基于倾斜摄影的三维模型优化研究

马星宇

误等问题，笔者在分析倾斜摄影测量技术后，提出采用倾斜摄影进行自动化模型生产。然后利用DP-Modeler软件，对模型存在的各种问题进行处理，从而得到结构完整、质量更高、纹理映射合理的模型成果。解决了自动化模型存在的问题，为模型数据后续的应用提供了保障。

关键词：倾斜摄影；自动化建模；模型优化；实景三维

中图分类号：P231   文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2024）08-0107-03

开放科学（资源服务）标识码（OSID）

0 引言

近年来，随着倾斜摄影测量技术的迅速发展，基于该技术生产的测绘产品备受重视，越来越多的学者对倾斜摄影建模进行了研究。倾斜摄影是基于航摄多视角影像，然后利用摄影测量软件对影像数据进行解算，得到影像上每个地物点的三维坐标，然后进行测绘产品生产[1-2]。尽管倾斜摄影测量技术能够生产丰富的测绘产品，但由于航摄和软件算法的局限性，自动数据解算得到的实景三维模型局部区域可能存在结构变形、纹理映射错误等问题，给模型的后续应用带来了影响[3-4]。为解决这一问题，笔者对倾斜摄影测量技术展开了深入分析，并结合实际项目，采用DP-Modeler软件对自动化生产的模型进行了处理，实现了三维模型产品的优化，得到了结构更加完整、纹理更加清晰准确的实景模型，解决了自动化模型存在的问题，为数据的后续应用提供了保障。

1 倾斜摄影测量技术

1.1 基本原理

1.1.1 技术原理

倾斜摄影测量是以摄影测量为基础，利用无人机上多台传感器获取多视角影像数据，进而获取准确的地物信息（几何形态、属性、纹理）[5-6]。同时，利用专业的倾斜摄影软件处理数据，构建城镇三维模型。

倾斜摄影测量技术是一种新型的摄影观测方式，其区别于传统摄影技术的单一观测，倾斜摄影测量技术采用多机位观测，通过不同维度的摄影数据获取丰富的地物信息，进而更精确地还原地物实景，获取精细化的三维模型。

1.1.2 几何原理

倾斜摄影技术的几何原理如图1所示。图中[αy]为倾斜摄影相机的倾角、[βy]为倾斜摄影相机的投影角、[hg]为无人机飞行的高度、[Dmax]、[Dmin]分别为无人机与地物间距的最大值以及最小值。

通过上述基本原理，可以得出下式（1） ：

[Dmax=hg×tanαy+βyDmin=hg×tanαy-βy] （1）

假设相机获取多视角最大摄影比例尺为[Smax]，获取的多视角最小摄影比例尺为[Smin]，可得下式（2） ：

[Smax=hg×cosβyf×cosαy+βySmin=hg×cosβyf×cosαy-βy] （2）

通过角平分线原理可推算出多视角影像中心与相机之间的水平间距[Savg]，如下式（3） 所示：

[Savg=hgf×cosαy] （3）

则多视角影像平均比例尺如下式（4） 所示：

[Distanceavg =hg×tanαy+βy-hg×tanαy-βy] （4）

1.2 测量系统组成

倾斜摄影测量系统由摄影系统、飞行系统和POS系统组成。摄影系统是指倾斜摄影系统，飞行系统由无人机及各类传感器与仪器構成，而POS系统则由GNSS与INS系统组成，图2为GNSS系统的定位原理。

1.3 倾斜摄影测量技术基本特点

倾斜摄影测量技术不仅可以获取地物的纹理信息和高精度的位置信息，还具有以下特点：

1） 多视角拍摄。低空倾斜摄影测量不仅能够获取顶部纹理，还能获取大量的侧面纹理数据，由于倾斜测量时，无人机处于低空飞行，因此获取的测量影像分辨率高，建立的三维模型更精准。

2） 数据量大、成本低、效率高、精度好、真实性强。倾斜摄影测量技术采用多镜头相机，相较于传统摄影测量数据，其具有数据量大的特点。在不同的影像图上可能涵盖相同地物，信息全面、覆盖范围更广；同时通过倾斜摄影测量技术所获取的数据在后期处理过程中，人工干预较少，自动化程度相对较高，数据更新及时，具有时效性。

3） 数据成果多样。通过该方法可获取多样化的成果，倾斜摄影测量技术可以根据需要生成不同数据，例如数字地表模型DSM、数字划线地图DLG、数字高程模型DEM、数字正射影像DOM等，该类成果可以满足测绘行业的需求。

2 三维模型生产

自动化三维模型生产是指基于航摄影像数据、相机曝光时的位置姿态数据、相机参数和像控点数据，通过摄影测量软件解算影像数据，得到空三加密成果，并将像控点转刺，从而将相对坐标系下的加密成果转换到大地测量坐标系统下来。空三加密成果，得到的是少量的定位点，并不能准确地对三维地形进行表达。基于空三加密成果和多视影像密集匹配技术，可以解算得到密集的三维点云数据，并按照不规则三角网的构建要求，对离散的三维点坐标进行构网，得到三角网模型。通过影像和三角网顶点之间的关系，并将影像纹理信息映射到三角网上，得到逼真的实景三维模型成果，三维模型生产流程如图3所示。

3 三维模型优化研究

倾斜摄影测量，是从空中对地面进行航摄，因此获取的影像是存在航摄盲区的，加上目前的软件算法，无法准确对航摄盲区进行解算修补，因此自动化生产的实景三维模型，其在结构上会存在结构变形，这种影响视觉效果，因此是需要进行处理的。在数据解算时，由于航摄影像分辨率差异较大，因此在进行纹理映射时，会存在部分区域纹理因遮挡等原因而映射错误，也是需要进行处理的，因此三维模型优化主要从两方面入手，即结构优化和纹理优化。模型优化内容如图4所示。

4 案例分析

本次研究数据来源于实景三维中国建设项目。某城区需生产实景三维模型成果，并要求最终提交成果不能存在悬浮物，水面不能出现空洞，建筑物底部结构需完整，纹理映射合理。针对这些要求，在作业时，采用DP-Modeler软件对自动化模型成果进行处理，取得了较好的效果。

4.1 纹理优化

1） 自动提取优化。自动提取优化，纹理来源于航飞影像数据。航摄影像在完成空中三角测量解算后，其影像上的每一点都有对应的实际坐标。在进行纹理自动提取时，可以将指定区域所有的影像都自动挑选出来，并且可以按一定规则对匹配的影像进行排序，从而快速实现选定区域纹理的最优映射。

2） 补拍照片优化。补拍的照片一般是使用高清数码相机，近距离获取的地物影像，这种方法主要用于建构筑物底部纹理数据获取。拍摄的照片，其坐标是任意的，因此在进行纹理优化时，需要人工去挑选合适的照片，然后将其贴到模型上。二维照片贴到三维的模型上，是不能直接实现的。因此需要将待贴图区域选中，呈现二维数据，然后将照片贴到其上面，这样可以实现建筑物底部的高质量影像纹理贴图。

3） 软件修饰优化。自动提取的纹理和补拍的照片，在贴图时，不可能准确无误地贴上，肯定会存在纹理和结构不合理的区域，因此需要联动Photoshop软件，对贴图进行修正处理，从而使得贴图和结构更加合理，贴图质量更高，成果图面更加干净美观。比如，采用这种方法，可以处理道路上的错位斑马线、树影等问题。

4.2 结构优化

1） 删除悬浮物。在进行三维模型自动化重建时，由于树木的树杆较细，其在密集点云匹配时，匹配的到的点较少，无法准确构建三角网，导致树杆无法建模，而树的顶部由于匹配的点密集，在后续建模时，模型能够正常生产出来，这就出现了空中漂浮的物体，也就是通常说的悬浮物。悬浮物在整个大场景中，影响着视觉的美观，因此需要将其删除。利用DP-Modeler软件，对漂浮于空中的悬浮物进行选择，然后将其删除，如图5所示，是悬浮物删除前后的对比图。

2） 补充空洞。空洞一般出现在弱纹理的水面和特别薄的墙壁上。水面由于其纹理相似，因此匹配的加密點不但数量少而且精度较差，在平差时，会将粗差点剔除，导致点少而无法建模。特别薄的墙壁由于在构建三角网时，墙壁两侧的点构成了三角网，从而使得墙壁出现空洞，这都影响着模型的质量，因此需要对其进行处理。采用DP-Modeler软件，对水面空洞进行修补，然后对水面纹理进行修饰，就可以得到高质量的模型成果。

3） 模型压平。自动化生产的三维模型是一种粘连的模型，将单体化的模型成果放置到大的场景中，自动化模型和单体化模型会叠加，影响使用和美观度，因此需要对自动化模型进行压平处理，这样将单体化模型放置到大的场景中，才能显得更加合理实用。采用DP-Modeler软件，将需要压平的区域，利用三点法进行选中，然后压平处理，并对压平后的场景修饰，得到的效果对比图如图6所示。

4） 单体化制作。自动化生产的模型，由于建构筑物底部遮挡严重，因此生产的模型拉花变形问题严重，需要对这类问题进行处理。在模型的基础上，对模型结构进行调整，其实质是破坏原有三角网，重新构建三角网，这种方式处理建筑物变形问题，费时费力，效果不好，因此一般不使用。而基于倾斜摄影空三成果，则可以对建筑物进行重建，其原理是基于空三，获取建筑物的顶点和边长等信息，然后按照真实比例，将建筑物的结构和轮廓构建出来，然后对其进行纹理自动映射，并对纹理映射效果不好的区域，联动Photoshop软件进行修饰，然后将修饰后的纹理再次映射到模型上，实现建筑物的单体化制作。如图7所示，是某一建筑物单体化前后的效果对比图。

5 结束语

本文深入分析了倾斜摄影测量相关技术原理，并对自动化建模流程进行了简要介绍，重点分析了自动化模型存在的问题及其产生的原因，以实际生产数据为例，对模型优化前后的效果进行了对比。通过对模型优化，模型质量得到了提升，成果更加符合项目要求。本文的研究可为同行在提升模型质量方面提供借鉴。

参考文献：

[1] 赵永康.基于无人机倾斜摄影的三维模型构建及其优化研究[J].经纬天地，2023（3）：70-74.

[2] 袁坤.倾斜摄影测量三维模型构建与模型优化关键技术研究[J].经纬天地，2023（3）：79-82.

[3] 赵跃.倾斜摄影测量三维模型优化方法研究[J].测绘与空间地理信息，2021，44（5）：199-200，204.

[4] 王萍，魏军，苟彦梅.基于Smart3D和SVS软件的实景三维模型生产[J].测绘标准化，2022，38（4）：15-19.

[5] 张萌萌，乔俊平，张显志，等.基于城市级的大场景实景三维模型优化技术研究[J].测绘技术装备，2023，25（2）：95-99.

[6] 王壮壮.倾斜摄影三维模型构建及其优化研究[D].赣州：江西理工大学，2021.

【通联编辑：梁书】