一种空地融合精细化三维建模方法及其行业应用

李文琪 赵 耀 刘腾飞 高 铁

（1.阳泉精诚测绘有限责任公司，山西 阳泉 045000；2.山西省测绘地理信息院，山西 太原 030001；3.瞰景科技发展（上海）有限公司，陕西 西安 710000；4.西安鹰翔测绘科技有限责任公司，陕西 西安 710000）

0.引言

近年来随着国家对实景三维中国建设的进一步推进和落地，以及无人机航摄技术的成熟，实景三维模型越来越广泛应用在生产建设的各个行业。

无人机倾斜摄影实景三维建模生产的三维模型成果，拥有建模还原度高、精度高、速度快、识图更容易这几大特点，常被应用于地理信息系统的底图中。这一应用的出现，使得实景三维模型的功能应用从远观升级到近看。然而，单独使用无人机倾斜摄影自动化生成的实景三维模型，远观非常漂亮逼真，一旦镜头拉近到地表视角近看，就会发现三维模型接近地面的部分，纹理模糊且不清晰、模型体凹凸不平甚至失真[1]。对于高差相距过大的测区，仅进行一次航测容易造成空洞现象[2]。为了解决这一问题，本文研究了一种“无人机倾斜航拍+地面补摄”空地结合的自动化实现实景三维建模的解决方案，对整个测区采集三种不同分辨率影像，分别进行有像控点和无像控点的空三加密，然后将空三的结果通过人工添加的方式进行空地两类空三成果融合，最终生成实景三维模型[3]。

1.空地融合三维建模原理及技术难点

1.1 空地融合三维建模原理

倾斜摄影测量的三维重建是根据多视觉原理，以照相机为媒介获取目标物的二维影像；借助目前三维建模处理软件，通过视觉匹配提取相邻图像中的同名点；针对同名点进行相似性匹配计算；基于方向导数、图像亮度对比关系、数学形态学的方法，对特征物特征进行匹配，结合照相机规定的内外方位元素，利用光束法平差准确地建立各图像之间的对应关系得到空间点的三维坐标，构建TIN三角网，根据纹理映射算法得到具有真实纹理信息的三维模型[4]。倾斜摄影测量与地面拍照技术的本质是融合生成点云数据，最后构建高精度三维模型。空地融合技术路线如图1所示。

图1 空地融合技术路线

空地融合技术影像获取方式为空中无人机航拍与地面手持设备补拍，利用无人机航拍数据与地面补拍数据分别进行空中三角测量计算，其中无人机航拍数据可根据位置信息计算出具有准确且真实空间定位的空三成果；将已经完成的空中数据空三成果与地面数据空三成果合并，通过添加人工连接点的方式进行空三成果匹配与矫正（具有真实空间定位的空三成果会矫正没有真实空间定位的空三成果）；添加人工连接点的方式为选取空中航拍数据与地面补拍数据共有的地物特征点作为刺点目标，并且选取的连接点数量需要在地面补拍数据范围内均匀分布；接着进行空三平差解算后查看人工连接点的匹配精度报告，若重投影误差值在1个像素以内，即判定空三成果匹配精度合格；最后进行三维重建得到一个具有高精度、无漏洞、无扭曲拉花的实景三维模型。

1.2 空地融合技术难点

空地融合方案是采用无人机高分辨率影像与补拍低分辨率影像进行融合空三建模的一种技术。其中数据源的获取与后期照片的融合处理为本技术方案的难点，具体难点如下：

（1）由于无人机高空获取的数据与补拍数据在分辨率上存在较大差异，但照片与照片之间不能存在较大色差，否则模型存在色差，影响可视化效果；

（2）补拍数据要满足空三与重建基本要求（拍摄方式、照片重叠、影像质量等）；

（3）数据处理过程中要保证空三不存在分层、断层、丢片等情况，与传统倾斜数据不同，空地融合需要特殊数据流程方法。

2.技术路线

2.1 测区状况

此次项目测区位于湖北省宜昌市，总面积约为48 km2，其中许家冲村和中堡村位于坝体两侧，距禁区直线仅500 m，且山坡上大型高压线塔密布；其余村子均分布在长江上游沿岸，河谷深切，地势险峻。河谷内受“狭管效应”影响，乱流较多，飞行干扰大；村子背靠落差一千多米的山峰，仿地飞行高度多变，且山上植被以原始森林为主，无法进行踏勘，使得像控点布设极为困难，对作业人员水平及飞行设备性能都是极大的考验。测区实际状况如图2所示。

2.2 设备参数

选用的三种设备如图3所示。

图3 选用的三种设备

2.3 像控点布设

像控点布设节点一般分为航测前和航测后两种。由于倾斜摄影的特殊性，布设时选取较为开阔地点或者完全裸露地面，以免被建筑物或者植被遮挡从而损失精度或造成无效点。

布设规律与以往垂直摄影不同，由于倾斜摄影空三加密阶段使用了计算机视觉匹配技术，故与以往使用基线规律不同，更为简单。目前通用方式为采用间隔25 000—30 000像素间隔布设一次。以GSD3 cm分辨率影像为例，点与点之间间隔750 m—900 m即可。

2.4 影像获取

根据测区内的海拔情况和地物分布情况，将测区分为山脊区、山谷区、建筑群落区、重点标志建筑区4种类型。针对测区内不同纹理类型的地物，设计了相对应航高，即测区整体按照5cm的分辨率作业；建筑群落区按照2cm的分辨率作业；在此基础上使用精灵4RTK对重点标志性建筑物进行补拍，以满足模型精细度要求。

大高差测区分块航线示意及地面拍照原理如图4所示。

图4 大高差测区分块航线示意及地面拍照原理

由于不同建筑结构存在差异，补拍数据需要满足一定要求才能够作为融合数据进行后期的融合处理。具体方法如下：

（1）拍摄的传感器镜头与建筑保持适中距离；

（2）拍摄方式分为建筑上部、中部、下部三种；

（3）照片与照片之间保证60%重叠度；

（4）照片中避免出现大面积水域或者天空等无特征区域。

2.5 空三加密

本项目使用的是瞰景Smart 3D软件中的空三算法模块，该模块具有稳健的空三算法，空三一遍过，可以达到建模要求的精度。真正实现倾斜摄影数据全过程并行化，突破大高差测区倾斜数据处理效率的瓶颈，同时稳健的算法提高了解算的鲁棒性，解决了很多同类软件不能解决的问题，确保空三解算一遍过，且精度达到后续建模的要求。具体步骤为：

（1）进行数据预处理，利用飞马无人机管家中快速图像整理功能将五镜头影像、pos及相机属性等导出xml，可直接导入瞰景Smart 3D中进行空三解算。快捷图像整理功能模块界面如图5所示。

图5 飞马无人机管家快捷图像整理功能模块界面

（2）利用Smart 3D进行空三处理，首先新建工程，导入生成的xml文件，此处需注意检查影像路径，然后提交空三加密。

（3）初次空三定向完成之后，接下来需要利用控制点平差进行空三绝对定向，保证空三的位置精度。此时需要将外业提供的控制点信息导入空三中进行刺点，刺点完成后通过使用控制点平差计算出满足精度要求的影像外方位元素。

由于此次项目现场情况复杂，数据采集难度大，最终决定采用多数据融合的方式处理。此次数据类型包含5 cm、2 cm以及地面补拍多源数据。由于数据分辨率存在很大差异，故采用Smart 3D空地融合处理方法，具体如下：

（1）使用Smart 3D对高分辨率影像进行空三处理；

（2）得到空三结果后在原始数据组中二次添加精灵4RTK数据；

（3）数据加载完成后，提交空地融合模式，开始计算融合后的整体空地数据（此方法同样可以适用于无POS的手持相机数据）；

（4）整体空地数据空三后，直接提交建模即可。

三种数据结果展示如图6所示。

图6 三种数据结果展示

2.6 空地融合自动三维实景建模

基于上一节空三成果瞰景Smart 3D软件中的建模模块进行三维重建，该软件构建的模型几何结构更精细，贴图更真实，并且模型底部基本没有悬浮物，极大减少了修模的工作量。通过数据融合机制和误差阈值设定机制，保证了建模结构的完整性和贴图的真实性。同时软件支持无限融合功能，能够将空地一体多源影像数据全自动的空三和三维重建，生成高精细度的实景三维模型，保证建筑物几何形状（面、线、角）和纹理完整、正确。多源异构数据融合机制，为高精度的三维建模提供了一种新的切实有效的方法，确保建模细节更优。具体做法为采用多台高性能计算机集群并行计算处理，最终输出测区osgb模型成果如图7所示。

图7 空地融合三维模型

只用一种数据建立的模型对于单个细节模型有明显的失真和拉花现象，尤其是在有遮掩和纹理复杂的区域，这种现象更加明显。经过融合了三种数据后的模型可以充分解决丢失细节信息和模型拉花等问题，所以相较于传统单层倾斜摄影数据，多种分辨率数据融合后，模型成果TIN格网三维结构变得更加精细，贴图效果也更加清晰。空地融合前和融合后的细节模型对比如图8所示。

图8 空地融合前后的细节模型对比

3.基于空地融合技术精细化建模的行业应用前景

空地融合作为一种帮助我们获取精细化的三维模型技术手段，为我们后续生产服务提供了强有力的数据保障。就目前国内应用层面来讲，很多从业者处于一种迷茫阶段，不知道如何来应用数据才能更好地发挥其更大的价值，以下从两个方面，就精细化模型从已知应用和探索创新应用提出一些供大家讨论的应用点：

（1）以本文为例，本次任务为乡村振兴规划辅助应用，数据可服务于美丽乡村规划正向设计、数据展示、乡村品牌影响力提升、旅游导览等方向，以及针对古村落精细化真实还原等领域，如图9所示。

图9 空地融合后应用于古村落三维实景模型

（2）应急管理。危化、冶金、矿山（尾矿库）等行业场景复杂，空地融合更好地表达了管线、设施等情况，直观地掌握目标区域内地形地貌与所有建筑物、生产设施的细节特征，为安全生产监管、应急救援指挥、事故灾害调查等提供现势、详尽、精确、逼真的空间基础地理信息数据支持。应用于生产设施细节特征的示范如图10所示。

图10 空地融合后应用于掌握目标区域内生产设施细节特征

（3）实景三维中国方面。目前以mesh加单体化为主流思路，但耗费人力、物力非常之大，也是空地融合的另一大扩展点。在新型基础测绘试点中，多源数据融合被作为试点研究工作的重中之重。如图11所示。

图11 空地融合技术是新型基础测绘中多源数据融合的重要手段

4.结束语

高差达一千多米的三峡河谷地区，测区情况复杂，建筑与周围地形环境高差大，常规三维建模方法通常会出现三维模型粘连、狭窄底部扭曲、拉花无纹理等问题。本文探讨了一种新型的倾斜测量和地面实景拍摄相融合的空地一体精细化三维建模技术，通过空地融合技术，得到远近视角逼真且精度高的实景三维模型。该方法采用了航空摄影、地面摄影及影像融合技术，利用照片之间的连接点进行模型拼接，取得了较好的三维建模效果。该方法在空地影像角度、重叠度、色差调整等方面仍存在一些需要改进之处，有待进一步深化探索。

综上所述，空地融合的精细化建模方法虽存在一些不足之处，但其给复杂地形地貌条件下的三维建模工作提供了一种快捷、高效的新思路，具有一定的工程意义和推广价值。