另一方制作至水边或路边。

6）程序自动建立的三维模型通常会出现的错误为：在倾斜影像的阴影和视场盲区，有时会出现三维模型的漏洞、楼体缺失等错误；部分实景模型成果出现小面积的纹理损失；部分影像的栅栏、阳台等地物存在拉花变形；树干、电杆等部分细长地物有缺失错位；部分影像模糊。解决方法为：可利用PhotoShop、DP-Modeler、贴图大师等图像处理软件进行人工贴图修正处理，其中DP-Modeler修复漏洞的自动化程度较高，处理效果较理想。

7）由于倾斜摄影测量无法获取镂空建筑物内部的纹理，自动三维建模也无法完美表达。该类建筑物可利用实地三维激光扫描建模，内部细节可通过贴图软件人工完成贴图。

4 结 语

ContextCapture软件已比较成熟，用其生产的成果具有自动化程度高、生产成本低、 效率高、精度可靠、三维场景真实等优点，适合智慧城市大面积快速化作业；但在实际作业过程中，由于三维模型的复杂性，建模时会出现一些细节部分不尽完善、少部分纹理丢失、复杂模型表现困难等情况，需要总结经验方法、提高生产效率。本文研究总结的作业方法和经验希望在实际建模作业时有一定的参考价值。