基于倾斜摄影测量技术的校园实景三维模型研究

付红云 禹 信

（山西能源学院,山西 太原 030600）

1 概述

倾斜摄影测量是一门新兴技术,在同一驾飞机上配备多角度相机系统,多角度获取地面图像,突破了传统航空摄影测量技术仅仅只能从单个方向获取大量数据信息的局限性,更加真实地反映地面的具体情况。

一个真三维场景是智慧平台搭建的基础,以往构建三维模型的方法通常利用大比例尺二维数据建立三维模型,但是这种方式构建的模型纹理都是依靠人工贴图的方式,后期工作量很大,成本较高,更加适合少量部分模型的建立与更新；利用三维激光扫描技术建立三维模型虽具有获取数据的效率高的优势,但是处理工作复杂,容易造成数据冗余等[1]。目前,在建立大规模的三维模型时,所有原始数据的获取采用的都是航空摄影测量技术[2],倾斜摄影测量技术主要是利用无人机或一些其他的飞行器从多个角度取去拍摄地面获取其影像信息,通过多视影像联合平差、密集匹配等技术,借助于专业的建模软件完成建模。本文以山西能源学院校区为例,基于无人机倾斜摄影技术并利用Smart3D 软件构建校园三维模型,试图为无人机倾斜摄影的三维建模提供一套可参考的解决方案,并可应用于虚拟校园平台中的高精度模型的构建。

2 基本原理与关键技术

倾斜影像在三维建模方面的广泛应用相比于传统的垂直式的航空摄影有着明显的独特性和优点,传统的航空摄影只能进行垂直拍摄,建筑物的侧面和底部信息不能全部获取,导致内业人员往往看不清地物细节,无法真正满足用户需要,而倾斜航空摄影不但能够进行竖直方向的拍摄,对于建筑物的侧面也可以具备前、后、左、右4 个视角去提供观察,极大地改进了传统影像对于侧面纹理难获取的短板,使三维建模成本大幅降低,提高三维建模的速度[3]。从应用的角度来讲,利用获取到的倾斜影像构建的三维模型可以同时获取地物的高度、长度、面积、角度、坡度等位置信息,将其与虚拟现实技术结合可设计实现虚拟校园漫游系统。

基于倾斜影像构建三维模型的主要步骤为：倾斜影像的获取、空三解算和三维模型的构建等,如图1 所示。

图1 无人机倾斜影像三维建模基本流程

3 校园三维模型构建应用实践

3.1 硬件选择

山西能源学院地处山西省晋中市榆次区大学城,占地约760 余亩,总占地面积约45 万平方米,总建筑面积约19 万平方米,距离地面最高建筑27m,高于27m 无任何遮挡物,最终选择大疆经纬M300RTK 无人机进行影像获取。综合考虑到现有的条件与实践的经验,本次研究所采用的软件和硬件系统情况参见表1。

表1 软硬件参数

3.2 像控布设

为获取到高精度的三维校园模型,需布设一定数量的控制点。像控点的数量和精度会直接地影响到航测数据处理的精度,所以像控点的布置与选择要做到尽量规范、严谨、精准。为了有效保证外业航飞工作中获得大量数据信息的准确性需进行相应的像控测量,本次试验共在校园内布设了4 个像控点（XK1-XK4）和17 个检查点（JC1-JC17）。像控点主要布设在山西能源学院四角,检查点选用校园内部采用已经有测绘钉的控制点,像控点采用RTK－CORS 网络模型施测（CORS 基站选用山西能源学院CORS 站）,利用iRTK2 对控制点进行测量,测定所有像控点4 个,使用iRTK2 测量模型进行检测点17个,布设方案如图2 所示。

图2 像控点、检查点分布图

3.3 倾斜影像的获取

本次试验以大疆的经纬M300RTK 无人机为主要技术设计基础,在2020 年11 月对山西省能源学院进行倾斜摄影测量,设计航高为60m,航向、旁向两方向航线重叠均为80%。根据所设参数,规划出外业航线（见图3）。

图3 外业航线图

利用大疆经纬M300RTK 无人机按航飞路线飞行所得的研究区影像数据共4031 张,其中影像量为18.2GB。经检查,所获研究区影像全覆盖,没有明显的漏洞,而且层次鲜明、颜色饱和,可用于三维模型的制作。

3.4 模型的构建

本次试验选用的处理的软件为Smart3D。Smart3D 三维建模软件是一款无人机数据后处理的软件,可以进行快速、简单、全自动三维建模。它以对单个或大型建模主体从多个视角中获取的图像、视频或点云信号采集设备中所获取的数据为输入源,经过严密的空中三角测量和解算,最后可以输出带有真实纹理的三维模型,此外还可以输出点云数据、多种图像的正射影像DOM、多种数字表面模型DSM。

数据处理主要包括以下几个步骤：照片组和POS 数据导入、空三解算、TIN 模型构建,自动纹理映射,最后生成三维实景模型。

图4 三维建模流程

图5 校园三维模型

图6 密集点云

3.5 模型的修复优化

在建模过程中,由于会受到人工误差、环境影响,建模软件等的影响,生成的模型会出现缺失、扭曲等现象,这时就需要对模型进行修复。在Smart3D 软件中对模型进行检查,对有互相遮蔽或信息冗余的区域的模型进行空洞填补和冗余信息的删除。模型存在的问题及修复后图像如图7、8 所示。

图7 空洞修复前后对比图

图8 冗余信息修复前后对比图

3.6 精度分析

使用中海达iRTK2 测量的4 个像控点和17 个检查点均匀分布在山西能源学院校园内,在像片以及三维模型上分别采集出这些点的坐标。通过计算得到各个方向的中误差。（表2）

表2 实测坐标和三维模型坐标精度对比表

通过检验,得出X 方向的中误差为0.038m,Y 方向的中误差为0.035m,H 方向的中误差为0.043m,能够符合高精度三维模型建立的精度要求。

4 结论

本文以山西能源学院的校园环境为背景,利用倾斜摄影测量技术获取校园影像数据,构建山西能源学院校园真三维模型,能直观的反映校园景观、校园建筑等各种设施,下一步在三维模型数据可量测性的保障下进一步开发虚拟校园漫游系统,将测量与虚拟校园结合起来开发一套测量模拟仿真系统,对测量专业学生进行教学具有非常大的意义。