基于无人机倾斜摄影的精细化三维模型制作研究

王小妹　王雯雯

摘要：采用倾斜摄影技术生产的三维模型，通常存在建筑物变形、树冠悬浮空中等问题。对于城市三维管理而言，建筑物变形导致精度降低，而树冠悬浮空中则影响了视觉效果，因此需要进一步对模型进行优化处理。文章首先介绍了倾斜摄影技术，并对基于倾斜摄影数据生产实景三维模型的流程做了简要介绍。重点分析了模型产生问题的原因，并给出了相应的解决方案。通过对研究区的模型进行优化处理，取得了较好的结果。文章的研究成果可为同行在精细化模型制作方面提供借鉴。

关键词：无人机；倾斜摄影；实景三维模型；精细化模型；空三加密

中图分类号：TP311 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2024）14-0104-03 开放科学（资源服务）标识码（OSID） ：

0 引言

近年来，倾斜摄影技术取得了飞速发展。基于这一技术生产的实景三维模型被广泛应用于高精度基础测绘产品，并逐渐成为城市三维管理的一种趋势。对于基础测绘产品而言，借助倾斜摄影技术获得的实景三维模型可以用于生成数字线划图和真正射影像。然而，这些测绘基础产品对实景三维模型的精细度要求并不高[1-2]。相比之下，对于城市三维管理来说，实景三维模型存在建筑物变形、树冠悬浮空中等问题，需要进一步优化，以满足城市三维管理对模型成果精细度的要求[3-4]。为了解决实景三维模型存在的问题，本文从实景三维模型原理出发，对倾斜摄影技术进行了分析，并详细说明了实景三维模型的生产流程。针对实景模型的问题，本文从原理上进行了分析，并提出了多种解决方案。最后，将模型优化方案应用于本次研究区，对存在问题的模型进行了优化，并对优化前后的模型进行了比较。通过外业采集的建筑物顶点三维坐标和丈量的建筑物边长，对原有实景三维模型和单体化制作的模型精度进行了检测，结果表明单体化模型的精度更高。删除了悬浮的树冠后，模型场景更加干净美观。本文的研究成果可为精细化模型制作人员提供借鉴。

1 倾斜摄影技术

倾斜摄影是一种基于飞行平台，将多个相机组合在一起，从不同角度同步获取被摄物体影像数据的技术[5-6]。倾斜摄影要求航摄重叠度高，一般航向和旁向均不低于80%。由于搭载的相机多，可以从不同角度获取影像数据，因此倾斜摄影技术可以获得被摄物体更多的纹理数据。与垂直摄影技术相比，倾斜技术的航摄盲区更少，可用信息更丰富，数据解算成果更可靠，产品精度更高。由于倾斜摄影生产的实景三维模型是对真实场景的还原，因此具有更高的应用价值。目前，倾斜摄影相机的组合有2镜头、3镜头、5镜头及更多镜头，其中5镜头相机组合被广泛应用。5镜头设备由4个侧视和1个下视相机组成，其中侧视和下视相机之间的夹角为45度。为了获取分辨率一致的影像数据，侧视相机焦距通常设置为下视相机焦距的1.4倍。这样的组合用于倾斜影像数据获取，可以得到最佳的航摄影像成果。

2 实景三维模型生产

基于无人机倾斜摄影技术获得高精度的实景三维模型，其主要包括的内容有航摄影像数据获取、像控点测量、空三加密、高密度点云数据匹配、不规则三角网构建及实景模型输出，其流程图如图1所示。

基于图1的建模流程，对本次研究区进行实景三维模型生产，得到部分实景三维成果如图2所示。

3 精细化模型制作

采用人机交互方式，对本次生产的实景三维模型进行查看，发现部分建筑物存在变形，其精度不可靠；部分树木的树冠悬浮于空中，脱离了模型场景，影响人的审美视觉，因此需要对模型进行优化处理。

3.1 模型问题产生的原因

3.1.1 建筑物变形

倾斜摄影是一种从空中对地面获取影像数据的技术，其核心是提取不同照片上同一地物的特征点进行影像数据解算。在数据解算过程中，只有高质量的影像数据才能解算出高精度的同名点。对于航摄盲区而言，若没有可靠的影像数据，其解算结果将不可靠。模型的构建基于空三加密成果，采用多视影像密集匹配算法进行解算，得到高密度、高精度的点云数据，随后按照不规则三角网构网原则，构建连续的三角网，并统一赋值，形成建筑白模。然而，由于遮挡区域未解算得到点云数据，在构建三角网时，会将遮挡区域周边的点云数据进行构网，从而形成一个大的三角网，导致建筑结构出现变形。

3.1.2 树冠悬浮

实景三维模型是一种表皮模型，由无数个不重叠的三角网相互连接而成。树木和路灯的结构通常具有底部粗、中间细、顶部大的特点。在匹配高密度点云数据时，由于树木和路灯的中间部位较细，匹配得到的三维点坐标较少。在后期构建三角网时，根据目前的构网原则，要求三个点必须是邻近点且三边之和最小。因此，可能无法准确构建出连续的三角网。一旦无法构建连续的三角网，模型中就会出现树冠和路灯悬浮的问题，这是悬浮物出现的根本原因。

3.2 模型优化方案

3.2.1 建筑物变形优化

由于建筑物变形的本质是缺乏可靠的高密度点云数据，导致不相关的点云构建成了三角网，因此从点云方面入手，可以解决建筑物变形问题。目前，对于建筑物变形，可采用以下几种方式进行优化处理：

1） 倾斜摄影和地面激光点云数据融合建模。倾斜摄影从空中获取地面影像数据，地面激光作业获取倾斜摄影盲区部分的点云数据。倾斜摄影数据解算完成后，得到高精度、高密度的点云数据，将地面获取的点云数据导入到建模软件中，使两种数据源的点云融合。这样可以增加点云的密度，并弥补航摄盲区的点云数据。因此，在构建三角网时，可以准确构建建筑物结构，解决建筑物变形问题。此外，扫描的点云数据带有影像纹理数据，可完成模型纹理的映射。

2） 地面补拍影像和倾斜摄影影像融合解算。采用地面补拍影像的方式，获取倾斜摄影盲区部分的影像数据。地面补拍影像通常没有准确的POS数据，其解算基于影像之间的关系，结果是一种相对自由的坐标系。倾斜数据解算参照了POS坐标系统，是一种相对坐标系。两种坐标系的成果一般相差较远，可通过大量的像控点成果将两种坐标系统转换到像控点坐标系统下，实现补拍影像和航摄影像的完美融合，相互弥补，生产航摄盲区部分高精度、高密度点云数据，构建准确的三角网，得到高精度的建筑白模。通过影像纹理自动映射，得到高质量的模型成果。

3） 基于单体化技术的建筑物模型构建。虽然倾斜摄影存在航摄盲区，但一般可以拍摄到建筑物的一些特征区域，如建筑物顶点和拐点。如果可以准确采集建筑物的顶点三维坐标或获取建筑物的边长，就可以采取交汇的方式获得建筑的轮廓数据，实现高精度的白模制作。因此，可以采用单体化的方式对建筑物变形进行优化。首先，基于平差后的空三加密成果，得到优化后的影像外方位元素、未畸变照片和相机参数，然后将其导入到第三方单体化模型制作软件中，重建立体模型。基于虚拟立体像对技术，采集建筑物的顶点三维坐标和建筑物的边界，构建完整的建筑物模型。根据顶点坐标和航摄影像之间的关系，将最佳的照片映射到建筑物模型上，并对映射纹理进行旋转、拉伸等操作，使其更真实地映射到建筑物模型上，从而得到单体化建筑模型。

3.2.2 树冠悬浮优化

悬浮问题的产生主要是因为点云数量较少，导致构建的三角网不连续，从而出现悬浮物。基于这一点，可以采用以下几种方式进行悬浮物处理：

1） 直接删除悬浮物。例如树木、路灯等悬浮物影响着模型成果的视觉效果，且使用意义不大，因此可以直接删除。悬浮物是孤立的，直接删除不会造成模型出现空洞等问题。由于它们是孤立的，目前主流的模型处理软件都提供了一键识别与删除功能，能够快速高效地删除悬浮物。

2） 植入小品。模型成果用于城市三维管理时，通常会借助三维模型发布平台完成。这些平台一般都附带有模型库，其中包括树木、路灯、垃圾桶等地物。为了提升场景的视觉效果，可以删除原有的悬浮物，将部分残缺地物压平到地面上，并对悬浮物产生的阴影进行处理。最后，将模型库中的小品放置到原位置上，并对小品尺寸进行缩放处理，确保小品与周边地物过渡自然。

3.3 研究区模型优化对比

3.3.1 建筑物变形优化处理

本次研究区域中部分建筑结构存在变形，如图3所示，是优化前建筑物的白模、三角网和模型。

利用单体化软件，对变形建筑物进行单体化处理，得到优化后的单体化建筑物，如图4所示。

利用外业采集的建筑物顶点三维坐标和丈量的建筑物边界长度，对优化前的模型和单体化模型精度进行检测统计。通过检测结果可知，对于未发生变形的区域，两种方式的成果精度基本上一致；而对于建筑物变形区域，单体化模型的顶点三维坐标更加精确，建筑物边界长度更准确，能够满足城市三维管理的需求。

3.3.2 树冠悬浮删除

采用专业的模型处理软件，选中模型中的悬浮物并将其删除，对高出地面部分的树木进行压平处理，然后选中树木的阴影区域，将其导入到Photoshop软件中进行阴影处理，得到高质量的模型场景数据。如图5所示，是树冠悬浮物删除前后的对比图。

4 结束语

本文探讨了倾斜摄影技术，并介绍了实景三维模型的作业流程，同时得到了研究区实景三维模型的成果。在对模型进行查看时，发现了建筑物变形和树冠悬浮等问题，针对这些问题展开了深入分析，并提出了多种解决方案。随后，利用专业的软件，采用了本文提出的优化方案，对模型问题进行了优化处理。研究结果表明，在建筑变形区域，单体化模型成果精度更高，能够满足城市三维管理的需求；而删除树冠悬浮物后，模型场景更加清晰美观。本文的研究，可为同行作业人员制作精细化模型带来参考。

参考文献：

[1] 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.

[2] 焦甲尧.多种摄影方式的精细化三维建模方法与应用[J].北京测绘，2022，36（8）：1024-1029.

[3] 李闻杰，左小清，唐灵，等.手机影像辅助倾斜摄影的快速精细化建模方法研究[J].城市勘测，2022（3）：60-64.

[4] 陆士好.倾斜摄影测量实景三维模型的精细化修整[D].徐州：中国矿业大学，2022.

[5] 张占勇.无人机倾斜摄影测量技术在水工建筑物精细化建模中的应用[J].珠江水运，2023（19）：107-110.

[6] 蔡宗磊，刘明松，常雪，等.地面点云与倾斜摄影融合精细化实景建模研究[J].测绘，2023，46（5）：232-235.

【通联编辑：梁书】

基金项目：项目审批单位：甘肃林业职业技术学院传新创业学院，项目名称：基于GIS技术的城郊山地旅游度假区的土地利用分析——以麦积山石窟为例，编号：20231283522