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(xué)土木工程與建筑學(xué)院，湖北 武漢 430074；2. 中建三局第二建設(shè)工程有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430000；3. 武漢光谷建設(shè)投資有限公司，湖北 武漢 430205；4. 湖北交通投資集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430050；5. 武漢大勢(shì)智慧科技有限公司，湖北 武漢 430223

隨著“實(shí)景三維中國(guó)”計(jì)劃的不斷推進(jìn)，無(wú)人機(jī)制造技術(shù)和計(jì)算技術(shù)迅速發(fā)展，傳統(tǒng)的三維建模技術(shù)已經(jīng)無(wú)法滿足大規(guī)?？焖俳５男枨?，以傾斜攝影和激光掃描為代表的三維測(cè)繪相關(guān)技術(shù)是測(cè)繪行業(yè)未來(lái)的重點(diǎn)方向［1］。傾斜攝影測(cè)量能夠利用多傳感器，獲取多角度圖像，快速生成實(shí)景三維模型［2］。國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有基于傾斜攝影測(cè)量的自動(dòng)三維建模軟件較多，但各軟件的操作方式、生產(chǎn)效率、模型精度等方面不同，導(dǎo)致其在實(shí)際項(xiàng)目中的實(shí)用性、適用性以及模型質(zhì)量存在差異。因此學(xué)者針對(duì)不同三維建模軟件進(jìn)行了對(duì)比研究：張懂 慶 等［3］對(duì)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(cè)量質(zhì)量、模型質(zhì)量等進(jìn)行對(duì)比，得出Smart3D 2019 建模軟件的空中三角測(cè)量通過率、精度和模型質(zhì)量均較高，且輸出模型格式多。 楊 云 峰 等［4］對(duì)Context Capture、Agisoft PhotoScan 及Pix 4D Mapper 3 種傾斜攝影建模軟件的操作性、運(yùn)算時(shí)長(zhǎng)、模型質(zhì)量等方面進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明Context Capture 在水平方向與垂直方向?qū)φ`差的控制較好，三維模型精度優(yōu)于其他2款軟件。王建［5］將傳統(tǒng)軟件與Context Capture 生產(chǎn)出的模型進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明Context Capture生產(chǎn)出的模型質(zhì)量好、精度高，且較傳統(tǒng)方法效率高。 楊 文 府 等［6］用Context Capture 軟 件 和PhotoMesh 軟件對(duì)殺虎口古長(zhǎng)城場(chǎng)景進(jìn)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(duì)比，兩種方式生產(chǎn)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(duì)校園場(chǎng)景進(jìn)行三維建模，通過對(duì)建模質(zhì)量進(jìn)行分析得出大疆智圖軟件在細(xì)節(jié)處理方面較優(yōu)于Context Capture軟件。

目前，國(guó)內(nèi)傾斜攝影自動(dòng)化三維建模主要以國(guó)外軟件為主，國(guó)內(nèi)已經(jīng)涌現(xiàn)出如重建大師、大疆智圖等自主軟件。本文將以國(guó)產(chǎn)三維建模軟件與Context Capture 等軟件進(jìn)行硬件要求、操作性、模型精度及效果對(duì)比分析。

1 傾斜攝影測(cè)量技術(shù)概述及常用軟件

1.1 傾斜攝影測(cè)量技術(shù)

傾斜攝影測(cè)量是一種通過在飛行平臺(tái)上搭載多臺(tái)傳感器，同時(shí)從垂直、多個(gè)傾斜角度獲取目標(biāo)物數(shù)據(jù)和紋理信息的新型技術(shù)［9-10］，再經(jīng)過影像同名點(diǎn)匹配、空三加密、不規(guī)則三角網(wǎng)構(gòu)建、表面貼圖等內(nèi)業(yè)處理建立精細(xì)化、真實(shí)化的實(shí)景三維模型［11-12］。傾斜攝影實(shí)景三維建模流程如圖1 所示。目前常見的傾斜攝影測(cè)量系統(tǒng)是由無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)搭載相機(jī)組成，相機(jī)在同一曝光點(diǎn)獲取地面物體多角度數(shù)據(jù)，此時(shí)飛行平臺(tái)中的位置與姿態(tài)系統(tǒng)（position and orientation system，POS）可記錄每張相機(jī)曝光瞬間的位置姿態(tài)、GPS 坐標(biāo)等信息。該系統(tǒng)能夠獲取地物全方位信息，為后續(xù)三維重建提供良好的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)［13］。

圖1 實(shí)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(yè)界常用的傾斜攝影三維建模軟件有美國(guó)Bentley 公 司 的Context Capture、瑞 士Pix4D 公司的Pix 4D Mapper，中國(guó)大疆創(chuàng)新公司的大疆智圖以及大勢(shì)智慧公司的重建大師等。4 款軟件以數(shù)碼相片、航拍照片、激光點(diǎn)云組成的多源數(shù)據(jù)作為輸入，后經(jīng)內(nèi)業(yè)處理生成高精度實(shí)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(guī)劃、飛行航拍等應(yīng)用。重建大師是專為超大規(guī)模實(shí)景三維數(shù)據(jù)生產(chǎn)而設(shè)計(jì)的集群并行處理軟件。

2 技術(shù)路線與評(píng)價(jià)指標(biāo)

2.1 技術(shù)路線

本文首先闡述了無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的概況和4 款仿真軟件的基本信息，其次根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)采集的影像數(shù)據(jù)，嚴(yán)格控制各個(gè)輸入?yún)?shù)，利用4 種軟件進(jìn)行三維重建，最后對(duì)軟件的硬件配置、操作性、模型精度和模型效果進(jìn)行對(duì)比，如圖2 所示。

圖2 軟件對(duì)比工作流程Fig.2 Workflow for software comparison

2.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)

本文參考國(guó)家《三維地理信息模型數(shù)據(jù)產(chǎn)品規(guī)范》，并根據(jù)實(shí)景三維模型特點(diǎn)，從模型精度和模型效果對(duì)建模成果進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2.2.1 模型精度評(píng)價(jià) 模型精度評(píng)價(jià)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(guī)范Tab.2 Terrain accuracy standards

2.2.2 模型效果評(píng)價(jià) 本文模型效果評(píng)價(jià)包括對(duì)模型精細(xì)度和紋理精細(xì)度2 方面的檢查。模型的精細(xì)度是核查分析模型是否存在結(jié)構(gòu)比例失調(diào)、扭曲變形、附屬細(xì)部遺漏等一系列與實(shí)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(xì)度是檢查模型紋理是否有模糊、錯(cuò)誤、失真、變形，相同地物紋理不同、紋理間不協(xié)調(diào)、紋理數(shù)據(jù)存在不合理縫隙等問題，如房屋密集區(qū)域是否有異常紋理。

3 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)

本文以湖北省武漢市新洲區(qū)京廣線沙河大橋?yàn)樵囼?yàn)區(qū)域，面積約0.45 km2，如圖3（a）所示。該區(qū)域地形較為平坦，沙河大橋兩側(cè)樹木茂盛，測(cè)區(qū)內(nèi)以村落、農(nóng)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(shè)定航向重疊度70%，旁向重疊度70%，相對(duì)航高100 m，地面分辨率為2.7 cm，共獲取影像691 張和與其對(duì)應(yīng)的POS數(shù)據(jù)。采用標(biāo)靶板制作像控點(diǎn)，在測(cè)區(qū)范圍內(nèi)均勻布設(shè)共30 個(gè)，布設(shè)時(shí)用手機(jī)拍攝照片并將位置信息在圖片上標(biāo)記，方便查找時(shí)使用［15］，如圖3（c）所示。測(cè)量?jī)x器為中海達(dá)Ubase，如圖3（d）所示，利用網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量技術(shù)（real time kinematic，RTK）量測(cè)像控點(diǎn)，坐標(biāo)系統(tǒng)為國(guó)家CGCS2000 坐標(biāo)系，填寫像控點(diǎn)成果表。

圖3 測(cè)區(qū)概況及數(shù)據(jù)采集：（a）研究區(qū)域，（b）大疆精靈4 RTK，（c）像控點(diǎn)，（d）中海達(dá)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(zhì)量對(duì)比

4.1 軟件使用

4.1.1 硬件配置對(duì)比 4 款軟件對(duì)電腦硬件配置要求見表3，均為官方規(guī)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(duì)比 4 款軟件數(shù)據(jù)處理流程及對(duì)比見表4，由表4 可知各軟件特點(diǎn)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(fù)雜，在進(jìn)行編輯控制點(diǎn)與添加邊界約束操作時(shí)需要人員具備相關(guān)專業(yè)知識(shí)。Pix 4D Mapper 與大疆智圖軟件操作簡(jiǎn)單，按軟件提示進(jìn)行操作即可完成重建任務(wù)。（2）大疆智圖和重建大師支持中英文項(xiàng)目名稱和儲(chǔ)存路徑，其余2款軟件僅支持英文。（3）在進(jìn)行刺點(diǎn)操作時(shí)，Context Capture、大疆智圖與重建大師3 款軟件均能夠自動(dòng)提示控制點(diǎn)預(yù)測(cè)位置和數(shù)據(jù)誤差較大的刺點(diǎn)操作，使刺點(diǎn)更加方便、準(zhǔn)確。（4）在計(jì)算時(shí)長(zhǎng)方面，Pix 4D Mapper 在軟件運(yùn)算上耗時(shí)最短，其次是Context Capture，大疆智圖計(jì)算時(shí)間稍長(zhǎng)，運(yùn)行時(shí)間最長(zhǎng)的是重建大師。具體使用時(shí)應(yīng)根據(jù)人員配備、計(jì)算資源及時(shí)效要求進(jìn)行軟件選擇。

表4 軟件操作性對(duì)比Tab.4 Comparison of software usability

4.2 模型質(zhì)量對(duì)比

4.2.1 模型精度分析 用戶通過分析實(shí)景三維模型可以得到真實(shí)場(chǎng)地的三維坐標(biāo)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(gè)像控點(diǎn)，其中1 個(gè)像控點(diǎn)地面標(biāo)識(shí)被移動(dòng)不予分析，剩余29 個(gè)點(diǎn)中選用11 個(gè)點(diǎn)用作空三計(jì)算的控制點(diǎn)，18 個(gè)點(diǎn)用作精度檢測(cè)的檢查點(diǎn)。將其外業(yè)實(shí)測(cè)坐標(biāo)看作真值，多次量測(cè)檢查點(diǎn)在模型上對(duì)應(yīng)位置的坐標(biāo)，并取平均值與真值進(jìn)行對(duì)比，其結(jié)果見圖4。

圖4 檢查點(diǎn)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(jù)三維模型X、Y、Z方向的坐標(biāo)值誤差，計(jì)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(tǒng)計(jì)Tab.5 Statistical analysis of 3D model accuracy

根據(jù)國(guó)家《三維地理信息模型數(shù)據(jù)產(chǎn)品規(guī)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(duì)比 基于本文上述前提，對(duì)所選擇的試驗(yàn)區(qū)主要從水域、房屋、道路3 個(gè)方面進(jìn)行模型效果對(duì)比。

（1）水域建模對(duì)比

三維建模軟件以實(shí)際航拍圖像為紋理信息，能夠仿真目標(biāo)場(chǎng)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(chǎn)生空洞現(xiàn)象，因此需針對(duì)水域模型效果進(jìn)行分析。本研究區(qū)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(wú)法反應(yīng)真實(shí)水體情況，而重建大師處理后的水體模型較為完整、調(diào)色均勻，模型效果優(yōu)于其他3 款軟件。

圖5 水域建模結(jié)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(duì)比

4 款軟件都能對(duì)房屋的整體樣貌進(jìn)行重建，紋理映射符合實(shí)地情況，如圖6（a-d）所示。大門、雨棚和護(hù)欄構(gòu)件目標(biāo)較小且紋理單一，采集影像重疊率小、分辨率低，導(dǎo)致軟件在特征點(diǎn)提取與匹配時(shí)易出現(xiàn)錯(cuò)誤，因此需針對(duì)上述構(gòu)件模型效果進(jìn)行分析。本研究區(qū)域中4 款軟件大門、雨棚和護(hù)欄構(gòu)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(xiàn)了破損。針對(duì)雨棚和護(hù)欄構(gòu)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(xiàn)扭曲變形，Context Capture相比其他3 款軟件較好地重建了模型結(jié)構(gòu)。

圖6 房屋建模結(jié)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(duì)比

道路建模結(jié)果如圖7 所示，除Pix 4D Mapper外，其余3 款軟件對(duì)地面道路標(biāo)識(shí)、部分道路損傷等部分重建較為清晰。由于指示牌結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、紋理單一、受樹木等物體的遮擋，在進(jìn)行空中三角測(cè)量時(shí)，不能確保特征點(diǎn)的數(shù)量，同時(shí)，在網(wǎng)格拓?fù)鋭?chuàng)建和處理時(shí)，面片之間連接錯(cuò)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(xiàn)不同程度的缺損。

圖7 道路建模結(jié)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(jié) 論

總結(jié)現(xiàn)有研究和用戶單位關(guān)注點(diǎn)，從硬件要求、可操作性、模型精度和模型效果對(duì)4 款傾斜攝影測(cè)量軟件進(jìn)行了對(duì)比分析，得到了如下結(jié)論：（1）4 款軟件在各方面表現(xiàn)不同，Context Capture與重建大師硬件要求高，運(yùn)算時(shí)間長(zhǎng)，Pix 4D Mapper 和大疆智圖相較于其他2 款軟件操作更為簡(jiǎn)單，無(wú)需操作人員有相關(guān)專業(yè)知識(shí)。（2）各建模軟件均能重建0.45 km2實(shí)驗(yàn)區(qū)域全貌，重建大師軟件能夠較好地修補(bǔ)水域模型，針對(duì)紋理單一物體Context Capture 生成的三維模型結(jié)構(gòu)較為完整。（3）4 款軟件均能滿足1∶500 的三維模型產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，且重建大師和大疆智圖2 款軟件在水平方向與垂直方向?qū)φ`差的控制較好，三維模型精度優(yōu)于其他2 款軟件。以上研究結(jié)論能為傾斜攝影測(cè)量軟件在實(shí)際工程中的應(yīng)用提供參考作用，從軟件選型方面提高傾斜攝影測(cè)量建模作業(yè)效率。