鄭遠楊，劉 超，丁 濤，鄧 燁

(安徽理工大學 空間信息與測繪工程學院/礦山采動災害空天地協(xié)同監(jiān)測與預警安徽省教育廳重點實驗室，安徽 淮南 232001)

目前，人工建模、激光雷達建模和傾斜攝影建模是主流的三維建模技術。人工建模通常采用大比例尺規(guī)劃圖結(jié)合3DMAX軟件進行建模，并結(jié)合現(xiàn)狀照片進行紋理貼圖，但該建模方法對于復雜構筑物來說存在一定的困難，制作周期較長，人工干預較多，簡言之費時費力，建模效果失真[1]。激光雷達獲取的點云數(shù)據(jù)量廣，點云特性穩(wěn)定，且對于點云處理方面已取得巨大進步，現(xiàn)在已廣泛推進三維重建利用激光雷達數(shù)據(jù)。張冬等[2]利用地面激光雷達對單株樹木進行建模，通過不同算法提取枝干骨架和樹枝；賈雪等[3]利用海量點云數(shù)據(jù)，基于鑲嵌法進行三維重建，但該方法前期準備工作時間較長，后期紋理貼圖困難。傾斜攝影測量技術可以獲取構筑物頂部、側(cè)面信息，目前對于較大區(qū)域采用航攝影像三維建模，無人機成本較低，快捷靈活，可獲取大量目標物數(shù)據(jù)。劉洋等[4]利用無人機影像數(shù)據(jù)進行古建筑三維重建，通過規(guī)劃航線和貼近攝影測量結(jié)合方法，但該方法對手動拍攝影像重疊度要求較高。

當前研究多數(shù)在單體化建模，單一建模雖然簡便快捷，建模效果快，但有所欠缺，存在人工修模、模型紋理模糊，目標物存在空洞等問題。

無人機傾斜攝影測量從1個垂直角度和4個傾斜角度獲取地面物體的表面信息，從而得到目標物的空間三維坐標[5]。通過軟件處理獲取的影像，可快速實現(xiàn)地面建筑物的三維重建，然而受飛行高度和攝影角度限制，建立的模型在近地面會存在變形和拉花等問題，不能很好地滿足如今的建筑物精細化建模要求；近地面攝影測量技術通過非量測相機在地面拍攝照片，可解決無人機航拍無法拍攝的角度問題，根據(jù)二者各自的互補，可以大大提高城市實景三維建模質(zhì)量。因此本文擬采用航空攝影測量結(jié)合地面照片方法進行三維重建，經(jīng)實驗該方法實際應用效果較好。

1 基于攝影測量的三維重建方法概述

基于攝影測量的三維重建是根據(jù)雙目視覺原理，以攝像機為媒介獲取目標物的二維影像，借助目前影像處理軟件提取相鄰圖像中的同名點，再以同名點為匹配基元建立各圖像之間的對應關系。經(jīng)處理軟件獲取精確的匹配關系后，再結(jié)合攝像機規(guī)定的內(nèi)外參數(shù)就可以得到空間點的三維坐標導出的點云數(shù)據(jù)，由點云數(shù)據(jù)構建不規(guī)則三角網(wǎng)格模型，最后再根據(jù)紋理映射算法得到具有真實紋理信息的三維模型[6]。

三維建模的實質(zhì)為點云數(shù)據(jù)構建TIN三角網(wǎng)，并結(jié)合紋理算法附紋理信息至TIN三角網(wǎng)。傾斜攝影測量與地面拍照技術二者的本質(zhì)是融合生成點云數(shù)據(jù)，最后構建高精度三維模型。技術路線如圖1所示。

圖1 融合建模技術路線

獲取的無人機影像(地面照片)數(shù)據(jù)進行空中三角測量前要進行檢核，查看影像是否全部可用于三維重建，空中三角測量結(jié)束后，可查看空三質(zhì)量報告，其中包含關鍵點、連接點以及重投影誤差，一般主要查看重投影誤差是否在規(guī)定范圍內(nèi)即小于1個像素。區(qū)塊合并后進行三維重建，將融合模型與掃描儀點云構建的模型進行3D比較，從而確定整體建模精度。

2 數(shù)據(jù)采集

2.1 無人機影像數(shù)據(jù)采集

當前無人機行業(yè)快速發(fā)展，憑借其體積小、低成本、獲取數(shù)據(jù)量廣的優(yōu)勢在測繪領域被廣泛應用[7-8]。利用無人機搭載的單鏡頭或多鏡頭，獲取測區(qū)各方位帶有POS信息的影像數(shù)據(jù)，根據(jù)獲取的影像數(shù)據(jù)可建立接近于實景的三維模型[9]。

本實驗采用大疆精靈4Pro無人機，正常GPS定位工作時，垂直懸停精度為±5 m，水平懸停精度為±1.5 m。無人機航攝飛行前，利用奧維地圖進行目標區(qū)裁取，并根據(jù)實驗要求用飛行控制器規(guī)劃航線；為建立高質(zhì)量的三維模型，確保相鄰影像之間的重疊度，航向重疊度一般要求在60%～65%，最低不得小于53%，旁向重疊度一般要求為30%～40%，最小不得小于15%，若航向、旁向重疊度小于最低要求稱為航攝漏洞，需航攝外業(yè)補救[10]。本次航向重疊度和旁向重疊度設為90%，飛行高度為20 m,共采集136影像，均可進行三維重建。

2.2 地面照片采集

地面拍照對象為拱形建筑物的底部和文字碑，底部數(shù)據(jù)由于無人機規(guī)劃的航線難以獲取，若采用低空環(huán)繞飛行，由于自身的避障系統(tǒng)，使得環(huán)繞拍攝也無法獲取完整的底部數(shù)據(jù)；文字碑具有特殊意義，航攝高度為20 m，使得字體難以看清，因此采用地面拍照，本次地面拍照采用Iphone11手機,廣角拍攝和六鏡式鏡頭廣角拍攝，且廣角鏡頭具備光學圖像防抖功能，符合本次實驗拍攝相機要求。如圖2所示。

圖2 地面照片拍照示意圖

由于手機和無人機屬于二種不同的設備，內(nèi)部參數(shù)設置不同，為確保整體建模質(zhì)量，無人機航攝和地面拍照應同一時段分別進行，且手機取景采用環(huán)繞式拍照，盡量每隔15°拍攝一次，確保照片重疊度[11]，采集底部照片33張，文字碑照片14張，共采集47張照片，均可進行三維重建。

3 影像數(shù)據(jù)與地面照片融合三維重建

實現(xiàn)航攝影像與地面照片融合建模的關鍵是將兩組照片進行聯(lián)合空中三角測量。聯(lián)合航攝影像與地面照片可利用過渡影像來實現(xiàn)，即采用少量重疊度極高的影像來連接兩組照片，但此方法需要利用無人機下降不同高度采集影像來連接，若高度下降不均勻、照片采集角度偏差較大都會影響融合效果，因此本次采用連接點方法進行照片聯(lián)合，無需下降無人機高度采集連接照片，本文詳細建模方法如圖3所示。

圖3 影像數(shù)據(jù)與地面照片融合建模流程圖

3.1 區(qū)域網(wǎng)傾斜空三加密

本實驗采用單鏡頭無人機獲取影像數(shù)據(jù)，使用Context Capture快速實現(xiàn)實景三維建模，該軟件的優(yōu)勢為全自動化處理影像數(shù)據(jù)。首先在該軟件創(chuàng)建一個區(qū)塊block1，將影像數(shù)據(jù)導入直接進行多視影像聯(lián)合平差傾斜空三加密，最終獲得帶有真實三維坐標的空三結(jié)果。單一無人機共生成42 522個連接點，平均每張影像提取25 272個關鍵點，重投影誤差為0.48個像素。

3.2 區(qū)域網(wǎng)地面照片空三加密

采用Iphone11手機獲取的地面照片無POS信息。在Context Capture中創(chuàng)建block2區(qū)塊，手機拍攝的照片中會含有無效影像，因此進行空三解算前需進行照片檢查，隨后進行地面照片空三加密解算，獲得一組無任何真實三維信息的空三結(jié)果。地面照片底部連接點共生成12 260個連接點，重投影誤差為0.7個像素，文字碑生成2986個連接點，重投影誤差為0.74個像素。

3.3 添加連接點

采用連接點進行照片聯(lián)合，需保證每個連接點至少在3～5張影像上。該方法具體為：利用無人機影像進行空中三角測量，隨后利用空三結(jié)果選擇連接點，確保選擇的連接點影像與地面照片相對應，連接點選擇至少3個，每個連接點在3張以上影像中，選擇結(jié)束后，導出連接點文件為.txt格式；將選擇好的連接點文件導入地面照片中選擇對應點，此時導入的連接點作為控制點；最后將兩組空三結(jié)果合并區(qū)塊進行三維重建，連接點融合結(jié)果如圖4所示。

圖4 融合空中三角測量結(jié)果

本文控制點點數(shù)為3個，其三維誤差的RMS為0.016 m、三維水平誤差的RMS為0.016 m、三維垂直誤差的RMS為0.002 m。

3.4 空地融合自動三維實景建模

實驗獲取大量的影像數(shù)據(jù)，生成密集點云較多，利用Context Capture建模時，由于計算機內(nèi)存為16RAM，經(jīng)分析計算所需內(nèi)存大小將分塊建模，共生成16個瓦塊進行TIN模型的構建，最后根據(jù)構建好的TIN模型進行紋理映射，得到真實三維模型，如圖5所示。

(a)融合構筑物白膜; (b)融合構筑物模型

將未添加地面照片模型與添加地面照片所建三維模型進行對比，可以清晰看出因航攝帶來建?？斩吹男扪a以及文字碑字體更加清晰，如圖6所示。

(a)無添加地面照片

(b)添加地面照片

4 精度分析

融合照片數(shù)據(jù)精度決定了本次三維重建模型的質(zhì)量。掃描儀獲取的點云穩(wěn)定且質(zhì)量良好，因此本文以站地式三維激光掃描儀獲取的點云構建模型為參考，以融合照片模型為測試對象，將二者構建的模型進行整體3D比較，從而判定融合模型的精度。3D比較原理為，利用3D比較分析，會在測試對象和參考對象之間生成色譜圖，可以比較直觀地看出二者點云數(shù)據(jù)在X、Y、Z方向上的偏差值，其模型比較步驟如圖7所示。

圖7 模型3D比較精度分析步驟圖

融合數(shù)據(jù)和掃描儀數(shù)據(jù)分別在不同坐標系下，直接進行3D比較則無法進行，因此在進行比較前，需對模型進行特征對齊，使得在同一坐標系下，經(jīng)特征對齊的模型再次使用“最佳擬合對齊”，對齊結(jié)果顯示，均方根誤差RMS為0.043 83 mm，平均誤差為0.031 54 mm。

將構建的模型進行3D比較分析后，得出不同位置點云的偏差分布。比較結(jié)果顯示，最大或最小臨界值均為±0.5193 mm，最大或最小名義值為±0.0260 mm，最大上偏差為+0.5193 mm，最大下偏差為-0.5018 mm,標準偏差為+0.0473 mm，偏差分布如表1所示。

表1 3D偏差分布

由表1可知，有54.7161%的點分布在-0.0260～0.0260 mm，其中偏差超過±0.1082 mm的點云所占百分比總和僅為2.98%，從總體分布來看，3D比較偏差結(jié)果符合誤差要求，融合建模質(zhì)量效果良好。

5 結(jié)語

運用航攝影像結(jié)合地面照片融合構建紀念標志物具有重大意義，實驗結(jié)果表明該方法建模效果顯著，成功實現(xiàn)三維真實地物可視化。

數(shù)據(jù)采集方面利用航空攝影和地面拍照技術結(jié)合，彌補了二者之間的缺陷，使得獲取的目標物信息更加完整；利用照片之間的連接點融合，使得缺失影像更加完整，減少外業(yè)獲取過渡影像帶來的麻煩?？盏匾惑w結(jié)合技術為特殊紀念物留存提供一種新的思路，具有良好的推廣價值，同時在文物保護方面具有重要意義。