基于無人機傾斜影像三維精細化建模的模型修復技術探討

董兆軒 劉榮華

（1.河南理工大學測繪與國土信息工程學院，河南 焦作 454150；2.西安華輿資訊科技有限公司，陜西 西安 710054）

無人機傾斜影像三維建模技術以其三維建模速度快、精度高等優勢，成為目前主要的三維建模方式[1]。但在無人機傾斜影像三維建模實踐中，經常會出現懸浮物干擾、建筑物結構扭曲變形和局部紋理缺失等三維建模問題，嚴重影響三維模型建模效果。當無人機攝影時，地物遮擋、大型橋梁三維建模變形較大以及三維模型單體化等問題，都是無人機傾斜影像三維建模須深入研究的技術難題?；跓o人機傾斜攝影測量技術，本文結合Smart 3D、DP-Modeler 等軟件，針對無人機傾斜影像三維建模中的常見問題，探討了三維模型精細化處理方法；對攝影遮擋導致的三維模型紋理不清晰或缺失問題，采用空地融合技術重建三維模型；結合BIM（Building Information Modeling）技術，將無人機傾斜影像構建三維模型與BIM 構建三維模型融合，解決了大型橋梁建模變形較大的問題；采用邏輯單體化方式，基于SuperMap 軟件對房屋進行單體化處理；根據本文介紹的無人機傾斜影像三維精細化建模修復技術，對陜西省漢中市某區域進行三維建模，驗證了三維模型修復技術的有效性。

1 無人機傾斜影像三維建模的模型修復技術

1.1 無人機傾斜影像三維建模常見問題及三維模型修復

1.1.1 刪除懸浮物

在無人機傾斜攝影三維建模中，由于匹配錯誤或特征點缺失，因此空中經常會出現不連續懸浮物，這些懸浮物與實際情況不符，影響三維模型可視化效果及應用，需要刪除。如圖1所示，模型中道路旁出現了錯位路燈懸浮物。

圖1 存在懸浮物

刪除懸浮物方法：選中要修改區域瓦片，使用ModelFun軟件刪除小碎片功能，選中要刪除的懸浮物，按Delete 鍵將其刪除，圖2 為刪除懸浮物后的模型。

圖2 刪除懸浮物后的模型

在ModelFun 軟件中，依次刪除瓦片數據出現的大量懸浮物會耗時耗力，例如主干道路兩端路燈、電桿等雜亂碎片、樹木周圍的懸浮物以及植被碎片等，此時可使用自動檢測模型區域碎片功能，將其一鍵刪除。

1.1.2 修復建筑物結構扭曲變形

當無人機獲取傾斜影像時，由于拍攝死角、數據點關聯不足或建筑物結構復雜，因此模型匹配時會出現局部墻體結構扭曲和外表變形，如圖3所示，建筑物底層結構變形。

圖3 建筑物結構變形

采用osgConv 軟件修復建筑物，將Smart 3D 輸出的osgb 格式數據轉化為osg 格式供DP-Modeler 識別，將模型導入DPModeler 軟件，利用“平面選擇”工具選擇模型變形處，通過重建工具踏平重建，設置內收值，縫補地面，對重建處進行自動紋理映射，若局部紋理不清晰或不完整，則可用Photoshop軟件進行處理。建筑物結構變形修復結果如圖4所示。

圖4 建筑物修復后結果

1.1.3 修復局部紋理缺失

由于無人機飛行前后天氣變化，因此一些特殊場景會導致模型紋理不清和空洞拉花，例如反光面；光照強度會導致模型表面紋理不清晰、不均勻和破洞等，如圖5所示。

圖5 模型紋理缺失

須采用ModelFun 軟件三維模型編輯工具對局部紋理缺失進行修復，選擇要修改區域瓦片，在白膜中查看結構是否完整，若完整，則用Photoshop 軟件對紋理不清晰或不完整區域進行貼補，注意貼補紋理前要查看周圍紋理，確保貼補后的紋理與實際相符。修復后的模型如圖6所示。

圖6 紋理修復后模型

1.1.4 置平道路不平整

在影像紋理特征不明顯、狹窄和陰暗處會出現點云匹配提取錯誤（例如電線、車輛和薄云霧等區域），導致三維模型不平整，尤其是道路，如圖7所示。

圖7 道路不平整

在ModelFun 軟件中，在英文輸入狀態下按1 關閉紋理，點擊道路置平功能按鈕，通過繪制多邊形框選擇須置平的范圍后將道路置平。ModelFun 軟件可與Photoshop 軟件聯動，使用此項功能須安裝Photoshop，并在軟件“設置”中關聯這個軟件，手動修改紋理，修改紋理后的道路如圖8所示。

圖8 紋理修改后道路

1.1.5 修復水面空洞

當空中三角測量（簡稱空三）時，水面屬于弱紋理區域，計算時水面會大量丟片，導致出模時出現破洞、扭曲現象，局部水面空洞現象如圖9所示。

圖9 局部水面空洞現象

采用事后修模方式修復水面空洞，通過對模型添加水面約束進行改善。水面約束步驟如下：①在Smart 3D 中提交重建任務，第一次三維重建osgb 模型和DOM。②在EPS 中加載osgb 模型和DOM，矢量化河流面，輸出shp 格式。③在Smart 3D 中幾何約束，導入每塊水面約束范圍，編輯水面約束范圍高程，手動輸入或拖動Z軸確定水面約束高程，幾何約束支持導入文件和手動添加這兩種方式，導入文件支持.shp 和.kml 格式，獨立坐標系須導入.shp 格式；用Smart 3D Viewer 軟件在三維模型測量高程，在對應空間坐標系下，測量要修測水面范圍內的最高高程；若沒有確定水面約束范圍，則可在三維視圖下直接繪制。④在Smart 3D中啟動更新重建任務，第二次三維重建osgb 模型和DOM。當重新優化重建的osgb 模型不能完美解決問題時，可采用DP-modeler和ModelFun 修測。修復后的水面如圖10所示。

圖10 修復后局部空洞

1.2 重建空地融合的無人機傾斜影像三維模型

1.2.1 空地融合關鍵技術

“空地融合”是將無人機航攝獲取的垂直影像和傾斜影像數據[2]，包括地面采集的近景影像數據導入ContextCapture 軟件中，對數據前期處理、點云數據融合和三維重建進行無縫集成?？盏厝诤系年P鍵技術包括點云融合技術、空地一體化融合技術、影像融合技術和空間融合技術。

1.2.2 空地融合構建三維模型

Smart 3D 空地融合構建三維模型過程如下：①數據預處理。結合POS 數據像片重命名，刪除起降像片，查看各鏡頭影像個數是否均等，根據區塊融合多架次各鏡頭影像。②新建項目，添加影像，填入感應器大小并相對定向。③空三加密后，對像片刺全部控制點，通過平差獲得外方位元素及坐標，并產生稀疏點云。④在三維重建中，選取坐標系并設定建模范圍，根據計算機內存設定瓦片尺寸等信息，利用多視影像稠密匹配產生密集點云，建立三角網狀模型，將這個模型包埋在白膜中，利用白膜繪制紋理，制作高精度三維模型。

本文選取某一寺廟為研究對象，利用空間融合技術進行三維建模，并對融合前和融合后進行比較。利用Smart 3D 軟件，將無人機影像與地面影像融合，采用空地融合方法修復。模型漏洞如圖11所示，修復后的模型如圖12所示。

圖11 模型漏洞

圖12 修復后模型

1.3 構建結合BIM 技術的大型橋梁三維模型

BIM 是指建筑信息模型，通過建立的三維信息模型，可對建筑進行精細化管理控制，提高工作效率[3]。本文中的BIM建?；诼妨⒌密浖?，對某大型橋梁建立BIM 模型。使用ContextCapture 軟件三維建模。

BIM 和ContextCapture 軟件構建的三維模型是基于OSG 對數據進行融合。三維模型和BIM 三維模型融合的關鍵是空間匹配，須通過OSG 中BoundingSphere 類radius 函數和center 函數獲取模型尺寸和中心坐標，利用PositionAttitudeTransform 類setScale 函數和setPosition 函數調整尺寸和位置，保證BIM 模型與三維模型位置和尺寸一致。

BIM 三維建模的路立得軟件可輸入OSGB 格式文件，直接將構建的三維模型輸入路立得軟件中，嵌套BIM 模型和三維模型。大型橋梁細節部分融合效果如圖13所示。通過目視判斷，兩者融合效果較好。

圖13 大型橋梁細節部分融合效果

1.4 無人機傾斜影像三維模型的單體化方法

模型單體化方法包括物理單體化和邏輯單體化。物理單體化是利用人工重建方式將地面、建筑、道路以及城市部件形成一個可被選中分離的實體，附加屬性，實現查詢統計、分析等功能，達到真正意義的目標對象單體化分離效果，但須投入一定的人力成本。目前，可實現物理單體化且應用較廣的軟件是DP-Modeler。邏輯單體化是將二維矢量數據與三維模型疊加處理，并掛接二維數據屬性，能夠對模型的目標物進行高亮顯示單獨操作，即矢量疊加單體化。SuperMap 軟件采用這個方式，為三維模型與二維矢量面提供一體化二三維通道，即對單體化疊加，實現動態渲染效果。本文采用邏輯單體化方式對房屋進行單體化，可對單體化后的模型進行屬性編輯和數據操作。

制作二維矢量面的方法通常是對目標區域全野外數字化測圖，在專業軟件中生成矢量面數據，并加入一定的屬性，也可根據目標區域三維模型的DOM 采集獲得。二維矢量面與三維模型須在統一的空間參考系下疊加，使三維模型掛接二維矢量面屬性，如圖14所示。

圖14 三維模型及掛接的二維矢量面屬性

2 無人機傾斜影像三維建模與精度評定

2.1 研究區概況

本文以陜西省漢中市某區域為研究區，區域總面積為228.3km2，秦嶺南麓，漢中盆地西緣，位于陜甘川三省交界地帶，地處嘉陵江上游，平均海拔為716m，最低點海拔為653m。

2.2 已有資料

影像資料：“谷歌”地圖顯示級別具有17 級或更高等級，在線衛星影像數據可供航拍地區標繪和航線設計參考。

控制點資料：GPS 控制點成果。

2.3 數據精度和技術要求

數學基礎：平面坐標系統為CGCS2000 坐標系，中央子午線為105°，高程基準為1985 國家高程基準，成圖比例尺為1 ∶500；數據坐標單位為m。

數據格式：傾斜影像數據為*.tif，像控點數據為*.dat，三維模型為*.osgb，控制點數據為*.xlsx。

主要精度指標：像控點平面測量相對鄰近基礎控制點平面位置中誤差，不超過地物點平面位置中誤差的1/5，高程測量相對鄰近基礎控制點高程中誤差，不超過1/10 基本等高距，三維模型影像地面分辨率為0.05m、平面中誤差為0.5m、高度中誤差為0.5m。

2.4 構建三維模型具體過程

2.4.1 無人機航攝情況

傾斜攝影采用MATRICE 300 RTK 無人機，航攝采用賽爾PSDK 102S V2 傾斜相機，攝影主距為下視25mm、傾斜為35mm。

根據研究區分布、地理環境、地形條件、航高、航片重疊度和攝區基準面高度等設計航線。利用“天地圖”、“谷歌地球”和WapPointMaster 等軟件，通過對研究區最高海拔、最低海拔和地貌進行調查，確定航路間距和曝光時間等，設計最佳路線，繪制南、北兩方向仿地飛行路線。航攝參數：地面像元分辨率≥0.03m；航向重疊80%、旁向重疊70%；航線彎曲度≤3%；航高為200m；基準面高程為860m；傾斜角≤5°；旋偏角≤15°。采用POS 控制。

2.4.2 像控點布設

采用RTK 式測量像控點，區域坐標轉換計算參數點位不少于6 個，施測前應檢查、核對已有控制點，流動站距離≤5km，測量像控點8 個。每次觀測歷元數不少于20 個，采樣間隔為2s～5s，每次測量平面坐標較差≤4cm。

2.4.3 基于Smart 3D 的三維建模

三維建模分為以下幾項：1）數據預處理。獲得的像片重疊度、像片傾角和像片旋角均滿足設計要求，影像清晰、色調均勻，符合規范要求，只進行POS 數據預處理。數據預處理過程為導出航片和POS 數據，對POS 數據進行重命名，刪除不須導入軟件的信息；轉換POS 數據格式，使用HGO 軟件將POS 數據BLH 坐標轉換為NEZ 或XYH 坐標；POS 數據格式轉換后，保留經緯度、航高和無人機姿態等信息，直接導出Excel。2）空中三角測量。在Smart 3D 軟件中，設置參數信息，導入影像和POS 數據，進行影像匹配，獲取同名點坐標，得到每張影像相機位置、姿態參數和點云數據?？杖瓿珊?，在3D View 軟件中可顯示解算成果，也可將解算成果導出XML 格式。3）三維建模?；邳c云數據構建三角網，生成三維網（TIN）模型；經過封裝，三維網模型生成具有三維信息的白膜模型；歸一化和增強處理影像數據后，將高分辨率紋理映射給三維白膜模型，生成三維模型。4）二次優化處理三維模型。在構建初始模型的基礎上，采取細節裝飾、幾何修復和紋理修補等措施，對三維模型進行二次優化。應用DP-Modeler、Smart 3D、ModelFun、EPS 和Photoshop 等軟件精細化處理三維模型。主要采用幾何修復對三維模型鼓包、破洞等問題進行抹平還原、修補。利用ModelFun 道路置平功能對凹凸不平的道路面進行道路面踏平和紋理修飾；利用EPS 軟件大范圍補洞，聯合Photoshop 軟件修補水面、玻璃等光滑地物表面模型紋理不均勻和漏洞；對細節裝飾來說，主要利用替換或PS 處理重要地物、標志物，并篩除飛面碎片；利用ModelFun 軟件刪除模型的間斷懸空漂浮物；采用DP-Modeler 軟件模型單體化修復完善建筑物局部扭曲或紋理不全。5）三維模型展示。研究區建立的三維模型如圖15所示，三維模型滿足應用要求，整體效果較好，街道局部特征明顯、建筑物結構清晰以及農田部分紋理真實。

圖15 模型整體效果

2.5 精度評定

空三在無人機傾斜攝影三維建模中非常重要，其精度直接影響三維建模成果質量。當Smart 3D 軟件建模時自動生成空三精度可供參考分析，試驗的空三加密精度較高。

采用實地測量控制點坐標與三維模型對應控制點量測坐標分析對比方法評估三維模型精度，得出模型中誤差為0.037m，誤差符合規范要求，結果見表1。

表1 外業檢查點精度統計（單位：m）

3 結論

無人機傾斜影像三維建模作為目前常用的三維模型建立方式，在具體建模實踐中會出現很多問題，本文首先針對懸浮物干擾、建筑物結構扭曲和道路不平整等問題，介紹了刪除、修復和置平等技術手段，其次以寺廟建模為例，對攝影遮擋造成的建模漏洞問題，詳述了空地融合的解決方法，并將利用BIM技術構建的BIM 大型橋梁模型與無人機三維模型直接嵌套，表述了兩種模型有效融合的方式，利用邏輯單體化方式對房屋單體化進行了試驗，并通過某區域三維建模精度檢驗，驗證了本文提出的模型修復技術的有效性，獲得了較好的三維建模效果，以期為無人機傾斜影像三維精細化建模實踐提供參考。