倾斜摄影测量技术在城区实景三维模型建设中的应用探讨

张治木

摘要：针对目前城区建设实景三维模型作业方案不成熟，自动化生产的三维模型存在建筑物变形、拉花严重、水面空洞、悬浮物等问题。文章在深入分析倾斜摄影测量技术后，提出将倾斜摄影技术用于实景三维模型生产。文章首先介绍了倾斜摄影测量技术。以实际项目为例，对自动化实景三维模型生产流程进行了详细说明，并对实景三维模型存在的问题进行了优化处理。研究可以为城区实景三维模型生产带来借鉴，也可以为精细化模型制作提供参考。

关键词：倾斜摄影；实景三维模型；单体化；模型修饰

中图分类号：P231 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2024）10-0120-04

0 引言

实景三维中国建设要求全国市县在一定时间内完成建成城镇范围线内实景三维模型的生产。目前针对实景三维模型的生产，主流的作业方式是采用倾斜摄影测量技术[1-3]。然而由于作业方式不同、数据解算软件算法不同等原因，在實际作业过程中，数据解算存在诸多问题，比如空三加密解算失败，模型接边精度超限，自动化生产的模型建筑物变形严重、悬浮物多、水域易出现空洞等[4-6]。针对目前存在的问题，笔者在分析了倾斜摄影测量技术后，提出采用无人机完成高分辨率倾斜数据的采集工作，利用瞰景Smart3D软件完成高精度空三数据的解算和自动化实景三维模型的生产，并使用智觉空间的SVSGeoModeler软件解决建筑物变形拉花问题，并基于SVSMeshEditor软件完成悬浮物删除、水面空洞的修补，最后对删除的悬浮物，将模板库中的路灯、树木植入实景三维场景中，从而得到符合实景三维中国建设要求的数据成果。

1 倾斜摄影测量技术

“倾斜”一词是相对于“垂直”二字来说的，其主要是指在航空摄影作业过程中，航摄仪从多个角度分别获取被摄物体的纹理信息，这样获取的影像纹理信息更加丰富，可以获得的测绘产品种类更多，用途更广[7-8]。针对无人机而言，目前主流搭载的倾斜相机为5个镜头，其由1个下视与4个侧视相机组合而成，下视直接获取目标地物顶部纹理信息，侧视则获取目标地物侧面纹理信息。在航摄实施时，飞控控制相机按照规划好的航线航飞，并且在指定的位置完成相机的曝光以及影像数据的采集。无人机倾斜摄影数据获取示意图如图1所示。

2 自动化实景三维模型生产流程

自动化实景三维模型生产流程主要包括倾斜影像数据采集、空三加密解算及平差、多视影像密集匹配、不规则三角网构建、纹理自动映射，其详细的计算步骤和流程如图2所示。

3 案例分析

某市区要完成建成城镇范围线内约65 km?优于2 cm的实景三维模型生产任务。在结合已有无人机设备及软件后，决定采用倾斜摄影方式进行实景三维模型生产。

3.1 倾斜影像采集

在无人机起飞前，要完成设备检查，主要对相机作业状态、电池电量、机翼等进行检查，确保固定牢固，设备均正常作业。在作业过程中，无人机的航飞高度和范围都要依照空域批复文件中的规定执行，而且飞控手要对飞机的飞行状态时刻观察，确保飞机飞行状态受控。在影像数据采集完成后，确保降落区域安全，完成无人机的降落。将内存卡取出，完成影像数据和POS数据的拷贝。影像质量和数据的完整性决定后续数据的解算精度，对影像进行概览，影像色调基本一致，无明显色差，对比度适中，无曝光或遮挡影像，POS数据和影像对应完整，航摄影像成果质量好，可直接用于后续数据的解算。

3.2 像控点测量

本次航摄的数据成果，其POS精度无法满足项目需求，因此需要采集像控点对成果进行约束，从而保证精度符合要求。像控点测量包括两部分内容，即像控点的布点和采集。倾斜摄影重叠度大，无须考虑航向和旁向重叠度，因此布点按照均匀间隔布设。本次按照500 m的间隔完成内业点位的初始布设，然后根据实地情况，再进行最终点位的选取。在选取点位时，可以偏离初始点位50 m以内，并要确保点位四周尽可能空旷，提高像控点内业影像转刺的影像数量。点位采取喷涂油漆的方式，这样的点位更加准确，对于道路指示线等明确的特征地物，也可以作为点位采集。在采集坐标时，为了避免偶然误差带来的影响，每个点位采集多次数据，并取多次的平均值为最终测量值。为了提升内业点位的判读，在采集的同时，要拍摄现场照片，这样可以提高内业的判断点位效率，避免点位转刺错误。照片的拍摄一般要求一张近照，体现点位的准确位置；两张远照，体现点位和周边地物的相对关系。

3.3 倾斜影像空三加密

将获取的影像数据和POS 数据导入到瞰景Smart3D软件中，完善相机参数，然后提交空三任务，引擎一机多开，完成高效率的影像特征点检测提取等，并设置高配电脑的引擎能力，完成本次空三的平差调整。对完成的空三检查，未发现分层、弯曲等空三常见问题，查看空三报告，所有影像平均分辨率为1.8 cm，加密点重投影中误差0.5个像素，小于规范要求的2/3个像元大小，影像分辨率和空三精度均符合作业要求。导入外业测量的像控点，并对所有点进行转刺，然后完成带像控点的平差调整。对像控点精度进行查看，所有像控点平面和高程中误差均小于0.01 m，空三精度良好，可直接用于实景三维模型的生产。

3.4 倾斜影像自动化建模

实景三维模型生产涉及的算法较多，主要包括基于空三成果完成的密集点云计算，基于不规则三角网构网原则构建的体现地物结构的三角网，基于三角网构建的白膜，然后利用三角网点和航摄影像之间的关系，对三角网进行纹理自动映射。在建模设置时，首先须设置三维重建框架，然后设置瓦片的切块方式和大小，并且导入范围线，对建模范围进行约束，导入水域范围线，对水面进行约束建模。设置瓦块切块原点和模型输出原点，并且在本次生产中，输出OSGB和OBJ两种格式的实景三维模型。因为对于单体化，可以采用OSGB格式的模型完成，对于场景的精细化处理，由于OSGB格式金字塔层级多，在进行精细化场景处理的过程中，容易出现三角网叠加而引起的闪面问题，因此在作业中须采用OBJ格式的模型进行精细化场景处理。

4 精细化三维模型制作

采用浏览软件查看自动化方式得到的模型，发现模型中部分建筑物变形拉花严重，水域部分存在空洞，树木、路灯、指示牌等建模不完整，易出现悬浮物。为了解决这些问题，本次采用智觉空间的SVSGeo?Modeler 和SVSMeshEditor 两款软件进行模型问题处理及场景修饰。

4.1 单体化模型制作

单体化模型制作其关键点是获取建筑物的结构框架。从这个方向出发，就可以采用两种方式对建筑物结构进行采集，即基于模型的采集和基于虚拟立体像对的采集，其具体的作业流程如图3所示。

在进行单体化模型制作时，首先将去除畸变后的影像、平差得到的精确外方位元素和优化后的相机参数导入到SVSGeoModeler软件中，添加OSGB格式的模型数据，构建影像金字塔，完成虚拟立体像对的恢复。基于空三加密成果，在采集建筑物时，可以直接在虚拟立体环境下采集建筑物的顶点及边，然后通过拉伸、挤压等操作，获取准确的建筑物结构。在没有立体设备的电脑上，也可以直接在模型上采集建筑物的结构，但是有时因模型变形严重，通过模型采集的建筑物结构精度易超限。本次基于虚拟立体像对对变形建筑物进行单体化建模，得到某一建筑单体化前后的对比如图4所示。

4.2 精细化场景制作

实景三维模型是一种典型的“一张皮”模型，它是由无数个三角网构成的。实景模型场景出现水域空洞、路灯、树木、指示牌等的悬浮物，主要是因为在生成密集点云时，生成的点云数量少，达不到构建三角网的要求，因此才会出现上述问题。

4.2.1 水域空洞问题处理

水域空洞问题处理，目前主要有两种方案：一是在建模前对水域进行约束建模；二是基于实景三维模型完成水域空洞的编辑。

1） 对水域进行约束建模。由于水面信息相似，属于典型的弱纹理信息，因此在进行同名点提取时，无法准确获取水域部分的同名点。因此在后期生成密集点云时，不能基于空三成果而得到水域的点云，从而导致水域无法构建三角网。正常情况下，水面高程是一致的。从这个角度出发，将水域范围及其高程赋值到约束范围线上，导入建模软件中，对水面进行约束建模，可以得到没有空洞的水面模型。

2） 基于实景三维模型完成水域空洞的编辑。水域空洞是因为没有三角网而产生的，因此可以对水域空洞进行内插，即利用周边三角网顶点的坐标信息，对水域空洞区域进行坐标的内插以及三角网的构建。

然后基于倾斜影像完成纹理的自动映射。对于映射错位及效果不好的区域，联动Photoshop软件进行纹理修饰。由于水面的特殊性，也可以在模型上将水域部分的范围及高程信息量取，然后利用3D Max等软件构建一个水面，再将场景和水面进行合并，從而完成水域空洞的修补。

本次采用对水域进行约束建模的方法，得到水域处理前后的对比如图5所示。

4.2.2 悬浮物删除及地物植入

路灯、树木、广告牌等因为其支撑杆较细，在影像解算过程中，无法获取密集的点构建三角网，因此出现了空中悬浮这一问题，一般称为悬浮物。对于悬浮物的处理，如果全部进行单体化，工作量就会特别大，且缺乏实际意义，一般不采用这种作业方式。处理悬浮物的主要原因是为了美观，因此在实际作业过程中，一般都是对悬浮物进行删除，然后将场景压平，再将模板库中类似的小品（模板库中的各类地物统称为小品）植入原有的位置上，从而实现场景的精细化制作修饰。本次实际作业就采用上述方法，得到的对比如图6所示。

5 结束语

文章首先介绍了倾斜摄影技术，并以实际生产项目为例，探讨了倾斜摄影技术在城区实景三维模型制作中的应用，并针对自动化构建的实景三维模型存在的问题，提出了一些解决方案，从而得到了精细化实景三维模型。本文的研究可以为城区精细化实景三维模型的构建带来借鉴。

参考文献：

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【通联编辑：梁书】