李文琪 趙 耀 劉騰飛 高 鐵

（1.陽(yáng)泉精誠(chéng)測(cè)繪有限責(zé)任公司，山西 陽(yáng)泉 045000；2.山西省測(cè)繪地理信息院，山西 太原 030001；3.瞰景科技發(fā)展（上海）有限公司，陜西 西安 710000；4.西安鷹翔測(cè)繪科技有限責(zé)任公司，陜西 西安 710000）

0.引言

近年來(lái)隨著國(guó)家對(duì)實(shí)景三維中國(guó)建設(shè)的進(jìn)一步推進(jìn)和落地，以及無(wú)人機(jī)航攝技術(shù)的成熟，實(shí)景三維模型越來(lái)越廣泛應(yīng)用在生產(chǎn)建設(shè)的各個(gè)行業(yè)。

無(wú)人機(jī)傾斜攝影實(shí)景三維建模生產(chǎn)的三維模型成果，擁有建模還原度高、精度高、速度快、識(shí)圖更容易這幾大特點(diǎn)，常被應(yīng)用于地理信息系統(tǒng)的底圖中。這一應(yīng)用的出現(xiàn)，使得實(shí)景三維模型的功能應(yīng)用從遠(yuǎn)觀升級(jí)到近看。然而，單獨(dú)使用無(wú)人機(jī)傾斜攝影自動(dòng)化生成的實(shí)景三維模型，遠(yuǎn)觀非常漂亮逼真，一旦鏡頭拉近到地表視角近看，就會(huì)發(fā)現(xiàn)三維模型接近地面的部分，紋理模糊且不清晰、模型體凹凸不平甚至失真[1]。對(duì)于高差相距過(guò)大的測(cè)區(qū)，僅進(jìn)行一次航測(cè)容易造成空洞現(xiàn)象[2]。為了解決這一問(wèn)題，本文研究了一種“無(wú)人機(jī)傾斜航拍+地面補(bǔ)攝”空地結(jié)合的自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)實(shí)景三維建模的解決方案，對(duì)整個(gè)測(cè)區(qū)采集三種不同分辨率影像，分別進(jìn)行有像控點(diǎn)和無(wú)像控點(diǎn)的空三加密，然后將空三的結(jié)果通過(guò)人工添加的方式進(jìn)行空地兩類(lèi)空三成果融合，最終生成實(shí)景三維模型[3]。

1.空地融合三維建模原理及技術(shù)難點(diǎn)

1.1 空地融合三維建模原理

傾斜攝影測(cè)量的三維重建是根據(jù)多視覺(jué)原理，以照相機(jī)為媒介獲取目標(biāo)物的二維影像；借助目前三維建模處理軟件，通過(guò)視覺(jué)匹配提取相鄰圖像中的同名點(diǎn)；針對(duì)同名點(diǎn)進(jìn)行相似性匹配計(jì)算；基于方向?qū)?shù)、圖像亮度對(duì)比關(guān)系、數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的方法，對(duì)特征物特征進(jìn)行匹配，結(jié)合照相機(jī)規(guī)定的內(nèi)外方位元素，利用光束法平差準(zhǔn)確地建立各圖像之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系得到空間點(diǎn)的三維坐標(biāo)，構(gòu)建TIN三角網(wǎng)，根據(jù)紋理映射算法得到具有真實(shí)紋理信息的三維模型[4]。傾斜攝影測(cè)量與地面拍照技術(shù)的本質(zhì)是融合生成點(diǎn)云數(shù)據(jù)，最后構(gòu)建高精度三維模型?？盏厝诤霞夹g(shù)路線如圖1所示。

圖1 空地融合技術(shù)路線

空地融合技術(shù)影像獲取方式為空中無(wú)人機(jī)航拍與地面手持設(shè)備補(bǔ)拍，利用無(wú)人機(jī)航拍數(shù)據(jù)與地面補(bǔ)拍數(shù)據(jù)分別進(jìn)行空中三角測(cè)量計(jì)算，其中無(wú)人機(jī)航拍數(shù)據(jù)可根據(jù)位置信息計(jì)算出具有準(zhǔn)確且真實(shí)空間定位的空三成果；將已經(jīng)完成的空中數(shù)據(jù)空三成果與地面數(shù)據(jù)空三成果合并，通過(guò)添加人工連接點(diǎn)的方式進(jìn)行空三成果匹配與矯正（具有真實(shí)空間定位的空三成果會(huì)矯正沒(méi)有真實(shí)空間定位的空三成果）；添加人工連接點(diǎn)的方式為選取空中航拍數(shù)據(jù)與地面補(bǔ)拍數(shù)據(jù)共有的地物特征點(diǎn)作為刺點(diǎn)目標(biāo)，并且選取的連接點(diǎn)數(shù)量需要在地面補(bǔ)拍數(shù)據(jù)范圍內(nèi)均勻分布；接著進(jìn)行空三平差解算后查看人工連接點(diǎn)的匹配精度報(bào)告，若重投影誤差值在1個(gè)像素以?xún)?nèi)，即判定空三成果匹配精度合格；最后進(jìn)行三維重建得到一個(gè)具有高精度、無(wú)漏洞、無(wú)扭曲拉花的實(shí)景三維模型。

1.2 空地融合技術(shù)難點(diǎn)

空地融合方案是采用無(wú)人機(jī)高分辨率影像與補(bǔ)拍低分辨率影像進(jìn)行融合空三建模的一種技術(shù)。其中數(shù)據(jù)源的獲取與后期照片的融合處理為本技術(shù)方案的難點(diǎn)，具體難點(diǎn)如下：

（1）由于無(wú)人機(jī)高空獲取的數(shù)據(jù)與補(bǔ)拍數(shù)據(jù)在分辨率上存在較大差異，但照片與照片之間不能存在較大色差，否則模型存在色差，影響可視化效果；

（2）補(bǔ)拍數(shù)據(jù)要滿足空三與重建基本要求（拍攝方式、照片重疊、影像質(zhì)量等）；

（3）數(shù)據(jù)處理過(guò)程中要保證空三不存在分層、斷層、丟片等情況，與傳統(tǒng)傾斜數(shù)據(jù)不同，空地融合需要特殊數(shù)據(jù)流程方法。

2.技術(shù)路線

2.1 測(cè)區(qū)狀況

此次項(xiàng)目測(cè)區(qū)位于湖北省宜昌市，總面積約為48 km2，其中許家沖村和中堡村位于壩體兩側(cè)，距禁區(qū)直線僅500 m，且山坡上大型高壓線塔密布；其余村子均分布在長(zhǎng)江上游沿岸，河谷深切，地勢(shì)險(xiǎn)峻。河谷內(nèi)受“狹管效應(yīng)”影響，亂流較多，飛行干擾大；村子背靠落差一千多米的山峰，仿地飛行高度多變，且山上植被以原始森林為主，無(wú)法進(jìn)行踏勘，使得像控點(diǎn)布設(shè)極為困難，對(duì)作業(yè)人員水平及飛行設(shè)備性能都是極大的考驗(yàn)。測(cè)區(qū)實(shí)際狀況如圖2所示。

2.2 設(shè)備參數(shù)

選用的三種設(shè)備如圖3所示。

圖3 選用的三種設(shè)備

2.3 像控點(diǎn)布設(shè)

像控點(diǎn)布設(shè)節(jié)點(diǎn)一般分為航測(cè)前和航測(cè)后兩種。由于傾斜攝影的特殊性，布設(shè)時(shí)選取較為開(kāi)闊地點(diǎn)或者完全裸露地面，以免被建筑物或者植被遮擋從而損失精度或造成無(wú)效點(diǎn)。

布設(shè)規(guī)律與以往垂直攝影不同，由于傾斜攝影空三加密階段使用了計(jì)算機(jī)視覺(jué)匹配技術(shù)，故與以往使用基線規(guī)律不同，更為簡(jiǎn)單。目前通用方式為采用間隔25 000—30 000像素間隔布設(shè)一次。以GSD3 cm分辨率影像為例，點(diǎn)與點(diǎn)之間間隔750 m—900 m即可。

2.4 影像獲取

根據(jù)測(cè)區(qū)內(nèi)的海拔情況和地物分布情況，將測(cè)區(qū)分為山脊區(qū)、山谷區(qū)、建筑群落區(qū)、重點(diǎn)標(biāo)志建筑區(qū)4種類(lèi)型。針對(duì)測(cè)區(qū)內(nèi)不同紋理類(lèi)型的地物，設(shè)計(jì)了相對(duì)應(yīng)航高，即測(cè)區(qū)整體按照5cm的分辨率作業(yè)；建筑群落區(qū)按照2cm的分辨率作業(yè)；在此基礎(chǔ)上使用精靈4RTK對(duì)重點(diǎn)標(biāo)志性建筑物進(jìn)行補(bǔ)拍，以滿足模型精細(xì)度要求。

大高差測(cè)區(qū)分塊航線示意及地面拍照原理如圖4所示。

圖4 大高差測(cè)區(qū)分塊航線示意及地面拍照原理

由于不同建筑結(jié)構(gòu)存在差異，補(bǔ)拍數(shù)據(jù)需要滿足一定要求才能夠作為融合數(shù)據(jù)進(jìn)行后期的融合處理。具體方法如下：

（1）拍攝的傳感器鏡頭與建筑保持適中距離；

（2）拍攝方式分為建筑上部、中部、下部三種；

（3）照片與照片之間保證60%重疊度；

（4）照片中避免出現(xiàn)大面積水域或者天空等無(wú)特征區(qū)域。

2.5 空三加密

本項(xiàng)目使用的是瞰景Smart 3D軟件中的空三算法模塊，該模塊具有穩(wěn)健的空三算法，空三一遍過(guò)，可以達(dá)到建模要求的精度。真正實(shí)現(xiàn)傾斜攝影數(shù)據(jù)全過(guò)程并行化，突破大高差測(cè)區(qū)傾斜數(shù)據(jù)處理效率的瓶頸，同時(shí)穩(wěn)健的算法提高了解算的魯棒性，解決了很多同類(lèi)軟件不能解決的問(wèn)題，確?？杖馑阋槐檫^(guò)，且精度達(dá)到后續(xù)建模的要求。具體步驟為：

（1）進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，利用飛馬無(wú)人機(jī)管家中快速圖像整理功能將五鏡頭影像、pos及相機(jī)屬性等導(dǎo)出xml，可直接導(dǎo)入瞰景Smart 3D中進(jìn)行空三解算。快捷圖像整理功能模塊界面如圖5所示。

圖5 飛馬無(wú)人機(jī)管家快捷圖像整理功能模塊界面

（2）利用Smart 3D進(jìn)行空三處理，首先新建工程，導(dǎo)入生成的xml文件，此處需注意檢查影像路徑，然后提交空三加密。

（3）初次空三定向完成之后，接下來(lái)需要利用控制點(diǎn)平差進(jìn)行空三絕對(duì)定向，保證空三的位置精度。此時(shí)需要將外業(yè)提供的控制點(diǎn)信息導(dǎo)入空三中進(jìn)行刺點(diǎn)，刺點(diǎn)完成后通過(guò)使用控制點(diǎn)平差計(jì)算出滿足精度要求的影像外方位元素。

由于此次項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)情況復(fù)雜，數(shù)據(jù)采集難度大，最終決定采用多數(shù)據(jù)融合的方式處理。此次數(shù)據(jù)類(lèi)型包含5 cm、2 cm以及地面補(bǔ)拍多源數(shù)據(jù)。由于數(shù)據(jù)分辨率存在很大差異，故采用Smart 3D空地融合處理方法，具體如下：

（1）使用Smart 3D對(duì)高分辨率影像進(jìn)行空三處理；

（2）得到空三結(jié)果后在原始數(shù)據(jù)組中二次添加精靈4RTK數(shù)據(jù)；

（3）數(shù)據(jù)加載完成后，提交空地融合模式，開(kāi)始計(jì)算融合后的整體空地?cái)?shù)據(jù)（此方法同樣可以適用于無(wú)POS的手持相機(jī)數(shù)據(jù)）；

（4）整體空地?cái)?shù)據(jù)空三后，直接提交建模即可。

三種數(shù)據(jù)結(jié)果展示如圖6所示。

圖6 三種數(shù)據(jù)結(jié)果展示

2.6 空地融合自動(dòng)三維實(shí)景建模

基于上一節(jié)空三成果瞰景Smart 3D軟件中的建模模塊進(jìn)行三維重建，該軟件構(gòu)建的模型幾何結(jié)構(gòu)更精細(xì)，貼圖更真實(shí)，并且模型底部基本沒(méi)有懸浮物，極大減少了修模的工作量。通過(guò)數(shù)據(jù)融合機(jī)制和誤差閾值設(shè)定機(jī)制，保證了建模結(jié)構(gòu)的完整性和貼圖的真實(shí)性。同時(shí)軟件支持無(wú)限融合功能，能夠?qū)⒖盏匾惑w多源影像數(shù)據(jù)全自動(dòng)的空三和三維重建，生成高精細(xì)度的實(shí)景三維模型，保證建筑物幾何形狀（面、線、角）和紋理完整、正確。多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合機(jī)制，為高精度的三維建模提供了一種新的切實(shí)有效的方法，確保建模細(xì)節(jié)更優(yōu)。具體做法為采用多臺(tái)高性能計(jì)算機(jī)集群并行計(jì)算處理，最終輸出測(cè)區(qū)osgb模型成果如圖7所示。

圖7 空地融合三維模型

只用一種數(shù)據(jù)建立的模型對(duì)于單個(gè)細(xì)節(jié)模型有明顯的失真和拉花現(xiàn)象，尤其是在有遮掩和紋理復(fù)雜的區(qū)域，這種現(xiàn)象更加明顯。經(jīng)過(guò)融合了三種數(shù)據(jù)后的模型可以充分解決丟失細(xì)節(jié)信息和模型拉花等問(wèn)題，所以相較于傳統(tǒng)單層傾斜攝影數(shù)據(jù)，多種分辨率數(shù)據(jù)融合后，模型成果TIN格網(wǎng)三維結(jié)構(gòu)變得更加精細(xì)，貼圖效果也更加清晰?？盏厝诤锨昂腿诤虾蟮募?xì)節(jié)模型對(duì)比如圖8所示。

圖8 空地融合前后的細(xì)節(jié)模型對(duì)比

3.基于空地融合技術(shù)精細(xì)化建模的行業(yè)應(yīng)用前景

空地融合作為一種幫助我們獲取精細(xì)化的三維模型技術(shù)手段，為我們后續(xù)生產(chǎn)服務(wù)提供了強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)保障。就目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用層面來(lái)講，很多從業(yè)者處于一種迷茫階段，不知道如何來(lái)應(yīng)用數(shù)據(jù)才能更好地發(fā)揮其更大的價(jià)值，以下從兩個(gè)方面，就精細(xì)化模型從已知應(yīng)用和探索創(chuàng)新應(yīng)用提出一些供大家討論的應(yīng)用點(diǎn)：

（1）以本文為例，本次任務(wù)為鄉(xiāng)村振興規(guī)劃輔助應(yīng)用，數(shù)據(jù)可服務(wù)于美麗鄉(xiāng)村規(guī)劃正向設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)展示、鄉(xiāng)村品牌影響力提升、旅游導(dǎo)覽等方向，以及針對(duì)古村落精細(xì)化真實(shí)還原等領(lǐng)域，如圖9所示。

圖9 空地融合后應(yīng)用于古村落三維實(shí)景模型

（2）應(yīng)急管理。?；?、冶金、礦山（尾礦庫(kù)）等行業(yè)場(chǎng)景復(fù)雜，空地融合更好地表達(dá)了管線、設(shè)施等情況，直觀地掌握目標(biāo)區(qū)域內(nèi)地形地貌與所有建筑物、生產(chǎn)設(shè)施的細(xì)節(jié)特征，為安全生產(chǎn)監(jiān)管、應(yīng)急救援指揮、事故災(zāi)害調(diào)查等提供現(xiàn)勢(shì)、詳盡、精確、逼真的空間基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)支持。應(yīng)用于生產(chǎn)設(shè)施細(xì)節(jié)特征的示范如圖10所示。

圖10 空地融合后應(yīng)用于掌握目標(biāo)區(qū)域內(nèi)生產(chǎn)設(shè)施細(xì)節(jié)特征

（3）實(shí)景三維中國(guó)方面。目前以mesh加單體化為主流思路，但耗費(fèi)人力、物力非常之大，也是空地融合的另一大擴(kuò)展點(diǎn)。在新型基礎(chǔ)測(cè)繪試點(diǎn)中，多源數(shù)據(jù)融合被作為試點(diǎn)研究工作的重中之重。如圖11所示。

圖11 空地融合技術(shù)是新型基礎(chǔ)測(cè)繪中多源數(shù)據(jù)融合的重要手段

4.結(jié)束語(yǔ)

高差達(dá)一千多米的三峽河谷地區(qū)，測(cè)區(qū)情況復(fù)雜，建筑與周?chē)匦苇h(huán)境高差大，常規(guī)三維建模方法通常會(huì)出現(xiàn)三維模型粘連、狹窄底部扭曲、拉花無(wú)紋理等問(wèn)題。本文探討了一種新型的傾斜測(cè)量和地面實(shí)景拍攝相融合的空地一體精細(xì)化三維建模技術(shù)，通過(guò)空地融合技術(shù)，得到遠(yuǎn)近視角逼真且精度高的實(shí)景三維模型。該方法采用了航空攝影、地面攝影及影像融合技術(shù)，利用照片之間的連接點(diǎn)進(jìn)行模型拼接，取得了較好的三維建模效果。該方法在空地影像角度、重疊度、色差調(diào)整等方面仍存在一些需要改進(jìn)之處，有待進(jìn)一步深化探索。

綜上所述，空地融合的精細(xì)化建模方法雖存在一些不足之處，但其給復(fù)雜地形地貌條件下的三維建模工作提供了一種快捷、高效的新思路，具有一定的工程意義和推廣價(jià)值。