实景三维建模技术及应用分析
摘要：实景三维模型能够直观、准确、清晰地展示地物、地貌信息，通常具有可测量的属性，从而为城乡规划、不动产管理、工程建设、文物保护、违建查巡等各行业工作开展提供依据。实景三维模型的表达效果和数学精度通常取决于其数据源的获取方式及数据的处理方式。本文主要探讨实景三维建模的关键技术及其主要应用场景。
关键词：倾斜摄影；三维建模；无人机；摄影测量 引言
传统三维建模以平面图、剖面图及立面图作为参考，用3DSMax、MAYA、SketchUp等建模软件，根据个人经验从基础的三维几何体开始制作模型，不断调整细化，最终做出目标形态，这种方式存在许多局限：（1）建模效率低。建模人员需要先读图，了解目标的整体以及细部结构，然后再根据对物体逐个建模。（2）对建模人员的要求较高。建模人员对建模软件非常的熟悉，需要大量训练。（3）人工建模缺乏细节与地理定位。因此亟需找到新型建模方式。
实景三维建模是近些年出现的新技术，早期通过地面设站获取连续的照片或者激光点云，然后通过后处理软件，自动、半自动生成表面模型。一般只能模拟较小的场景，常用于文物、古迹保护建模。倾斜摄影航空测量的出现，解决了传统摄影测量只能垂直观测的缺陷，通过摇摆镜头或者多个镜头能获取地物地貌主要的侧面纹理信息，然后经过空中三角测量与三维重建生成实景三维模型，能获取大范围场景三维模型，常用于城市建设、地籍管理等方面。
倾斜航空摄影平台有载人飞机、直升机、固定翼无人机、动力三角翼、旋翼无人机等，除旋翼无人机外，其它飞行平台速度快，航高大，获取影像分辨率不是特别高，通常用于地形级三维建模，勉强能用于城市级三维建模。这里主要探讨旋翼无人机的实景三维建模技术及其应用。
1 倾斜摄影测量建模流程
倾斜三维建模主要步骤包括：倾斜航空摄影、控制测量、空三处理、三维建模、模型编辑等步骤。
(1)倾斜航空摄影包含以下内容：无人机及相机选择，常用无人机品牌为大疆、飞马、成都纵横等，5镜头相机主要有赛尔、睿博等品牌，硬件的智能化与集成度较高。航线需要根据地形及地物高度设计，如地形起伏较大，需要设计仿地航线，有较高的建筑物或构筑物，需要立体环绕飞行或多次分层飞行。同时，不同于垂直航空摄影，倾斜航空摄影为了保持建模范围最外围建筑物与构筑物的建模完整，需要外扩较大的范围，如果相机倾斜角度为45度，则需要外扩一倍航高的距离。
(2)控制测量：无人机大多配备机载RTK，像控点数量不必太多，目前有些关于倾斜像控布设对成图精度影响的研究，根据经验，1～2万个像素的像控间距较合适。
(3)空三解算及建模：为获取相机内、外方位元素，需要进行空三解算。目前许多国产软件支持大范围倾斜影像统一解算及建模，如Smart3D、Mirauge3D、建模大师、大疆制图等，可靠性稳定性均较高，128GB内存的电脑能解算不少于10万张影像。国外的建模软件主要是ContextCapture与PhotoMesh。
(4)模型修编：自动生产的三维模型常有各种不完善，如水面破洞、墙面破洞、移动物体破损、地面不平、纹理缺陷等，修补这些缺陷的工具有DpModeler、ModelFun、SVS MeshEditor。
2倾斜摄影测量关键技术 2.1影像的获取
倾斜航空摄影最突出的弊端是纹理容易被遮挡，比如街道两旁的行树容易遮挡建筑底层的立面，狭窄街道底部由于成像角度的原因无法获取纹理，房檐、雨搭下的纹理无法获取等，通常需要空地一体摄影，如通过街景车、手持相机、无人机定点拍摄航摄等方式补充被遮挡的纹理。倾斜摄影另一个弊端是分辨率不一
致，视线距离越远，分辨率越低，表现为建筑物或者构筑物分辨率底部明显比顶部差，同样需要补充底部纹理。
2.2影像匹配与空三计算
倾斜影像相较于垂直摄影的影像具有倾斜角大、比例尺变化大、畸变大、光照变化大等特点，灰度匹配效果不佳，故影像匹配算法需要有在平移、旋转、尺度与光照不变形的特性，如MSER算法、SURF算法及SIFT算法及相应的变种算法，实际匹配过程中或许用到多种算法的组合，空三解算通常用SFM算法，也有部分软件提供GNSS辅助空三解算。
2.3三维重建
三维重建指将一系列影像通过计算机视觉方法处理后获取物体三维模型。三维重建需要进行逐像素匹配，常用算法有MVS（多视三维重建）及MVSNet（深度重建）。MVS算法能从一系列影像或者视频文件重建三维模型，工作流程是：影像采集，位置计算，模型重建，纹理贴图。MVSNet算法在深度图的基础上重建，并考虑图片间的整体关系。仅通过像片进行三维重建可能结果不完整，可以引入激光点云及其它地面辅助数据，故多源数据融合建模也是研究热点。
2.4模型修饰及单体化
模型修饰主要工作是漏洞补充、地面平整、立面平整、移动物体清除、纹理映射、纹理修改等，很多修模软件集成PhotoShop，有效提高纹理处理效率；有修模软件把多个步骤集合成一个步骤，如ModelFun水面平整，能解决一些较繁琐的问题。修饰后的模型提供准确清晰的场景，能作为三维应用的背景。实际应用中可能需要对三维实体进行管理，则需将模型进行单体化，目前上述修模软件都具有手工单体化的功能，并且集成了3DSMax，能对复杂物体建模。一些三维GIS系统提供自动单体化功能，如超图提供动态单体化及中地数码的MapGIS提供切割单体化。
3实景三维建模的应用
实景三维建模可广泛应用于智慧城市的建设、智慧文旅、智慧交通、智慧住建、智慧应急等，以下列举部分实例。
3.1文物保护中的应用
倾斜航空摄影采用非接触地物的方式获取数据源，适用于文物、古迹保护测量。文物古迹需要精细化建模，要求较高影像分辨率。除常规航线倾斜摄影，还需要立体环绕摄影，并结合地面补拍，空三与重建过程中需融合各种测量成果，甚至需融合激光扫描数据才能完美恢复文物古迹外貌，大势智慧在“智慧文博”方面有较多实景三维建模的应用案例。
3.2城市规划中的应用
城市规划需要大量地理信息，传统测绘“先内后外”、“内外业一体化”周期均较长，尤其外业工作量大，精度难以保证。三维模型可以直接获取地物准确平面位置，地貌高程信息，能在较短周期内提供DLG、DEM、DEOM、TDOM等测绘产品。实景三维模型可用于规划方案比较，日照分析，洪水淹没分析，视线分析，天际线分析；在施工中可监控项目进度，可进行土方测量，面积测量；结合三维GIS系统，为智慧城市建设提供关键数据支撑；结合BIM，实现建筑的全方位立体可视化管理。
3.3不动产管理中的应用
实景三维模型与三维GIS结合，在城镇地籍管理中有较多应用。首先将三维模型进行单体化，通常进行动态单体化。此法并非物理切割单体化，而是通过矢量叠加动态渲染分层分户的单体化效果，无需预处理，GIS功能支持较好。如果对展示效果要求较高，可踏平原实景三维模型中的房屋，并人工单体化，也可根据需求重新制作广告牌、树木等自动建模容易破损的地物，如此形成的场景比传统建模更真实，测量精度更高。
4 结论
综上所述，无人机倾斜航空摄影是实景三维建模数据源获取的一种关键方式，在对影像进行空三加密、三维重建及模型修编后，可高效获取真实的高精度的三
维模型。实景三维模型结合三维GIS及BIM等信息系统，可广泛应用于城建、文旅、交通、应急等领域，为数字中国建设提供重要的数据支撑。
参考文献
[1]杨福秋,潘宝昌,辛晓东,等.大场景实景三维模型精细化生产与单体化研究[J].测绘与空间地理信息,2019,42(5):199-201.
[2]林万荣.倾斜摄影实景三维建模技术及其应用现状分析[J].测绘与空间地理信息,2021,45(01):209-211.
[3]范伦.无人机倾斜摄影三维建模技术及认识[J].测绘与空间地理信息,2021,44(12):183-186.
[4]刘光鑫,虞列沛,贺培. 基于倾斜摄影测量城市级实景三维建设关键技术研究[J]. 经纬天地,2022(5):42-45.
[5]蒋玉,尹可鸿,左琳,等. 倾斜摄影技术与BIM共建数字城市的应用研究[J]. 山西建筑,2021,47(16):168-170.
[6]陆金平. 倾斜摄影测量三维重建在城市规划管理中的运用[J]. 城市建筑,2020,17(35):58-60.
