技术基于Smart3D的低空无人机倾斜摄影实景三维建模研究

　　1  引言
　　随着无人机技术的快速发展及民用化程度不断 提高，无人机相关应用领域的技术研究也在不断拓展。低空无人机测绘就是近些年来快速发展的一个较为活跃的研究领域。无人机作为一个方便、高效和低成本的飞行平台，弥补了传统航测成本高、飞行窗口要求高、生产组织困难等诸多不足。
　　低空飞行平台搭载多种航摄传感器后可获取地面影像或扫描 点云数据，这些数据不仅可以进行正射影像制作、多光谱影像分析和数字线划图生产等传统二维的测绘 工作，还可进行快速实景三维建模，并且该种建模方 式有着人工干预少、效率高和模型场景逼真度高等诸多优点。
　　然而，传统的建模方式需要用到地形图、高程和纹理贴图等大量数据，工作量较大。所以，倾斜摄影实景三维建模方式一经推出就引起了人们的 高度重视。近些年来，人们对于该种建模方式做了大量的研究，其重点表现在以下几个方面:
　　( 1) 数据源获取设备的研制。国外较早研制成功的航摄仪有德国的Penta-DigiCam 系统、美国的AOS 系统和以色列的A3 系统等; 随后，国内相继研发了 SWDC-5［1-2］、AMC580、TOPDC-5、双鱼倾斜相机I 代和DM5-2010 系统等。
　　( 2) 多源数据联合建模。为改善航摄系统的成果缺陷，人们也开始寻找将倾斜数据与其他数据源进行结合来提高建模的精度的方法，如: 2015 年宋文平［3］等提出了将倾斜摄影与地面街景进行耦合来提高建模精度和仿真度的方法; 2016 年耿中元［4］ 提出了一种基于外部缓冲区和TIN 瓦片金字塔的数据融合新算法来解决倾斜摄影的三维模型与大场景地形相融合问题的方法等。
　　( 3) 建模的技术流程。各国先后出现了很多的影像建模软件，其中比较常用的有 Smart3D、PhotoScan、PhotoMesh、Pix4D 和DP-Smart 等。人们对于这些软件的使用也做了相关的研究。例如: 在2014 年以来，张骥［6］、陈兴芳［7］、张鑫鑫［8］和周杰［9］等采用Smart3D 软件分别对LeicaＲCD30、AMC580、A3 和SWDC-5 等航摄仪获取的地面倾斜数据进行实景建模的技术流程做了研究; 2015 年戴竹红［10］ 对Smart3D 建模过程做了系统的介绍; 在2016 年，赵宏［11］和刘尚蔚［12］分解就采用PhotoMesh 生产智慧城市5D 产品的工艺和PhotoScan 进行三维实景建模的流程进行了阐述。
　　( 4) 建模成果的精加工及应用。数据的生产是以应用为目的的，如何对初始建模成果进行有目的的精细加工显得尤为重要。2014 年沈大勇 等提出了一种空洞的自动提取和重构算法来修补模型空 洞; 2016 年沈大勇［14］研究了对悬浮模型进行检测、提取和剔除等技术对模型成果进行优化; 林晓鸿［15］ 提出了将小型部件建模应用与室内设计。
　　由于低空无人机倾斜摄影建模较为广阔的发展 前景，这促使人们对该种建模方式作了各类研究。然而，该种建模方式具有数据量大、影像倾角大、摄影死角和模型成果数据量大等一些特点。这就造成了在建模过程中常会出现运算速度慢、空三失败、模型修正困难和数据应用困难等问题。但是，之前类似的研究较少，所以本文将重点对建立Smart3D 工作集群、提高空三成功率、模型修正和成果网络发布等问题作一些探讨。
　　1.1 无人机飞行平台
　　无人机作为一个可搭载多种传感器的飞行平台，在测绘行业一般将其分为多旋翼、固定翼两种。多旋翼无人机具有操作简单、可垂直起降和定点悬停等特点。因此，该类无人机对于起降场地要求不高，常被应用于摄影和城市测绘等行业中，在测绘中常见的有大疆经纬M600、华测P700、南方的天行与天鹰系列和安尔康母的MD4-1000 等。固定翼无人机最为显著的特点是航时长和飞行速度快，可以进行长时间、大面积高空作业，作业效率较高。该种无人机常见的有南方的天巡系列、华测的P600 和北京天宇创通的TE15 等。因常规固定翼无人机对起降场地和飞行技能要求较高，为弥补其不足，人们将两类飞机的特点相结合开发出了如智能鸟KC 3400 和成都纵横CW-1C 等，可以垂直起降的无人机。
　　1.2 低空无人机倾斜摄影
　　目前，国内很多公司研发的倾斜云台，基本上都是由中心一个正射角度的相机，周围均匀分布几个具有一定倾斜角度的相机所构成。其中，最为典型的就是五镜头倾斜云台，在工作状态下，中间相机光轴垂直于水平面，四个方向上分别分布一个光轴与水平面成45 角的相机。这就满足了在无人机一次
　　飞行过程中，同时完成同一地物或特征点三张以上不同角度影像的覆盖。由于对同一地物获取的不同角度影像的覆盖度和重叠度越高，其解算的模型越精细，所以，获取实景三维建模数据时，会尽量增加飞行中影像的重叠度。但是，重叠度越高就意味着，增加了额外的工作量; 因此，考虑到效率和飞行器在飞行中的倾斜等问题，一般将航线设置为航向重叠度大于 80%，旁向重叠度大于 60%。
　　2   Smart3D 实景建模
　　2.1 技术路线
　　用Smart3D 在进行数据处理之前，需要将获取的航摄和像控测量数据按照规定的格式进行预处理，从而保证数据格式正确和资料完整。预处理后，将数据导入软件进行相应建模处理，其技术路线［16］ 如图1 所示。
　　图 1 总体技术路线
　　2.1 方案实施
　　2.1.1 工程准备
　　在工程构建中，所需要的原始数据主要包括足够重叠度的多视角影像数据、POS 数据和像控测量成果( 若有高精度的POS 数据，可免像控) 。对于多镜头倾斜云台获取的影像数据，需要根据不同视角的相机进行单独存储，所有数据的命名要具有唯一性且不能出现中文目录。对于一些对成果模型的空间位置没有要求的建模项目，其POS 数据和像控数据可以没有。有一点需要注意的是，飞行器直接导出的影像姿态数据常会存在一定的问题，不建议使用。
　　2.1.1 Smart3D 工作集群建立
　　为了提高数据的处理效率，在建立工程之前就需要先建立Smart3D 工作集群。工作集群的建立分为3 步: ①集群电脑连接入同一局域网; ②共享主机电脑中存放工程数据和位置的盘，并修改盘符M( 该盘符，不能与集群中其他电脑的盘符相同) ; ③在其他电脑中建立相应的M 盘的映射，并通过ContextCapture Settings 修改工作引擎的工作目录。接着，便可在M 盘中新建Smart3D 工程，创建Block，并在其中加载影像数据、POS 数据和像控数据。
　　2.1.1 空三加密
　　为了能够将无序的影像在空间中相互对齐并构建与真实状态下相接近的统一的空间模型，就需要对影像进行空三加密操作。该操作过程是倾斜摄影建模的核心步骤，其内部处理流程如图2 所示。当空三加密完成之后，其结算成果会在3D View 中进行可视化的显示，也可以将空三后的成果直接导出成XML 格式进行查看，如图3 所示。
　　图 2 空三加密过程
　　图 3 空三加密成果可视化
　　2.1.1 像控点加密
　　像控点加密主要有3 个作用: ①有利于空三加密过程中影像匹配的速度和精度; ②对空中三角测量成果进行控制加密; ③可以对建模成果起到坐标转换的作用。对于后者，需要在软件中预先具有像控点的投影文件，若没有的话要提前创建或导入。需要注意的是，像控刺点完成之后需再进行一次成功的空三加密处理。
　　2.1.1 模型构建
　　在进行该步骤之前，软件会根据计算机的性能将建模项目分割成若干个瓦片进行单独的重建。这样既解决了计算机性能的不足也可以便于集群运算的任务分配。
　　模型构建是依次按照密集点云生成、Tin 模型构建和纹理自动映射三个步骤来完成的。根据空中三角测量运算出的影像外方位元素，通过多视影像密集匹配可获得高密度的数字点云。密集点云数据量较大，需要先将数据分块后再进行不同层次细节度下的TIN 模型构建［17］; 再根据三角网所构成曲面的曲度变化对TIN 模型数据进行简化。将优化后的TIN 模型和纹理影像进行配准和贴图，且同时为带纹理的模型建立多细节、多层次的 LOD，便于对文件的组织结构进行优化，提高模型分层次浏览的效率。经过一系列处理之后可获得如图4 所示的三维场景模型。
　　图 4 场景模型视图
　　3   Smart3D 实景建模中存在的问题及建议
　　3.1 如何提高空三的成功率
　　在使用Smart3D 对多视角影像进行空三加密处理时，时常会出现解算不出正确结果的状况。尤其是在数据量大、重叠率低和影像质量差的情况下，常会出现加密点漂移( 如图5) ，从而造成空三加密失败。所以在每次进行完空三加密处理后，都必须进入3D View 观察其解算状况，只有解算成功方可进行下一步。
　　对于时常出现的空三加密失败的情况，可以采用一些处理方式予以改善。接下来将以5 镜头倾斜云台为例，简述其改善方法( 如图6 所示) 。
　　图 5 加密点漂移
　　图 6 空三加密处理流程
　　3.2 模型的修整
　　倾斜摄影实景三维建模的成果在俯视角度一般都能获得较好的视觉效果，但受到航摄盲区以及特征点匹配错误等影响，通过Smart3D 软件自动生成的三维模型会产生空洞区域。对于一些对模型质量要求较高的项目，就需要对初步形成的成果进行再加工以修复这些问题。Smart3D 软件提供的模型二次修复流程如下: Smart3D 创建初始模型( 一般为OBJ 格式)  第三方软件模型修整 导入Smart3D 软件进行纹理重新映射。
　　第三方修模软件自身功能对修复效果影响较大。常用修复软件有: 3DMax、Geomagic、Meshmixer、PhotoMesh 和ＲealityPaint 等。这些软件不仅可以对模型进行一些细微的修整，还可以对模型中部分区域进行曲面简化( 如图7 所示) 。
　　图 7 Meshmixer 修模前、后的对比图
　　但是，当模型的变形比较大时对模型简单的修整无法满足要求，就需要对其进行局部重建。采用DP-Modeler 可对Smart3D 生产项目直接导入进行相应的修整和必要重建。
　　3.2 成果的网络发布
　　模型场景的浏览、查询和测量服务是实景三维模型成果的一个重要应用，通过对成果及相关服务进行网络发布是实现这些应用的重要途径。
　　3.3.1 互联网发布
　　Wish3D 是互联网专用的实景三维模型数据发布工具，支持将OSGB 和OBJ 格式的数据压缩后进行网络上传和发布，并支持计算机端和手机移动端的登录浏览( 如图8 所示) 。除了浏览服务，还可以在该平台中编辑模型注记和设计浏览飞行路线。
　　图 8 Wish3D 移动端模型浏览
　　3.3.2 局域网发布
　　对于一些可能涉密的实景三维模型不宜对外公开发布的，就需要在局域网中进行数据的发布。目前专用的局域网数据发布平台基本都需要收费，对成果应用造成一定影响。下面介绍一种在内网中自由发布数据的方法。
　　场景模型的内网发布，需要满足两个条件: ①在构建模型时选择．3MX 作为模型导出格式且选择其＂Web 安全＂选项。②在局域网服务器上成功安装Nodejs 网络服务平台。Node． js 是一个基于 Chrome JavaScript 运行时建立的平台，用于方便地搭建响应速度快、易于扩展的网络应用。在此需要注意的是，正常情况下Nodejs 软件安装过程中是需要连外网 的。若要在局域网下安装，必须先找一个联网电脑 将 Nodejs 安装成功( 安装时需配置缓存和全局选项的目录) ; 接着将整个安装目录拷贝到内网服务器，根据联网电脑配置相关选项后即可安装。安装完成 后，通过cmd 进入3MX 数据的存放目录，采用＂http- server＂命令启动服务( 如图 9 所示) 。
　　图 9 3MX 格式场景模型局域网发布
　　4  结 语
　　低空无人机倾斜摄影实景三维建模相较于传统的建模方式，有着高效、高度自动化和高场景逼真度等诸多的优点。现已成为了摄影测量学科的一个新的重点发展方向。如今，该项技术已突破了单一数据源的限制，可以加入视频和扫描点云数据进行辅助建模，使建模成果获得了极大的改善，例如: 新版本的Smart3D 软件已加入了融合扫描点云共同建模的接口。
　　但是，该种建模成果还存在一定的不足: ①对于摄影死角和河流湖泊的建模常会出现空洞; ②模型成果的精度过度依赖于摄影质量，对设备要求很高，以至于作业中无人机无法较高飞行，飞行效率较低;③模型成果的数据量较大，对模型修正和应用都带来了诸多不便。当然，无论是硬件还是软件的不足，随着技术的进步都将会得以解决，该种建模方式是拥有着广阔的前景的。
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