基于Smart 3D的多源影像实景三维建模研究
Three Dimensional Dioramas Modeling Research of Oblique Images Based on Smart 3D

作者: 张 寅 , 李 阳 , 陈家华 , 冉茂方 , 杨昌银 , 王淑晴 :中国地质大学(北京)土地科学技术学院,北京;

关键词: 三维建模倾斜摄影测量技术Smart 3D无人机3D Modeling Tilt Photogrammetry Smart 3D UAV

摘要:
三维建模是工程设计规划、构建数字城市等领域参考分析的基础。新世纪以来随着倾斜摄影测量技术在测绘领域的蓬勃发展,如何提高三维建模的效率并使其单体化、精细化成为研究的热点。本文基于优化的倾斜影像数据采集方案,依据Smart 3D软件实景三维建模的方法流程,利用相机影像,手机相机影像和无人机倾斜影像快速进行区域实景三维建模。实验所得真三维模型的建模速度快、位置精度高、几何纹理精细,结果证明了利用该方法对地表大范围实景建模的可行性与可靠性。

Abstract: 3D modeling is the basis of reference and analysis in engineering design planning and construc-tion of digital cities and other fields. Since the new century, with the vigorous development of tilting photogrammetry technology in the field of surveying and mapping, how to improve the efficiency of 3D modeling and make it singular and refined has become a research hotspot. Based on the optimized oblique image data acquisition scheme, this paper uses the camera images, images of mobile phones and oblique images of unmanned aerial vehicle to quickly perform regional real-time 3D modeling based on the Smart 3D modeling method. The experimental results show that the real 3D modeling has the advantages of fast modeling speed, high positioning accuracy and fine geometric texture. The results prove the feasibility and reliability of the method for large-scale real-world surface modeling.

1. 前言

三维模型作为位置信息和属性信息的数据集合已广泛应用于城市规划、工程建设和军事国防等重要领域,三维建模技术为方案调整、管理服务及动态变化研究提供了重要依据。倾斜摄影测量技术凭借其角度多、范围广、精度高、清晰度高等优势成为建立三维模型的首选技术。它克服了传统正射拍摄的限制 [1],是国际测绘领域近些年发展起来的一项高新技术,图像具有真实性且不易失真。应用倾斜摄影所得影像建立三维模型因其采集数据快、自动化程度高、建模所需时间短而在很大程度上减少了人力、物力和财力的消耗。同时,利用倾斜影像可以对大范围复杂地形地貌进行真三维模型的构建 [2],建成的三维模型空三精度高,纹理匹配较好,无拉花及漏洞等问题,能够反映建筑物侧面的细节特征。

自新世纪以来倾斜摄影测量技术在我国蓬勃发展,2010年我国首次引进美国Pictometry的倾斜摄影测量技术,随后,刘先林院士团队成功研发了第一款国产倾斜相机SWDC-5 [3] 。国外比较流行的建模软件有法国Acute 3D公司的Smart 3D [4],德国的INPHO等模块、瑞士Pix 4D公司的Pix 4D mapper、美国的3DF Zephyr和俄罗斯Agisoft公司的PhotoScan。

本文在综合分析比较国内外建模软件特点的前提下,选择Smart 3D软件进行大面积真实景象的三维建模。利用拍摄所得相机影像、手机相机影像和无人机影像,应用Smart 3D平台,按照正确的方法流程来进行实景真三维建模。本实验证明了应用此方法对大范围地表地貌进行三维建模的精度高,速度快的特点,充分证明了该方法的可行性,得到的三维模型点位平面精度10~15 cm,高程误差在30~35 cm,满足低空数字摄影测量1:1000空三规范要求 [5] 。

2. 方法与原理

倾斜摄影测量技术是近些年来世界测绘科学中发展起来的一项高新技术,它克服了以前正射影像只能从正上到正下拍摄的缺点,通过在飞行器上安装多台传感器从垂直、前视、左视、右视、后视共5个不同的方向对影像进行采集 [6] [7],进而获得地表及建筑物顶部和侧面纹理,除垂直相机外的4个相机的倾斜角度为40˚~45˚ [8],如图1所示,1号相机获取地物顶部影像,2、3、4、5号相机通过拍摄获取地物侧面的纹理,同时传感器上方安置的机载POS系统可以把倾斜摄影瞬间POS系统的观测值作为多角度倾斜影像的初始外方位元素 [9],软件通过提取影像特征点、匹配同名特征点及反算外方位元素来进行空三加密处理,完成TIN模型的构建并生成相应白体三维模型,然后与纹理影像进行配准和贴图 [10],自动建立影像二维点与空间立体三维点的一一对应来得到逼真的三维场景模型。

Figure 1. Relative positions of aviation cameras for obliquing photography (one vertical direction and four lean directions)

图1. 倾斜摄影航空相机相对位置(1个垂直90˚方向,4个倾斜方向)

Smart 3D是一款基于影像自动化进行三维模型构建的并行软件系统,它的建模对象是静态物体,辅助信息包括传感器属性、照片位置姿态参数、控制点信息等等,计算过程包括空三计算以及重建阶段的参数设置,输出结果为实景真三维模型。相比于传统三维建模的数据精度低,纹理与实际效果偏差较大,数据制作周期长,需要大量的人工参与使得数据时效性较低无法真正满足用户的需求。基于Smart 3D的倾斜摄影测量技术克服了以上缺陷,通过高效的数据采集设备及专业的数据处理流程直观反映地物的相关属性,大大降低了三维模型数据采集的经济和时间代价,为地理信息平台的三维方向发展带来了新的动力 [11],保证了真实效果和测绘级精度。

Smart 3D分为主控模块、运算模块和工具模块三大模块。其中主控模块是建模软件的主控台,整个流程都在该模块流水进行,运算模块做大量的计算机密集工作,如提取关键点、匹配自动连接点、光束平差、匹配稠密影像、鲁棒三维重建、无缝纹理映射等,工具模块包括Viewer、Setting和Scene Composer三种,Viewer是可视化浏览工具,支持本地或在线浏览,Setting用于任务序列指向设置,Scene Composer用于场景文件编辑。应用Smart 3D软件进行三维影像建模,需要将拍摄的照片导入到主控模块中,通过计算机对图形的计算并设置好相机焦距及传感器尺寸,结合pos信息空三处理生成点云来构成格网,格网结合照片得到具有纹理的三维模型。大区域整体三维建模方法生产流程如图2

1) 影像获取与检查。影像的采集是三维建模过程中非常关键的一步,采集的好坏很大程度上决定了建模结果的好坏,当影像从至少三个不同的接近视点进行拍摄,连续影像重叠部分大于60%,物体同一部分的不同拍摄点间隔小于15度且自然光照条件好时,所建成的三维模型的效果就会较好。由公式(1)可以求得需要的影像精度。对于航空摄影,尽量采集航向重叠度不小于80%且旁向重叠度大于50%的影像。根据公式(2)可以规定测区和设置航高来获得相应的影像精度。得到原始影像后要对每一张图片进行检查,查看是否有漏拍或不清晰的情况,找到对应航拍区域进行重新拍摄或补拍相关照片影像,软件引入照片后会根据相机型号将照片分组,部分照片组需要手动输入相机的传感器尺寸,可由公式(3)算得。

u × f × a = b × s (1)

u (m/像素):影像精度;f (mm):焦距;a (像素):图像的最大尺寸;b (mm):传感器宽度;s (m):拍摄距离。

H = f × G S D / k (2)

H:航高;f:相机焦距;GSD:地面分辨率;k:像元的大小。

S = n × 25.4 (3)

S (mm):传感器尺寸;n (英寸):相机传感器尺寸。

Figure 2. The flow path of 3D modeling

图2. 三维建模流程

2) 空三计算。空三加密可以将杂乱的影像对齐并构建出与真实地物最为接近的三维空间模型,它是摄影测量中最关键的一步。POS数据可以提供近似影像外方位元素进而得到不同影像之间的方位,以物点地面坐标、影像外方位元素和系统改正参数为待定参数,将物点的三维坐标和影像外方位元素进行平差进而求得最或然值 [12] 。完成空三加密后,可以查看整个航带的飞行情况,空三加密点的位置、密度,每张影像的相对位置及覆盖范围方位角等信息 [13] 。

3) 重建生成。为了便于运算的任务分配,根据计算机的性能将整个建模项目分解成多个瓦片进行单独的建模。分瓦需保证数据任务的期望内存值小于处理该任务的计算机可用内存。空三运算后根据生成的连接点构建TIN三角网,然后生成白体三维模型。

4) 纹理映射。纹理映射就是将位置信息与纹理信息相匹配,其参与贴图的影像由于经过空中三角测量的处理都有准确的内方位元素。完成纹理映射并经过多层次、多结构的优化后即可建成真三维模型。

5) 模型导出。Smart 3D生成的模型格式主要有两种,一种是国际通用的按区块存储且没有索引的三维场景格式OSGB,其每次只能显示一块,另外一种是一个分块模块的索引S3C,它可以将所有区块同时显示在一张图中并进行编辑。对生成的模型的水面、玻璃等效果不好的部分需要用3dmax等软件进行后期编辑处理来达到更好的效果。

3. Smart 3D三维建模应用

为了验证基于Smart 3D平台,融合手机相机影像,相机影像,无人机影像对地表大范围实景三维建模的可行性,选取了北京市周边的科技园作为研究对象,首先利用无人机携带的SONY DSC-QX100相机获取地表实景影像数据,包含正视影像数据1个,侧视影像数据4个,测区面积0.2 km2,平均飞行高度为150 m,共起飞了两个架次,共计11个航带,航向重叠不低于80%,旁向重叠不低于60%,在获取了整体地形数据之后,利用无人机携带的DJI FC550RAW相机对高大集中的建筑物进行了环绕式飞行拍摄,相邻两张像片之间的夹角不大于15˚,重叠部分约为80%~90%,最后利用Canon EOS 5D Mark3型相机和iphone6s plus手机获取了岗亭、名称标志等贴近地面的建筑物表面纹理。这样分层次获取了不同高度建筑物顶部,中部和底部的纹理信息,总计像片1398张。通过空三处理获取了每张像片的外方位元素和连接点449,251个,空三处理结果如表1所示,空中三角测量整体精度在毫米级,加密点平面精度大致为十几厘米,高程精度为二十几厘米,满足测绘行业规范。

Table 1. The result of aero triangulation

表1. 空三处理结果

空三处理完成后,通过构建TIN三角网,分为4079瓦重建生成白模,最终通过纹理映射,生成带有纹理信息的三维模型,最后对模型的漏洞,变形部分进行编辑或重新生成,修复水面得到生产级的实景三维模型,其生产过程如图3所示,三维模型部分细节如图4所示。表2为Smart 3D与传统建模的各方面比较。

(a) (b) (c) (d)

Figure 3. The process of production, (a) disposer of aero triangulation, (b) triangulated irregular network, (c) formation of white film, (d) texture mapping

图3. 生产过程,(a) 空三处理,(b) TIN三角网,(c) 重建白模,(d) 纹理映射

(a) (b) (c) (d)

Figure 4. The details of three-dimensional model, (a) glass curtain wall, (b) mark wall, (c) on the ground, (d) corner of wall

图4. 三维模型细节,(a) 玻璃幕墙,(b) 标志墙,(c) 地面,(d) 墙角

Table 2. The comparison of Smart 3D and traditional modeling

表2. Smart 3D与传统建模的各方面比较

结果表明,工业园区建模面积0.2 km2,整个过程共进行了16天,平均建模速度每天每台0.03 km2,与传统建模方法相比,大大提高了建模效率,同时,建模精度高,纹理好,能够得到生产级的实景三维模型。

4. 结语

本文主要介绍了基于Smart 3D平台,主要利用无人机辅助以手机和相机获取不同高度、不同层次的地物地形影像的多源数据优化方案进行实景快速三维建模的流程方法。结果证明了利用该方法进行三维重建具有自动化程度高,建模速度快的特点,同时所生成的真三维模型空三精度可达毫米级,可进行量测,地物要素齐全,纹理与模型相统一,解决了传统三维建模技术工作量大,成本高,模型更新缓慢,缺少真实性等缺点。基于Smart 3D的多源影像三维建模方法既可以得到单体化程度高的三维模型,又可以保证大范围三维模型的精细化,为大区域复杂场景的倾斜影像三维建模提供了有力的技术参考。相信随着无人机的推广应用,基于Smart 3D的倾斜影像三维建模在灾害应急、城乡规划、数字城市等领域必将发挥它的巨大优势。

基金项目

本项目得到中国地质大学(北京)大学生创新创业训练计划项目(2018BXZ024)资助。

文章引用: 张 寅 , 李 阳 , 陈家华 , 冉茂方 , 杨昌银 , 王淑晴 (2018) 基于Smart 3D的多源影像实景三维建模研究。 地球科学前沿, 8, 1316-1322. doi: 10.12677/AG.2018.88143

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