基于“倾斜+近景”三维建模技术的城市实景三维建设

闵虎

（长沙测绘有限公司，湖南 长沙 410000）

1 引言

随着云计算、大数据和空间地理信息集成等技术的飞速发展，政府数字化转型、基层治理、自然资源管理“一张图”建设进入了崭新阶段[1,2]。三维地理信息比二维地理信息具有更为直观的空间展示、更加强大的多维空间分析功能[3]，越来越得到用户的青睐。2022 年2 月，自然资源部办公厅印发《关于全面推进实景三维中国建设的通知》，明确了实景三维中国建设的目标、任务及分工等，并将建立和更新城市三维实景数据纳入基础测绘范畴。

近年来，为动态掌握城市建设现状及变化情况，多地采用倾斜摄影测量开展城市三维地理信息数据采集，获取城市实景三维地理信息数据[4,5]。利用倾斜摄影测量开展实景三维建模具有生产速度快、模型效果真实、细节丰富、成本低廉等诸多优势[6]，但因复杂的城市建筑高度和建筑密度，以及无人机在空中倾斜航摄时的拍摄角度容易形成拍摄盲区[7]，导致建筑贴近地面区域、被屋檐遮挡区域及建筑密集区域地物的细节纹理信息不足或丢失[8]，实景三维模型放大后会存在局部粘连、拉花、漏洞以及标语字迹辨识度不高等问题[9]，后期修模需要补拍大量照片，大大增加了工作量。

研究以某地城市三维地理信息数据采集项目为例，对地标建筑、历史建筑等部分重点建筑或区域进行超低空绕飞（贴近建筑或环绕建筑飞行），获取更多侧面纹理（近景影像），对建筑物粘连、屋檐遮挡区域采取“倾斜+近景”相融合的方式提升实景三维模型的侧面纹理效果，并利用相机采用人工拍照模式来补充道路两侧建筑物的细节信息，生成道路两侧精细化的实景三维模型数据。通过采取从前端优化数据采集和后端“倾斜+近景”融合建模的方式进行实景三维模型精细化重建，有效改善实景三维模型效果，实践证明了该方法的有效性。

2 工程案例

某地城市三维地理信息数据采集项目需要获取地面分辨率优于3cm 的倾斜航摄影像，进行城市实景三维模型生产，测区范围约45平方公里，具体如图1所示。项目采用大鹏CW-10 固定翼无人机搭载RIY-DG4pros倾斜航摄相机，以及哈瓦MEGA V8 Ⅲ多旋翼无人机搭载HARWAR-YT-5POPC Ⅳ倾斜航摄相机组建无人机航摄系统。

图1 测区范围

2.1 航线设计

摄区的东部及南部属于平坦的农村区域（即建筑稀疏区）、西南部属于高山区域，其他区域为城市建筑密集区。航摄分区以此为界划分不同的分区，且分区界线尽量沿道路或水系进行划分，分区的地形高差（或建筑高差）一般不大于1/3 航高。同时，航线设计应保证各视角的倾斜相机均覆盖整个摄区，航向与旁向覆盖超出摄区边界线不少于1 个航高；分区边界线覆盖应满足分区各自满幅的要求，分区之间不应存在漏洞。

本次无人机航飞整体采用南北方向设计航线，因摄区主要位于城区，考虑到房屋密度高、建筑物遮挡等复杂情况，为保障实景三维模型效果，需要采用大重叠设计方案，增大无人机的航向重叠度和旁向重叠度。项目采用航向重叠度为80%，旁向重叠度为75%，对于建筑物高度大于航高1/3 以上区域，需以高楼区域建筑顶部的平均高程为基准，按0.02m 地面分辨率，重新设计航线进行分层补飞，航摄外扩范围也应大于1 个相对航高。

2.2 控制点布设

项目采用带有IMU/GPS 辅助航空摄影的无人机航摄系统，航飞时具有完整的POS 数据，根据《1∶500 1∶1000 1∶2000 地形图航空摄影测量外业规范》（GB/T7931-2008）的要求，约每隔200～250m 布设一个像控点，每平方公里布设16～20 个像控点。采用连续运行卫星定位系统的网络RTK 技术直接测定像控点的平面坐标及大地高；当因建筑物、植被遮挡造成系统服务信号不稳定时，可采用GPS 静态测量。测量结束后，利用似大地水准面精化成果进行高程异常改正，得到各像控点的正常高值。

2.3 航摄采集

本次航摄中，城市建筑密集区域采用大鹏CW-10固定翼无人机搭载RIY-DG4pros 倾斜航摄相机进行航飞，航高设置为248m；在平坦且建筑稀疏区或建筑高度不高的区域及山区，采用哈瓦MEGA V8 Ⅲ多旋翼无人机搭载HARWAR-YT-5POPC Ⅳ倾斜航摄相机进行航飞，航高设置为156m。对政府、广场、体育馆、客运中心等26 个重要区域，采用“倾斜+近景”相融合的模式采集实景三维模型数据，即在倾斜航摄常规航线飞行的基础上，利用无人机（搭载单镜头）对建筑物进行绕飞，获取建筑物的近景影像，整体提高模型的纹理质量。在利用无人机进行建筑物绕飞过程中，如遇到建筑物的高度大于30m 时，应按照不同飞行高度进行盘旋绕飞。

3 三维建模

3.1 数据预处理

在联合空中三角测量和模型构建之前，需要对原始航摄影像进行预处理，包括数据检查处理、影像匀光匀色处理和POS 数据规范化处理等。

3.2 空中三角测量

项目采用ContextCapture 实景三维建模软件，加载影像数据和POS 数据，针对获取的特征点采用多像密集匹配技术自动匹配同名点，并进行粗点检测，构建自由网，进行光束法自由网平差。然后输入像控点坐标，刺点后进行光束法区域网平差，并根据平差结果进行反复调整，直到空三结果满足需求，进而实现倾斜航摄影像的空三解算，空中三角测量结果如图2所示。

图2 空中三角测量结果

3.3 三维模型构建

三维模型构建主要包括点云密集匹配、TIN 模型构建和纹理自动映射三个步骤[10]。

（1）点云密集匹配

根据空中三角测量运算出的影像外方位元素，通过多视影像密集匹配可获得高密度的数字点云。密集点云数据量较大，需要先将数据分块后再进行不同层次细节度下的TIN 模型构建。

本项目Tile 设定为130m×130m 的网格切块。利用密集匹配技术，系统根据高精度的影像匹配算法，对子区块内包含的所有立体像对进行点云匹配计算，自动匹配出所有影像中的同名点，并从影像中抽取更多的特征点构成密集点云，从而更精确地表达地物的细节。密集点云效果如图3 所示。

图3 密集点云效果

（2）TIN 模型构建

密集点云数据量较大，需要先将数据分块等处理后构建不规则三角网（TIN），再使用软件对匹配输出结果简化，通过对连续曲面变化的分析，对相对平坦地区的TIN 网进行简化，使得该范围内三角网密度降低。TIN 模型构建结果如图4 所示。

图4 TIN模型构建

（3）纹理映射

首先对优化后的TIN 模型和纹理影像进行关联配准，为每个三角形建立对应的纹理信息，并将TIN 模型和纹理影像之间的关联保存在文件中，得到带纹理的模型。然后建立多细节层次LOD 以优化文件组织结构，增强在模型分层浏览时的效率。最后将得到的LOD 结构模型文件转换为OSGB 格式输出，模型成果如图5 所示。

图5 模型成果

3.4 模型修饰

部分自动生成的实景三维模型，在镜面（诸如水面、玻璃等）材质部分、细小地物部分，由于同名点无法精确匹配或者镜面倒影对同名点造成干扰等因素，实景三维模型与实际情况存在一定的偏差。为保证实景三维模型最终整体效果，需要利用DP-Modeler 三维模型修饰软件对模型成果中普遍存在的问题进行整体修饰。整体修饰内容包括：不明悬浮物删除、水面与路面破洞修补、水面与路面压平、重叠面片清理、立交桥贯通、模型接边处纹理颜色处理（不同相机或不同分区的模型在接边处色彩要过渡自然，不突兀），以及道路中不完整车辆删除或压平处理等。部分模型修饰效果如图6 所示。

图6 模型修饰效果

3.5 数据质检

采用概查与详查相结合的方式对数据成果进行质量检查。首先对数据成果进行整体概查，主要对数据成果的空间参考系、位置精度、完整性、整体表征质量等质量元素作为特定检查项进行检查。其次进行详查，对要素进行100%的检查。当概查和详查均为合格时，才能进行下一步检查流程，当检查结果不合格时退回作业组进行修改，修改后的成果应重新检查。质量检查完成后，进行精度检查，将CORS-RTK 外业实际观测得到的26 个检查点坐标与ContextCapture 软件读取到的坐标进行比对，用于评定三维建模的精度，精度统计如表1 所示。由表1 可知，三维模型的平面位置误差和高程中误差满足相关倾斜摄影测量三维产品规范中“1∶1000 比例尺成果平面位置误差不超过0.2m，高程中误差不超过0.2m”的要求。

表1 模型精度统计

4 结束语

倾斜摄影测量是开展城市实景三维建设的主要技术，如何提高三维建模的质量和精度是应用该技术的关键。本文在同一测区，采用了不同飞行器、不同航摄相机和不同的飞行方式，利用前端优化数据采集和后端“倾斜+近景”融合建模的方式进行实景三维模型精细化重建，有效改善实景三维模型效果，实践证明了该方法的有效性，可以为相关工程实践提供一定借鉴。