激光雷達與傾斜攝影技術融合的三維模型應用研究

常一萍 邱福濤 王洪 藍朝陽

摘要 傾斜攝影測量技術是國際攝影測量領域近十年發展起來的一項高新技術。該技術通過從一個垂直、四個傾斜、五個不同的視角同步采集影像，獲取豐富的建筑物頂面及側面的高分辨率紋理。針對龍巖學院研究生公寓樓為代表的復雜高層不規則建筑物問題，運用無人機傾斜攝影測量技術進行三維模型數據獲取，并使用大疆Phantom4 RTK進行傾斜攝影測量數據采集，通過DJI-Terra軟件處理傾斜攝影數據，進行空中三角測量并生成三維模型，最后利用Dp-Modeler軟件進行單體化模型精修。

關鍵詞 DJI-Terra；傾斜攝影測量；Dp-Modeler

中圖分類號 TU198文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2023）10-0016-03

0 引言

隨著現代科學技術發展，無人機傾斜攝影測量成為測繪領域新的趨勢和潮流[1]。無人機可以同時對多個角度進行傾斜攝影，并利用專業的建模軟件建立三維實景模型，從而獲取地物、地貌等特征屬性，還可以將獲取的信息以圖片或影像等形式展現出來，便于后期對這些資料進行研究分析，通過可視化三維處理技術來實現現代化數字處理，創建以三維實景模型為基礎的智慧城市建設。

1 研究方法

針對高層建筑飛行補拍，對中間與后側復雜部分進行補拍，如圖1所示。由于建筑物為復雜的高層建筑，因此，在外業飛行中采用了井字飛行和五向飛行兩種方式，后期內業數據處理使用了Context Capture與大疆智圖兩種軟件來處理。利用兩種軟件處理五向與井字飛行，得出的結果是大疆智圖中五向飛行更適合后期的單體化模型精修，并采用Dp-Modeler模型精修軟件對龍巖學院研究生公寓樓復雜高層的單體化模型重建。

2 外業測量

2.1 航測范圍規劃

使用大疆Phantom 4 RTK固定翼無人機地面站，對龍巖學院研究生公寓樓進行航測范圍規劃，新建工程選擇3D飛行，飛行高度70 m，返航高度100 m，航向重疊率70%，旁向重疊率60%，速度每秒9 m，對該范圍內進行了多視影像數據采集，總采集照片410張[2]。

2.2 無人機航測作業工作流程

根據指定航線及參數設置，無人機手動運行補拍，在航測過程中需要關注航測圖像及POS數據的監測。通過云臺角度產生的圖像，可提供航測數據及POS數據。收集的數據信息有高度、航向、經緯度等。補拍圖像及POS數據將在公寓樓中部及后部左右補拍航測工作結束后獲得。

2.3 增設像控點

該測區使用CGCS2000坐標系、1985高程系統、高斯3度帶投影和中央子午線117度，飛行前在測區范圍內找到相應特征物的標志以便于攝像控點。使用司南RTK均勻地在測區范圍四角布設10個像控點，為防止遺忘布設像控點的位置，在布設像控點的時候進行拍照留存。

3 內業數據處理

3.1 航測數據處理方案

傾斜攝影測量數據的處理主要是利用外業收集到的數據再轉成內業的數據處理圖像，而內業的數據處理軟件非常多，該次航測后期分別采用的軟件是Context Capture與大疆智圖進行數據處理。

3.2 Context Capture建模實驗

通過采集的照片計算出拍攝位置，空三計算是通過Master來完成。Engine是進行數據優化計算而形成三維模型，Master是前端操作界面[3]，可通過Master導入影像數據，進行空三計算。

3.3 大疆智圖建模實驗

新建項目導入外業采集的自帶POS信息的所有照片（航線規劃及補拍影像共410），選擇輔助坐標系為CGCS2000/3-degree Gauss-Kruger CM 117E（EPSG4548）。

3.3.1 空間三角測量計算

使用大疆Phantom4 RTK 無人機平臺為基礎采集航測數據，通過三維建模技術構建了該飛行器飛行姿態與相機成像參數之間的映射關系，并在此基礎上建立相應的幾何模型，通過大疆智圖中空三計算步驟完成了該模型空三計算。

3.3.2 像控點管理與刺點

結束第一遍空三計算后，進入像控點選擇坐標系統CGCS2000/3-degree Gauss-Kruger CM117 E（EPSG4548），導入外業采集的像控點坐標（共計10個），將進行手動刺點。刺點過程視圖中會出現藍色準星代表像控點預測位置。進行放大準星，則選擇實際像控點位置進行刺點。在進行每張相片刺點時，會實時地更新像控點位置。為確保精度，每個像控點刺出6張圖片，最終選擇精度最準確的5個點作為空三優化像控點。

3.3.3 重建結果展示

導入航測數據后，對空三進行計算與優化，并選用空三XML文件，在像控點刺點后，選用高分辨率模型標準及OSGB、OBJ模型格式對三維重建模型進行建模[4]。

3.3.4 兩套方案效果對比

通過Context Capture軟件構建出的三維模型，無法識別補拍的照片且存在細小問題，故最終采用DJI Terra五向飛行模型進行Dp-Modeler模型精修。

4 基于Dp-Modeler的三維建模流程

隨著實景三維模型的廣泛運用，模型場景修飾功能也將在眾多行業發揮重要的作用。具體精細化建模流程如圖2所示。

4.1 數據準備

4.1.1 工程建設流程

Dp-Modeler數據處理流程，打開DPSlnManager程序，設置解決方案路徑，然后影像→航空影像→導入影像打開大疆智圖空三XML文件，映射紋理路徑→無畸變影像存儲路徑，導入到Dp-Modeler工程，點擊Mesh→因為使用大疆智圖需要選擇大疆數據打勾再進行下一步驟，導入OSGB與OBJ模型格式，設置偏移值選擇OSGB與OBJ文件中的XML文件，再導入OSGB與OBJ中的block文件，因大疆智圖與Context Capture中導出的文件格式不一樣，需要留意最后生成影像緩存。

4.1.2 Dp-Modeler進行建模

開啟項目雙擊解決方案，界面上就會出現解決方案管理器、相機視圖、工具箱，以及一些常用工具欄，例如影像投影視圖、三維自由視圖、Mesh編輯視圖等。

相機視圖：是指當測量點定位或建筑定位時，可以計算所有能看到測量點或建筑的攝像機，并將攝像機俯仰位置平放在相機視圖上，可分為正攝影像（判斷平面位置X、Y）和傾斜影像（判斷高程位置Z）。紫色點表示全景圖圖像，三角形表示地面近景圖像。在相機視圖上單擊任意點，圖像投影視圖自動出現點所對應的圖像，點變為橘黃色，并在該點處出現一個矩形方框顯示橘黃色投影線框，紅色三角形是聯動三維自由視圖，指當前以基準點為中心觀測模型方向，用于手動選取適合的影像輔助修改貼圖。當三維自由視圖為頂視圖時，三角形會切換成圓形。黃色小點代表基準點位置，影像顯示用于篩選影像類別，可全部顯示，亦可單獨顯示航空影像、全景影像、地面近景影像等。

Mesh視圖：Mesh視圖中加載OBJ格式Mesh模型，主要用于模型修飾，其中包含重置視角、燈光開啟關閉、撤銷與重做等，以及單體化模型加載與卸載背面裁剪。開啟此功能時，僅當觀測Mesh正面時才加載模型，當視角觀察Mesh模型以下時，Mesh模型不加載。完成白膜構建時，可打開Mesh，觀察整個模型的整體輪廓以及部分細節模型結構。

4.2 單體化制作

該文研究的是龍巖學院研究生公寓樓的三維模型，首先采用的是大疆智圖（DJI Terra）對外業飛行數據進行處理，得出整個公寓樓的三維模型。最后成圖發現，大疆智圖制作的三維模型存在破損和拉花的情況。為了對該公寓樓做一個完整的可視化三維模型，將對此三維模型進行一個精細化的模型重建精修。該文采用的是Dp-Modeler制圖軟件制作該學生公寓的可視化實景三維模型。

4.3 細部結構的模型構建

4.3.1 內部樓梯制作

由于該樓梯的制作需要較高要求，首先，確定樓梯的位置以及高度，其位置與高度要貼合實際的建筑圖，需在自由視圖中根據白膜以及原有的三維模型聯合確定位置高度信息[5]，并通過矩形工具將樓梯的寬度繪出。其次，擠出柱體到相應高度，再使用等分四邊形對樓梯頂部與側面進行等分面，然后對應面之間擠出柱體。最后，完成樓梯的制作。再根據樓梯的位置，對外圍的欄桿進行擠出柱體，完成樓梯與欄桿的鏤空制作。

4.3.2 屋頂鏤空

在進行屋頂鏤空制作時因為樓頂上還有半層屋面，所以先擠出半層屋面，再進行屋頂鏤空制作，由于鏤空處頂部有凹槽需要分步制作，首先制作出頂部外邊兩側，定好基準面再分別繪制出頂部的范圍，再把基準面定到需要擠出柱體的位置，之后進行中間凹槽的部分制作，最后完成整個樓頂的制作。

4.4 紋理映射

紋理映射分手動貼圖和自動紋理映射兩種，先使用自動紋理映射后使用手動貼圖對模型紋理進行細化修改，要能夠準確地反映出建筑物表面特征[6]。

4.5 單體化成果

通過大疆智圖得出的三維模型，由于整個模型存在破洞、拉花和部分結構殘缺，于是采用Dp-Modeler進行模型的重建修復。最后對建筑立面孔洞進行補洞，紋理映射與手工貼圖，最后得出精細化建模后的三維模型結果。模型精度分析如下：由模型精修完成后可知，墻面平整，整體效果較好，將對模型精修前后進行“模型量測距離”精度驗證，根據大疆智圖重建完成三維模型后采用標注與測量工具對柱子、立面、屋頂等進行尺寸測量，得出數據與精修完成后的模型進行尺寸精度對比，如表1所示。

數據對比發現，以大疆智圖三維模型數據為基準，考慮到軟件生成模型會產生誤差，根據《三維模型規范》平面精度誤差在±20 cm，由表1可知三維航測模型的精修是真實可靠。

5 結論

隨著測繪技術日趨完善，無人機傾斜攝影測量技術更加有效地提高了工作效率，被廣泛運用。該文利用無人機傾斜攝影測量技術對龍巖學院研究生公寓樓復雜高層進行測量，應用Context Capture與大疆智圖處理外業數據，并結合Dp-Modeler軟件進行手工建模，對公寓樓進行實景三維模型構建，總結得出一套對異形高層建筑物較為有效的解決方案，其主要優點：

（1）相比傳統手工建模，自動化程度高，生產效率得到有效提高。

（2）通過Dp-Modeler中紋理映射貼圖真實紋理，結合手工貼圖的效果，使得建筑物模型讓人們感到更直觀更符合人眼視覺的真實世界，并充分地表現其細部特征，從而彌補了大疆智圖三維重建中的缺陷。

（3）根據傾斜攝影測量拍攝獲取的多源視角、高分辨率的影像數據為基礎，可以實現模型與影像融合一體，使模型可以得到更準確的三維坐標數據，并清除了單一數據多源視角、分辨率等方面的限制，在作業時大大地提升了建模的速度和效能。

參考文獻

[1]崔志然. 無人機傾斜攝影測量技術在房地一體化項目中的應用研究[D]. 西安：長安大學， 2020.

[2]胡軍杰， 趙青芬. 無人機傾斜攝影測量三維建模精度評定及應用[J]. 裝備制造技術， 2021（9）： 39-41.

[3]姜如波. 基于傾斜攝影和近景攝影技術的實景三維模型制作[J]. 城市勘測， 2018（3）： 95-98.

[4]張慧瑩， 董春來， 王繼剛， 等. 基于Context Capture的無人機傾斜攝影三維建模實踐與分析[J]. 測繪通報， 2019（S1）： 266-269.

[5]張光祖. 城市建成區高精度三維實景模型建模技術研究[D]. 淮南：安徽理工大學， 2020.

[6]楊珍. 基于Dp-Modeler的建筑物三維建模[J]. 測繪與空間地理信息， 2019（7）： 11-13+21.