胡 康 何永紅 靳鵬偉 王加進

（湖南科技學(xué)院 土木與環(huán)境工程學(xué)院，湖南 永州 425199）

傳統(tǒng)建筑三維建模常常利用數(shù)字地形圖、高程圖以及建筑紋理貼圖等大量的數(shù)據(jù)，通過人工建模建立建筑物精細三維模型，但是存在建模時間長、成本高、工作量大等問題?，F(xiàn)如今，隨著無人機技術(shù)的迅猛發(fā)展，可通過在低空無人機平臺上搭載多臺傳感器來獲取地面上不同角度的影像數(shù)據(jù)，利用這些影像數(shù)據(jù)可進行DOM 影像的制作、影像分析以及 DLG 數(shù)字線劃圖等傳統(tǒng)的二維測繪作業(yè)，同時還可以實現(xiàn)實景三維模型的構(gòu)建。構(gòu)建的三維模型，有著人工干預(yù)少、效率高和模型場景逼真度高等諸多優(yōu)點，彌補了傳統(tǒng)建筑三維建模的不足，在三維建模方面優(yōu)勢顯著。

1 無人機傾斜攝影三維建模原理及流程

1.1 無人機傾斜攝影建模技術(shù)基本原理

傾斜攝影測量技術(shù)[1-3]，主要是通過在同一飛行平臺上搭載數(shù)字航攝儀，分別從垂直、傾斜等多個不同角度采集地面影像，并把接收到的數(shù)字影像記錄在磁盤上，通過數(shù)字傾斜攝影測量軟件，最終形成與人眼視覺相吻合的真實、直觀的影像效果。通常采集的地面影像分為正片和斜片，正片獲取的是一組垂直向下的影像；斜片指的是鏡頭朝向與地面成一定的夾角拍攝，并分別指向不同的方向的一系列影像。相對于垂直影像，在建筑物三維模型構(gòu)建過程中，傾斜影像發(fā)揮著更大的作用，它可以從建筑物的前、后、左、右等多個方向去查看建筑物的側(cè)面，滿足了建筑物表面紋理細節(jié)生成的需要。同一區(qū)域拍攝的垂直影像可被用來對生成的三維建筑模型進行改善。數(shù)據(jù)處理過程主要是將照片導(dǎo)入到Smart 3D 軟中，運用計算機圖形計算，結(jié)合POS信息空三加密處理，生成點云，并構(gòu)成格網(wǎng)，再結(jié)合照片生成有紋理的三維模型。

1.2 無人機傾斜攝影建模的具體優(yōu)勢

（1）降低三維建模的成本。無人機傾斜攝影技術(shù)優(yōu)勢主要表現(xiàn)為：能有效降低三維建模的成本，更高效地解決航攝影像無法監(jiān)測建筑物立面高度變化的問題。

（2）建筑物基礎(chǔ)信息完整獲取[4-5]。無人機傾斜攝影技術(shù)可以迅速獲取建筑物的外框數(shù)據(jù)、高程數(shù)據(jù)、房屋屋頂以及高層建筑頂部的矢量數(shù)據(jù)等各類基礎(chǔ)信息，內(nèi)業(yè)處理人員并可以通過建筑物的外框和屋頂坐標等信息，構(gòu)筑出更加貼合實際的實景三維模型。

（3）快速建立模型庫[6-7]。依據(jù)無人機傾斜攝影數(shù)據(jù)，提取傾斜原片數(shù)據(jù)，然后進行人機交互三維建模，輸出能夠較為準確、精細地復(fù)原出建模主體的真實細節(jié)構(gòu)成的三維網(wǎng)格模型，該模型具有高分辨率、細節(jié)紋理真實等優(yōu)點，有效改善傳統(tǒng)人工建模的低精度等特點。

（4）機動靈活，攜帶方便。無人機具有機動性、靈活性以及安全性、經(jīng)濟性等特點，對起降場地的要求不高，拆卸組裝方便，小巧靈活，容易進行操作和控制，而且成本較低，適合在建筑物密集的城市地區(qū)和復(fù)雜地形的地區(qū)應(yīng)用，可以克服大飛機航拍的局限性。

1.3 無人機傾斜攝影建模關(guān)鍵技術(shù)

（1）Smart 3D 實景建模。運用Smart 3D，工期短，人工干預(yù)少，建模過程自動化，可以高效的進行數(shù)據(jù)處理。為保證數(shù)據(jù)格式的正確和資料完整性，在運用Smart 3D 前，先將外業(yè)航測獲取的航攝數(shù)據(jù)以及像控數(shù)據(jù)按規(guī)定的格式要求進行預(yù)處理，然后再將數(shù)據(jù)導(dǎo)入軟件進行相應(yīng)的建模處理，Smart3D 最大的一個優(yōu)點是它可以支持沒有POS 數(shù)據(jù)的影像，比如用單反拍的照片也是可以導(dǎo)入進去并運行的。

（2）數(shù)據(jù)導(dǎo)入，工程構(gòu)建。數(shù)據(jù)導(dǎo)入后，要點擊檢查影像文件，檢查影像文件是否導(dǎo)入完整，以確保數(shù)據(jù)的可靠性。所需要的影像文件主要包括滿足外業(yè)重疊度要求的多角度影像、POS 數(shù)據(jù)以及像控數(shù)據(jù)。對于傾斜攝影不同視角獲取的影像數(shù)據(jù)，同一個方位相機得到的像片應(yīng)放在同一個文件夾中，在做數(shù)據(jù)處理時要建立五個文件夾，并且在保存像片的路徑中一般不能用中文，數(shù)據(jù)命名還要有唯一性，否則在接下來的操作中會出現(xiàn)錯誤。

（3）空中三角測量，空三加密?？罩腥菧y量是利用影像匹配確定影像之間的同名像點以及少量圖像控制點數(shù)據(jù)，通過區(qū)域網(wǎng)的聯(lián)合平差，得到圖像加密點的地面坐標和精確的外方位元素。其主要目的是為缺少野外控制點的地區(qū)提供絕對定向的控制點。傾斜攝影能夠多角度獲取影像，自然會有豐富的影像冗余信息，可以利用影像冗余信息修正錯誤的匹配，同時還可以補充拍攝盲區(qū)的地物特征。圖像匹配的可靠性和準確性將直接影響到空中三角測量的精度。在Smart 3D 軟件中，空三加密為全自動解算過程，空中三角測量處理過程主要包括設(shè)置航帶、內(nèi)定向、連接點匹配、平差等過程。如果空三計算成功的話，就可以進入到三維重建，失敗的話則要對影像數(shù)據(jù)進行重新檢查，查看 POS 數(shù)據(jù)、影像與POS 數(shù)據(jù)是否對應(yīng)，然后再進行空三計算?？杖用苁钦麄€建模過程中最重要的一個步驟，他的結(jié)果直接影響了后期工作的成敗。

（4）實景三維模型優(yōu)化。如果測區(qū)較為復(fù)雜，周圍障礙物、建筑物較多的情況，為了防止數(shù)據(jù)混淆、數(shù)據(jù)不準確的情況發(fā)生，最好的辦法是多采集一些特征點。觀測條件最好選擇天氣晴朗、云較少的天氣進行傾斜攝影，此時，獲取的影像分辨率高、航向和旁向重疊度大且清晰度高，則最終構(gòu)建的三維模型質(zhì)量越高[8]。若生成的傾斜實景三維模型成果出現(xiàn)水面漏洞、顏色失真、結(jié)構(gòu)丟失以及破損等問題，則可以在Smart 3D、PS、3DMAX 等圖像處理軟件中進行再次優(yōu)化處理。優(yōu)化方法主要有：幾何修復(fù)、細部整飾、紋理修補等，最終得到貼合實際的實景三維模型。

2 實驗與分析——以周家大院古建筑群為例

2.1 實驗研究區(qū)域概況

周家大院，坐落于永州市零陵區(qū)富家橋鎮(zhèn)瀟水支流——賢水河的源頭，始建于清光緒年間占地7800 余平方米，保存至今的古建筑群。研究區(qū)域內(nèi)以田園為主，附有小片山區(qū)丘陵，大多為古建筑，無高層、超高層建筑，為了更好的保護這一古建筑群，我們采用無人機傾斜攝影與三維建模的方式，將其原貌進行數(shù)字化存儲并加以保護。

2.2 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

外業(yè)工作主要包括測區(qū)勘探、設(shè)計航線、像控點布控、設(shè)定航測參數(shù)等流程，航測中需要注意的要點：

（1）在飛行作業(yè)中，將遙控器天線切面面向飛行器以獲得最佳信號。

（2）如果任務(wù)完成前出現(xiàn)電池電量不足，則可手動結(jié)束任務(wù)，更換電池后繼續(xù)進行外業(yè)數(shù)據(jù)采集。

2.3 數(shù)據(jù)預(yù)處理

本實驗拍攝影像數(shù)量為 7320 張、影像地面分辨率為10cm、航向和旁向重疊度分別為66%、55%?？紤]到影像數(shù)據(jù)量大，處理過程耗時較長，為了防止處理過程中出現(xiàn)錯誤浪費時間，降低整建模的效率，根據(jù)周家大院古建筑群的形狀特征、控制點分布，將整個區(qū)域分為6 塊分別處理，最后再將6 塊區(qū)域模型拼接，輸出整個測區(qū)的正射影像圖。整個周家大院測區(qū)的正射影像圖如圖1 所示。

圖1 周家大院無人機傾斜攝影建模正射影像

2.4 空中三角測量

選用Smart 3D 軟件來進行空中三角測量?？罩腥菧y量之前要對POS 數(shù)據(jù)進行整合，從而在后期處理中不會造成影像缺失等問題。本次實驗中空中三角測量是關(guān)鍵性的一步，空中三角測量決定最后周家大院古建筑群三維模型的成果質(zhì)量，是內(nèi)業(yè)處理時最重要的一步。如果空三計算成功，可以進入到下一步：三維重建，倘若失敗的話則要對影像數(shù)據(jù)進行重新檢查，找出問題，然后再進行空三計算。

2.5 周家大院古建筑群三維建模

無人機傾斜攝影技術(shù)中的密集點就是通過多視影像的處理得到模型，有利于后續(xù)影像的生成。獲取到相應(yīng)數(shù)據(jù)后，先通過濾波處理，同時進行數(shù)據(jù)匹配，直到最后得到DSM。若使用無人機攝影過程中發(fā)生影像數(shù)據(jù)丟失的情況，則會影響后面的三維建模，這時人工編輯人員需要根據(jù)實際情況進行相應(yīng)的控制，降低問題發(fā)生的概率。隨后構(gòu)建TIN模型，對生成的“周家大院古建筑群三維模型”進行優(yōu)化，最終實現(xiàn)影像真實紋理與整個實景三維模型的自動關(guān)聯(lián)，并將其通過數(shù)字化存儲進行保護，如圖2、圖3、圖4 所示。

圖2 周家大院無人機傾斜攝影建模（正向俯視效果）

圖3 周家大院無人機傾斜攝影建模（背向俯視效果）

圖4 周家大院無人機傾斜攝影建模（側(cè)后方俯視效果）

結(jié)束語

文章以周家大院為例，探討如何對古建筑群進行傾斜攝影三維建模，其中外業(yè)數(shù)據(jù)采集所用的無人機基于東、南、西、北以及正視五個視角傳感器，對周家大院測區(qū)拍攝了五組影像圖，經(jīng)過數(shù)據(jù)預(yù)處理、空中三角測量加密等操作生成影像點云和三維TIN 模型，實現(xiàn)影像真實紋理與整個實景三維模型的自動關(guān)聯(lián)，并最終達成將其通過數(shù)字化存儲進行保護的目的。