基于倾斜摄影的实景三维建模技术实践

韩婷婷　赵琳　范宪创　欧阳亚丽

摘  要：随着摄影测量技术的飞速发展，实景三维建模在智慧水利、智慧城市等各个领域得到了广泛应用。凭借其直观、真实、多维度虚拟现实等优势对智慧水利的发展产生了重要影响。文章利用倾斜摄影技术对平寨水库的坝址区进行周期性实景三维建模，下视影像分辨率优于3 cm，可以全方位立体展示工程的建设过程。结果表明：倾斜摄影实景三维模型纹理真实，几何结构完整，具有测绘级量测精度，大大节省了时间和资金成本，为“智慧水利”建设提供了重要支撑。

关键词：智慧水利；实景三维模型；纹理；精度

中图分类号：P231；TP39  文献标识码：A  文章编号：2096-4706（2023）12-0108-04

Practice of Real-Scene 3D Modeling Technology Based on Tilting Photography

—A Case of Pingzhai Reservoir

HAN Tingting1， ZHAO Lin1， FAN Xianchuang2，3， OUYANG Yali4

（1.China Water Resources Beifang Investigation， Design & Research Co.， Ltd.， Tianjin  300222， China; 2.College of Artificial Intelligence， North China University of Science and Technology， Tangshan  063210， China; 3.Hebei Key Laboratory of Industrial Intelligent Perception， Tangshan  063210， China; 4.Beijing Jingshan School Caofeidian Branch， Tangshan  063209， China）

Abstract： With the rapid development of the photogrammetry technology， real-scene 3D modeling in smart water conservancy， smart city and other fields has been widely used. With its intuitive， real， multi-dimensional virtual reality and other advantages， it has an important impact on the development of smart water conservancy. This paper uses tilting photography technology to product periodic real-scene 3D modeling for the dam site area of Pingzhai Reservoir， and the visual image resolution is better than 3 cm， which can show the construction process of the project in all directions. The results show that the real-scene 3D model of tilting photography has real texture， complete geometric structure and surveying accuracy， which greatly saves time and capital cost. It provides important support for the construction of “smart water conservancy”.

Keywords： smart water conservancy; real-scene 3D model; texture; precision

0  引  言

倾斜摄影技术是一种多视角技术，旨将多台传感器搭載在同一飞行平台上[1，2]，经过一次航飞获取五个不同角度的影像，包括下视、后视、前视、左视、右视，垂直地面角度拍摄的影像则为正片，镜头朝向与地面有一定夹角拍摄的影像则为斜片，即前视、后视、左视、右视，通过惯导系统精确定位功能获取影像对应的空间位置和姿态信息，使地面物体信息更为完整准确，传统的倾斜航空摄影，只能获得垂直方向的影像数据，无法获取物体侧面丰富的纹理信息和结构，无法实现三维建模，更无法实现高精度、高质量的需求，倾斜摄影恰好弥补垂直摄影的缺点，可同时获取5个不同角度的影像信息，获取数据的性价比很高，高效低成本，一个中小城市建模工作如果采用人工建模的方式完成，需要一两年的时间，若改成倾斜摄影测量方式，则可能三四个月时间就完成，很大程度上减少了三维模型数据采集时间，也降低了成本，并且模型具有真实效果，能保证测量精度，大大提升了模型的生产效率[3]。

1856年，纳达尔在法国拍摄了第一张航空倾斜摄影，打开了航空摄影测量的大门，起初，倾斜摄影更多的应用于军事方面，随着GPS技术的飞速发展，倾斜摄影有了新的研究方向，推动了倾斜摄影技术的发展。国外，美国的Pictometry公司最早研究出对影像的纹理提取和贴附，之后徕卡公司推出了不同角度拍摄的相机，伴随倾斜摄影的出现，很多软件公司研发出了影像处理软件，如法国的街景工厂和Smart 3D Capture；国内，倾斜影像测量技术起步相对较晚，2010年刚刚兴起，天下图公司率先引进倾斜摄影测量技术[4]，并引起学者们纷纷探讨，随后国内的建模软件也逐渐兴起，如Photoscan、Pix4D、Phomesh等，使实景三维建模技术更加广泛应用[5]。

倾斜摄影三维建模技术是当前比较流行的一种方式，本文对同一区域开展不同时期的实景三维建模，清晰看出同一区域不同时期的变化，辅助现场施工人员进行立体展示，为其提供决策作用。三维建模的技术流程主要包括通过获取倾斜影像数据和像控点与检查点、空中三角测量、实景三维模型的制作。整体技术流程如图1所示。

1  研究区概况及数据介绍

1.1  项目概况

测区属喀斯特盆地地貌，涟江纵貫全境，太阳地貌—著名的洛平避暑胜地—涟江冲积平原面积90 km2，土地肥沃，阡陌纵横，平畴绿野，生机盎然。县境位于苗岭山地南端，北连黔中山原，南接黔南峡谷，正好是苗岭山地向广西丘陵盆地过渡的斜坡地带，北高南低，测区位于贵州惠水县平寨乡，地理位置位于东经106° 39′ 20″ E～106° 55′ 30″ E，北纬25° 36′ 00″ N～25° 35′ 51″ N。坐标系统采用CGCS2000坐标系，3°分带，中央经线为东经105°。测区气候属亚热带季风气候，四季分明，冬春冷凉干旱，夏季炎热多雨，年平均气温17 ℃左右，1月平均气温-7 ℃，7月平均气温24 ℃，生长期年平均300天，无霜期年平均269天，最长293天，最短221天，年平均日照时数1 232小时，0 ℃以上持续期300天，年降雨量约1 200 mm，测区自然资源丰富，土壤肥沃，雨量充沛。平寨乡境内地形为山区，地势略呈中间低、四周高，地面一般海拔700 m，最高点位于平途村俾脚坡，海拔1 386 m，最低点位于高伸村唐朗寨，海拔470 m，测区范围如图2所示。

1.2  倾斜影像获取

本项目采用大疆M600pro无人机搭载MS Q5五镜头倾斜摄影测量系统对测区进行倾斜摄影测量，大疆M600pro延续了经纬M600的高负载和优秀的飞行性能，采用模块化设计，进一步提升了可靠性，使用更便捷，大疆M600pro采用的是多轴机比较常见的机臂向下折叠方式，能有效节省运输空间。大疆M600pro具体外观如图3所示。

MS Q5是一套专用微型无人机搭载的倾斜摄影系统，该系统可以同步拍摄5个朝向的影像，倾斜角度为45°，并且具备超轻量的负重及体积，该系统采用密封化设计，具备良好的防尘及防雨能力，5个朝向的影像传感器均可以进行更换不同镜头。具体参数如表1所示。

由于倾斜航空影像的空三加密是通过多视匹配算法完成的，若想匹配更多的同名点，需要影像重叠度足够大，则下视影像的航向重叠度约75%，旁向重叠度约为70%。本项目是周期进行倾斜影像数据获取，以3次周期为例，第一次原始航飞影像数量约4 454张，飞行3个架次，有效航摄面积约0.6 km2，第二次原始航飞影像数量约4 734张，飞行3个架次，有效航摄面积约0.6 km2，第三次原始航飞影像数量约7 194张，飞行3个架次，有效航摄面积约0.6 km2，且影像质量符合要求，满足使用条件。航飞示意图如图4所示。

1.3  像控点布设和采集

此次测区位于农村乡镇，地物特征不够多，作为像片控制点的目标地物过少，需要提前布设部分靶标作为像控点；控制点通常布设在地形高程起伏较小、地势相对平整空旷的地方。为保证三维模型的精度，像片控制点按照每航向0.3 km、旁向0.3 km布设成网格状[6]。同时为了检查三维模型的平面精度和高程精度，在测区范围采集一定数量的检查点，检查点要均匀分布在整个测区，通常选取较容易区分的地面点，如路口、房角、墩台等；本项目根据实际情况采用网络RTK测量了19个像控点和8个检查点，保证了倾斜模型的精度。像控点和检查点示意图如图5所示，红色（深色×）的是像控点，黄色（浅色×）的是检查点。

2  实景三维建模的实践——以平寨水库为例

2.1  实景三维模型的构建

倾斜摄影能同时获得垂直方向和倾斜数据，因此有多视影像，主要包括三部分，有地面飞控系统、无人机和控制测量，在获得影像数据时，若想得到准确的数据，需对原始数据进行预处理，无论有无控制点，都可以利用相关软件实现三维场景，后续经过软件处理，可获得三维模型的各个量，根据新式测量方法，自动匹配各个影像，联合多视影像生成连接线，得出平差方程，然后进行联合运算以得到精准的结果。

摄影测量中的一个重难点是影像匹配，匹配算法主要有三个，包括灰度、特征和关系匹配算法，倾斜摄影的不同视角差距很大，且范围也大，所以导致倾斜影像间会存在一定程度的几何畸变，加大了影像匹配的难度，点云匹配中会存在大量冗余信息，为了保证数据的准确性，得到精确的结果，此冗余信息不能忽略，为了找到同名点对应的影像信息，需要消耗足够的时间，这个过程至关重要，倾斜摄影测量具有辨识多视影像功能，自动获取影像信息，同时将地物的特性转成对应的可以识别的矢量信息，为建模做好准备。

采用Context Capture Center软件构建模型，首先计算特征点，并把相应的特征点提取出来，随后进行同名点匹配，主要有多视匹配和密集匹配等技术[7]，为了获得准确的外方位元素，进行迭代平差优化、畸变差校正等过程。

根据外业测量像控点文件，在下视影像及倾斜影像相应位置分别添加像控点。像控点选取影像清晰，选点处无遮挡，点位远离影像边缘，每个像控点刺点选取不同镜头影像共约20张影像。在刺完像控点以及添加连接点后，进行空中三角测量平差计算，直至空三结果正确且精度满足项目要求为止，空中三角测量成果示意图如图6所示。

空三完成合格后，通过影像间密集匹配，获取海量的匹配点云，运算生成基于真实影像的超高密度点云，通过后续的纹理编辑和模型优化，将模型按照CGCS2000空间坐标系统输出，为了快速完成建模和有足够的空间存放数据，通常将模型瓦片大小设成100 m×100 m的，质量选择为最优，格式选择通用的OSGB，模型构建完成后[8]，对模型进行修饰，修整水面、删除漂浮物等，并对模型质量进行检查，生成满足要求的实景三维模型。

2.2  周期性模型对比

通过三个不同时期的实景三维模型对比，可以清晰看出施工现场和水库的实景变化，全方位立体展示工程的建设过程，对智慧水利发展提供重要数据支撑。如图7和图8所示，分別是工地和水库的实景三维模型对比图。

2.3  精度分析

为了分析实景三维模型的精度，外业人员在测区范围内均匀布设了8个检查点，以外业实测数据为真值，同时读取模型上的坐标值，统计出两者之间的差值，具体如表2所示，完全满足项目的精度要求。

3  结  论

随着智慧化进程的加快，利用无人机倾斜摄影构建实景三维模型非常受大众欢迎，具有高效低成本的优势，性价比极高，大大影响了智慧水利的发展，发挥了极好的作用，对水资源管理的数字化和智能化有重要的支撑，实景三维数据为智慧水利提供三维一体化的数据来源，在智慧水利方面发挥着重要作用。倾斜摄影实景三维技术的出现解决了传统手工三维建模低效率、周期长、真实性差的问题，但是由于地物的光反射性质，模型有空洞，存在局部模型细节不清的情况，影响视觉效果和精度，还需要后续进一步研究。

参考文献：

[1] 谭金石，黄正忠.基于倾斜摄影测量技术的实景三维建模及精度评估 [J].现代测绘，2015，38（5）：21-24.

[2] 李镇洲，张学之.基于倾斜摄影测量技术快速建立城市3维模型研究 [J].测绘与空间地理信息，2012，35（4）：117-119.

[3] 吴征宇，冯成武.基于无人机倾斜摄影的城市三维建模方法研究 [J].科技资讯，2017，15（26）：55-56.

[4] 周杰.倾斜摄影测量在实景三维建模中的关键技术研究 [D].昆明：昆明理工大学，2017.

[5] 李芳，刘洋洋，李孙桂.基于无人机倾斜摄影测量技术的三维建模和精度分析 [J].江西测绘，2019（3）：40-42.

[6] 杨春明.智慧城市三维建模的无人机倾斜摄影测量技术 [J].中国房地产业，2019（26）：35.

[7] 常龙，游华武.基于无人机倾斜摄影数据的实景三维建模探究 [J].科技资讯，2021，19（25）：12-13+16.

[8] 连蓉，丁忆，胡艳，等.旋翼无人机倾斜摄影实景三维建模技术研究 [J].地理空间信息，2018，16（7）：54-57+10.

作者简介：韩婷婷（1990—），女，汉族，吉林德惠人，工程师，硕士，研究方向：遥感及摄影测量；通讯作者：范宪创（1989—），男，汉族，山东兖州人，讲师，硕士，研究方向：遥感与地理信息系统。

收稿日期：2022-12-16

基金项目：华北理工大学省属高校基本科研业务费项目（JQN2022006）