基于傾斜攝影技術的國內外建模軟件比較研究

甘文霞，柴 靚，何 朝，章 翌，胡小弟*，肖安娜，高云龍

1. 武漢工程大學土木工程與建筑學院，湖北 武漢 430074；2. 中建三局第二建設工程有限責任公司，湖北 武漢 430000；3. 武漢光谷建設投資有限公司，湖北 武漢 430205；4. 湖北交通投資集團有限公司，湖北 武漢 430050；5. 武漢大勢智慧科技有限公司，湖北 武漢 430223

隨著“實景三維中國”計劃的不斷推進，無人機制造技術和計算技術迅速發展，傳統的三維建模技術已經無法滿足大規?？焖俳５男枨?，以傾斜攝影和激光掃描為代表的三維測繪相關技術是測繪行業未來的重點方向［1］。傾斜攝影測量能夠利用多傳感器，獲取多角度圖像，快速生成實景三維模型［2］。國內外現有基于傾斜攝影測量的自動三維建模軟件較多，但各軟件的操作方式、生產效率、模型精度等方面不同，導致其在實際項目中的實用性、適用性以及模型質量存在差異。因此學者針對不同三維建模軟件進行了對比研究：張懂 慶 等［3］對Smart3D 2019、Mirauge 3D、Context Capture 3 種傾斜攝影建模軟件的硬件配置、軟件操作性、空中三角測量質量、模型質量等進行對比，得出Smart3D 2019 建模軟件的空中三角測量通過率、精度和模型質量均較高，且輸出模型格式多。 楊 云 峰 等［4］對Context Capture、Agisoft PhotoScan 及Pix 4D Mapper 3 種傾斜攝影建模軟件的操作性、運算時長、模型質量等方面進行對比，結果表明Context Capture 在水平方向與垂直方向對誤差的控制較好，三維模型精度優于其他2款軟件。王建［5］將傳統軟件與Context Capture 生產出的模型進行對比，結果表明Context Capture生產出的模型質量好、精度高，且較傳統方法效率高。 楊 文 府 等［6］用Context Capture 軟 件 和PhotoMesh 軟件對殺虎口古長城場景進行三維建模，比較2 種軟件的空三精度，得出Context Capture 軟件的空三精度更高。盧亞龍［7］將Pix 4D Mapper 軟件和EPS 軟件對比，兩種方式生產的地形圖成果均滿足1∶1 000 成圖要求。鐘雷文［8］用大疆智圖和Context Capture 軟件對校園場景進行三維建模，通過對建模質量進行分析得出大疆智圖軟件在細節處理方面較優于Context Capture軟件。

目前，國內傾斜攝影自動化三維建模主要以國外軟件為主，國內已經涌現出如重建大師、大疆智圖等自主軟件。本文將以國產三維建模軟件與Context Capture 等軟件進行硬件要求、操作性、模型精度及效果對比分析。

1 傾斜攝影測量技術概述及常用軟件

1.1 傾斜攝影測量技術

傾斜攝影測量是一種通過在飛行平臺上搭載多臺傳感器，同時從垂直、多個傾斜角度獲取目標物數據和紋理信息的新型技術［9-10］，再經過影像同名點匹配、空三加密、不規則三角網構建、表面貼圖等內業處理建立精細化、真實化的實景三維模型［11-12］。傾斜攝影實景三維建模流程如圖1 所示。目前常見的傾斜攝影測量系統是由無人機飛行平臺搭載相機組成，相機在同一曝光點獲取地面物體多角度數據，此時飛行平臺中的位置與姿態系統（position and orientation system，POS）可記錄每張相機曝光瞬間的位置姿態、GPS 坐標等信息。該系統能夠獲取地物全方位信息，為后續三維重建提供良好的數據基礎［13］。

圖1 實景三維建模流程Fig.1 Process of real 3D model production

1.2 軟件基本信息介紹

目前業界常用的傾斜攝影三維建模軟件有美國Bentley 公 司 的Context Capture、瑞 士Pix4D 公司的Pix 4D Mapper，中國大疆創新公司的大疆智圖以及大勢智慧公司的重建大師等。4 款軟件以數碼相片、航拍照片、激光點云組成的多源數據作為輸入，后經內業處理生成高精度實景三維模型。Context Capture 和Pix 4D Mapper 是目前被用戶廣泛使用的三維建模軟件［14］。大疆智圖除支持三維重建，還提供自主航線規劃、飛行航拍等應用。重建大師是專為超大規模實景三維數據生產而設計的集群并行處理軟件。

2 技術路線與評價指標

2.1 技術路線

本文首先闡述了無人機傾斜攝影技術的概況和4 款仿真軟件的基本信息，其次根據現場采集的影像數據，嚴格控制各個輸入參數，利用4 種軟件進行三維重建，最后對軟件的硬件配置、操作性、模型精度和模型效果進行對比，如圖2 所示。

圖2 軟件對比工作流程Fig.2 Workflow for software comparison

2.2 評價指標

本文參考國家《三維地理信息模型數據產品規范》，并根據實景三維模型特點，從模型精度和模型效果對建模成果進行評價。

2.2.1 模型精度評價 模型精度評價包括平面中誤差、高程中誤差，詳見表1、表2。

表1 平面精度Tab.1 Planar accuracy

表2 地形精度規范Tab.2 Terrain accuracy standards

2.2.2 模型效果評價 本文模型效果評價包括對模型精細度和紋理精細度2 方面的檢查。模型的精細度是核查分析模型是否存在結構比例失調、扭曲變形、附屬細部遺漏等一系列與實際不符的情況，如路面是否平整、水域是否有凹凸等。紋理的精細度是檢查模型紋理是否有模糊、錯誤、失真、變形，相同地物紋理不同、紋理間不協調、紋理數據存在不合理縫隙等問題，如房屋密集區域是否有異常紋理。

3 研究區域與數據

本文以湖北省武漢市新洲區京廣線沙河大橋為試驗區域，面積約0.45 km2，如圖3（a）所示。該區域地形較為平坦，沙河大橋兩側樹木茂盛，測區內以村落、農田與河流為主。本次航攝采用大疆精靈4 RTK，如圖3（b）所示，設定航向重疊度70%，旁向重疊度70%，相對航高100 m，地面分辨率為2.7 cm，共獲取影像691 張和與其對應的POS數據。采用標靶板制作像控點，在測區范圍內均勻布設共30 個，布設時用手機拍攝照片并將位置信息在圖片上標記，方便查找時使用［15］，如圖3（c）所示。測量儀器為中海達Ubase，如圖3（d）所示，利用網絡實時動態測量技術（real time kinematic，RTK）量測像控點，坐標系統為國家CGCS2000 坐標系，填寫像控點成果表。

圖3 測區概況及數據采集：（a）研究區域，（b）大疆精靈4 RTK，（c）像控點，（d）中海達UbaseFig.3 Overview of study area and data collection：（a）study area，（b）DJI phantom4 RTK，（c）photo control point，（d）Hi-Target Ubase

4 處理流程及模型質量對比

4.1 軟件使用

4.1.1 硬件配置對比 4 款軟件對電腦硬件配置要求見表3，均為官方規定最低配置要求。通過表3可以看出，4 款軟件在硬件配置要求上由高到低依次為重建大師、Context Capture、大疆智圖、Pix 4D Mapper。

表3 硬件配置要求Tab.3 Requirements of hardware configuration

4.1.2 操作性對比 4 款軟件數據處理流程及對比見表4，由表4 可知各軟件特點如下：（1）Context Capture 和重建大師的操作界面與邏輯較為相似，軟件操作步驟多且復雜，在進行編輯控制點與添加邊界約束操作時需要人員具備相關專業知識。Pix 4D Mapper 與大疆智圖軟件操作簡單，按軟件提示進行操作即可完成重建任務。（2）大疆智圖和重建大師支持中英文項目名稱和儲存路徑，其余2款軟件僅支持英文。（3）在進行刺點操作時，Context Capture、大疆智圖與重建大師3 款軟件均能夠自動提示控制點預測位置和數據誤差較大的刺點操作，使刺點更加方便、準確。（4）在計算時長方面，Pix 4D Mapper 在軟件運算上耗時最短，其次是Context Capture，大疆智圖計算時間稍長，運行時間最長的是重建大師。具體使用時應根據人員配備、計算資源及時效要求進行軟件選擇。

表4 軟件操作性對比Tab.4 Comparison of software usability

4.2 模型質量對比

4.2.1 模型精度分析 用戶通過分析實景三維模型可以得到真實場地的三維坐標信息，因此三維模型精度能否滿足要求非常重要［16］。本文共采集30 個像控點，其中1 個像控點地面標識被移動不予分析，剩余29 個點中選用11 個點用作空三計算的控制點，18 個點用作精度檢測的檢查點。將其外業實測坐標看作真值，多次量測檢查點在模型上對應位置的坐標，并取平均值與真值進行對比，其結果見圖4。

圖4 檢查點誤差分析：（a）X 方向，（b）Y 方向，（c）Z 方向Fig.4 Analysis of checkpoint errors：（a）X-direction，（b）Y-direction，（c）Z-direction

根據三維模型X、Y、Z方向的坐標值誤差，計算出各軟件三維模型的平面中誤差及高程中誤差，如表5 所示。

表5 三維模型精度統計Tab.5 Statistical analysis of 3D model accuracy

根據國家《三維地理信息模型數據產品規范》比例尺為1∶500 的平面中誤差與高程中誤差分別為0.50 m 和0.37 m，4 款軟件生成的模型均符合精度要求。4 款軟件平面中誤差最大的是Pix 4D Mapper、最小的是大疆智圖，高程中誤差最大的是Pix 4D Mapper、最小的是重建大師和大疆智圖。

4.2.2 模型效果對比 基于本文上述前提，對所選擇的試驗區主要從水域、房屋、道路3 個方面進行模型效果對比。

（1）水域建模對比

三維建模軟件以實際航拍圖像為紋理信息，能夠仿真目標場景的顏色及紋理，但水體由于光線反射，易造成其三維模型產生空洞現象，因此需針對水域模型效果進行分析。本研究區域中4 款軟件的水域建模如圖5 所示。Pix 4D Mapper、Context Capture 和大疆智圖的模型存在凹痕，且Pix 4D Mapper 的模型空洞較為明顯且無法反應真實水體情況，而重建大師處理后的水體模型較為完整、調色均勻，模型效果優于其他3 款軟件。

圖5 水域建模結果：（a）Context Capture，（b）Pix 4D Mapper，（c）大疆智圖，（d）重建大師Fig.5 Results of water area modeling：（a）Context Capture，（b）Pix 4D Mapper，（c）DJI Terra，（d）G3D

（2）房屋建模對比

4 款軟件都能對房屋的整體樣貌進行重建，紋理映射符合實地情況，如圖6（a-d）所示。大門、雨棚和護欄構件目標較小且紋理單一，采集影像重疊率小、分辨率低，導致軟件在特征點提取與匹配時易出現錯誤，因此需針對上述構件模型效果進行分析。本研究區域中4 款軟件大門、雨棚和護欄構件建模如圖6（e-h）所示，4 款軟件生成的大門三維模型均出現了破損。針對雨棚和護欄構件，Pix 4D Mapper 未能重建三維模型，大疆智圖和重建大師生成的三維模型出現扭曲變形，Context Capture相比其他3 款軟件較好地重建了模型結構。

圖6 房屋建模結果：（a、e）Context Capture，（b、f）Pix 4D Mapper，（c、g）大疆智圖，（d、h）重建大師Fig.6 Results of house modeling：（a，e）Context Capture，（b，f）Pix 4D Mapper，（c，g）DJI Terra，（d，h）G3D

（3）道路建模對比

道路建模結果如圖7 所示，除Pix 4D Mapper外，其余3 款軟件對地面道路標識、部分道路損傷等部分重建較為清晰。由于指示牌結構簡單、紋理單一、受樹木等物體的遮擋，在進行空中三角測量時，不能確保特征點的數量，同時，在網格拓撲創建和處理時，面片之間連接錯誤，造成形狀破壞、空洞。Context Capture 軟件能夠完整重建道路指示牌，其余3款軟件重建模型出現不同程度的缺損。

圖7 道路建模結果：（a）Context Capture，（b）Pix 4D Mapper，（c）大疆智圖，（d）重建大師Fig.7 Results of road modeling：（a）Context Capture，（b）Pix 4D Mapper，（c）DJI Terra，（d）G3D

5 結 論

總結現有研究和用戶單位關注點，從硬件要求、可操作性、模型精度和模型效果對4 款傾斜攝影測量軟件進行了對比分析，得到了如下結論：（1）4 款軟件在各方面表現不同，Context Capture與重建大師硬件要求高，運算時間長，Pix 4D Mapper 和大疆智圖相較于其他2 款軟件操作更為簡單，無需操作人員有相關專業知識。（2）各建模軟件均能重建0.45 km2實驗區域全貌，重建大師軟件能夠較好地修補水域模型，針對紋理單一物體Context Capture 生成的三維模型結構較為完整。（3）4 款軟件均能滿足1∶500 的三維模型產品標準，且重建大師和大疆智圖2 款軟件在水平方向與垂直方向對誤差的控制較好，三維模型精度優于其他2 款軟件。以上研究結論能為傾斜攝影測量軟件在實際工程中的應用提供參考作用，從軟件選型方面提高傾斜攝影測量建模作業效率。