实景三维精细建模优化方法探索与实践

张伟 ,杨浩然

赤峰宏图规划设计院有限公司 内蒙古赤峰 024000

摘要：随着数字化城市建设的迅速推广，“实景三维中国”成为基础测绘“十四五”规划的重点关注方向，如何快速高效构建高质量、高精度的城市实景三维模型也成为测绘地理信息科学研究的热点。近年来，常见的三维建模方法大致有基于ＧＩＳ矢量数据、ＬｉＤＡＲ激光扫描和倾斜摄影测量三类，其中基于新型成像系统的倾斜摄影测量三维建模以其独特的优势得到了广泛的关注和飞速的发展，已成为数字城市三维空间信息数据获取的一项重要技术。倾斜摄影测量通过自动化的数据处理方法实现了大场景的快速精细三维构建和真实还原，解决了基于ＧＩＳ矢量人工建模生产周期长、模型成果现势性低、纹理不真实以及ＬｉＤＡＲ激光点云三维建模效率低、成本高等缺点。但是，倾斜摄影三维建模由于遮挡或者环境等原因，在大范围批量生成模型时会存在部分建筑物侧面纹理缺失和模型边缘细节不准确等问题。对此，本文结合工程实例，提出了一种高低空航摄数据相结合的方法，实现了对实景三维精细建模效果的优化和对场景目标的真实还原。

关键词：三维精细建模；模型优化；倾斜摄影；近景摄影

引言

倾斜摄影技术与无人机技术结合，可以对地面静态目标进行三维地理信息建模(DigitalElevationModel，DEM)，即DEM建模，而且通过无人机巡航路线，可对静态目标提供多角度倾斜摄影原始数据。一般倾斜摄影需要足够多的倾斜摄影角度，而无人机倾斜摄影恰好可以提供足够多的倾斜摄影角度。所以，当前无人机倾斜摄影工程量占到全部倾斜摄影工程量的绝大部分。但是，无人机倾斜摄影针对复杂模型的建模过程也有局限性，如较复杂的工厂露天桁架、管道设备会在无人机巡航时由于外部结构遮挡内部结构，导致DEM模型的深部细节难以表达;如人流量较大的区域会因为人流、车流或其他移动部件导致不同时间拍摄的倾斜摄影照片之间存在差异性，导致DEM模型受到干扰。

1近景摄影测量

近景摄影测量同样属于摄影测量与遥感技术的一种，它是通过摄影的方式来确定地形之外的地物外形、运动和形态。传统近景摄影测量有两种量测手段：一种是量测摄像机，另外一种是非量测摄像机。其中，量测摄像机不但光学畸变较小，而且能够记录内外方位元素，而非量测相机是普通照相机，成像质量较差。近年来，数字近景摄影测量技术得到快速发展和推广，已经实现利用单反数码相机当作地面影像的获取平台，然后根据计算机来实现空三测量解析，计算出原始影像的内方位元素，并且可以快速地建立出精密的模型。近景摄影测量的主要优势是能获取目标地物的物理、几何信息。

2实景三维精细建模优化方法探索与实践

2.1构造高／低空影像连接点

高低空航摄数据相结合的原理主要是基于多源影像的联合平差，多源影像不仅包含高空采集的多镜头倾斜影像，还包括低空拍摄的近景影像，近景影像能够对近地的建筑细节进行有效补充。结合ＰＯＳ系统提供的多源影像外方位元素，采取由粗略到细节的金字塔匹配策略，在每级影像上进行同名点自动匹配和自由网光束法平差，可以得到较好的同名点匹配结果。同时，建立连接点和连接线、控制点坐标、ＧＰＳ／ＩＭＵ辅助数据的多源影像自检校区域网平差的误差方程，通过联合解算，确保平差结果的精度。基于联合平差的原理，倾斜摄影自动建模软件可实现目标区域倾斜影像和近景影像的密集匹配和融合，修复倾斜三维模型的几何结构和纹理，从而大大减少了后期人工模型修饰编辑工作量，提高了模型的精细化程度和生产作业效率。通常直接空三融合的效果不太理想，需要添加高／低空航摄影像的连接点，根据低空模型位置，添加多个多方位、多角度、清晰的特征点，并在高空航摄数据中选取相应特征点作为高低空航摄数据结合的连接点，然后再进行整体空三平差，直到精度满足要求。完成以上工作后，即可进行密集点云匹配、构建三角网、三维重建、模型纹理映射和模型修饰等工作，得到效果优化的实景三维模型成果。

2.2倾斜影像粗差检测

对倾斜摄影影像密集点粗差进行合理剔除，可以有效提高三维建模精度。粗差检测剔除和自由网构建过程：首先以RANSAC方法为基础，采用5点法相对定向法，建立粗差检测双模型，进行密集点粗差检测；然后采用空间前方交汇算法，计算密集点残差，将残差值较大的像点进行剔除；然后通过选择具有较多连接点的三张影像进行两两间的相对定向，若计算获得的3个线元素向量为共面向量，3个旋转矩阵的依次相乘结果为单位矩阵，则表明倾斜摄影相对定向结果准确，可靠性较高，从而输出自由网构建结果。

2.3混合空三处理

本文采用ＣoｎｔｅｘｔＣａｐｔｕｒｅ软件进行空三处理，分别对中央大街内的倾斜摄影影像和近地面照片进行空三处理，得到二者的初始姿态。其次，将初步空三后的倾斜摄影影像和近地面照片进行合并，再均匀地刺相控点和连接点。连接点主要作用是将近地面照片和空中倾斜影像建立关系，来提升空三运行的成功率。最后，在混合空三生成结果后，再检查空三结果，如像片姿态、自动连接点、像控点的残差等，尤其是近地面照片的姿态。如空三不合格，则根据实际情况调整人工连接点、控制点，再次进行空三处理。

2.4建模成果

以无人机倾斜摄影测量获取到的原始影像数据为基础，构建研究区三维实景模型，首先需要对原始影像数据进行预处理。由于原始影像中存在光照不均匀现象、拍摄角度存在差异、拍摄时有时间差等，故所得到的原始影像数据存在较大的辐射误差。建模前需最大程度降低该误差，故需要对原始数据影像进行归一化处理。POS系统提供的航摄影像的外部方向要素和地面基准点数据结合，从而形成研究区地物信息空间数据。以SHIFT特征提取算法为基础，对外业所拍摄的原始影像进行特征提取，从而建立特征点之间的连接点和连接线，然后利用控制点坐标和POS数据，构建该地区城市区域网平差误差方程，对其进行联合平差计算，从而获得各航摄影像的外方位元素以及所布设的空三加密点物方坐标数据。以获取的垂直和倾斜影像数据为基础，结合空三加密成果，利用数据影像的外方位元素，对多角度多视觉影像进行综合匹配，从而生产出密度相对较高的点云数据，进而构建能够对地表地物真实反映的数字表面模型数据。

3结语

精细化实景三维模型数据成果是城市规划设计和工程建设的重要基础地理信息资源，其高精度、高真实感的优点结合可量测影像与信息管理系统，在数字化城市建设和规划管理等方面具有重要意义。本文探索在地形地物复杂的城市大场景精细三维建模中通过针对不同建模目标采用不同的飞行策略和航摄数据采集方案，结合多源数据融合处理方法，实现了实景三维模型成果的精细度提高及模型效果优化，同时减少了后期人工修模工作量，较大地提高了建模效率，为实景三维数字城市建设提供了技术参考。目前，虽然倾斜摄影快速三维建模技术在很多领域得到应用，但由于软硬件和算法技术等因素，实景三维模型仍然存在一些问题，如模型成果数据量大、文件碎，缺乏统一的规范与标准，难以高效网络发布和数据共享，未实现真正意义上的模型单体，无法进行三维ＧＩＳ管理和应用等，这些问题还需要进一步研究与解决。

参考文献

［１］张小宏，马立华，陈丰田，等．基于多源数据融合的高精细实景三维建模技术［Ｊ］．测绘工程，２０１９，２８（４）：６８－７１．

［２］耿利川，王忠丰，史建东，等．一种空地一体化实景三维建模方法［Ｊ］．矿山测量，２０２０，４８（４）：４７－５０．