倪少华，姜志哲，徐庆

(1.秦皇岛市城市规划管理信息中心，河北 秦皇岛 066001；2.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，陕西 西安 710065； 3.常州市测绘院，江苏 常州 213002)

1 前 言

倾斜摄影测量三维建模技术是测绘遥感领域近些年发展起来的一项高新技术，实现了城市三维建模由“假三维”变成“真三维”。它以大范围、高精度、高清晰的方式全面感知复杂场景，通过高效的数据采集设备及专业的数据处理软件生成数据成果，直观地反映了地物的外观、位置、高度等信息，为真实效果和测绘精度提供保证。具有建模成本低、周期短、数据量小等优点，是城市实景三维建模的主流技术。

倾斜摄影三维建模虽然有诸多优势，但作为近年来的一项新兴技术，在实际的生产应用中也存在一些问题。例如，由于航摄盲区造成三维模型会存在空洞区域，尤其是水面区域；空三阶段，因像片及POS参数的质量问题，会出现匹配错误以及点位不足等情况，导致三维模型的空洞；还有三维场景中存在悬浮的植被、灯杆等；这些问题都需要后期通过手动修补优化，才能满足精细化三维建模的需求。

本文就利用倾斜摄影测量三维建模技术开展了秦皇岛市主城区 1∶1 000城市实景三维模型数据采集实践和分析，对倾斜摄影三维建模数据生产和后期处理有一定的参考意义和实用价值。

2 项目实施

2.1 任务概况

为满足秦皇岛市基础测绘、城市规划、建设、管理和国土资源调查需要，秦皇岛市开展了建成区 1∶1 000城市实景三维模型数据生产及建库工作。本项目实施区域为秦皇岛市，位于华北与东北过渡地带、河北省的东北部，实测范围涵盖了北戴河区、海港区、山海区，建筑物密集，充分反映了秦皇岛市整体城市面貌。本项目设计实施区域为 95 km，实际航摄建模区域面积为 99 km，具体航摄范围如图1所示。

图1 航摄范围图

根据本项目生产1∶1 000城市三维模型数据的特点，属于大比例尺数据的采集，因此选用运-5运输机作为飞行平台。航摄任务使用RCD30倾斜相机作为倾斜摄影系统，它是适用于全景相机和遥感应用中唯一的中幅面相机。RCD30数字航空倾斜摄影仪区别于传统的竖直航摄，除一个子相机获取正下方影像外，还可同时从前后左右4个方向以45°倾斜角度对地面进行拍摄，得到被拍摄物的多视角影像、建筑物墙体真实纹理，可广泛用于数字城市、数字地球、智慧城市等的基础地理空间框架建设。此外，徕卡RCD30还配备了完整的数据后处理软件，能高效完成最终产品提交。

2.2 机载POS系统及飞行管理系统

项目采用机载POS——惯性定位及定向系统(IMU、GPS组合系统)(POS AV 510)为航空数字摄影系统提供机载POS系统服务功能。机载POS AV 510系统是Applanix公司制造的惯性定位定向系统，利用该系统降低了空三加密的需要，减少对地面控制点的需求，方便了数据生产质量的控制。它能够直接获取航空摄影测量数据的外定向元素，高速和高精度处理定位、速度、俯仰、滚动和偏流数据，为航空数据生产极大地节约了时间和成本，提高了项目的运行效率。

2.3 空中三角测量

本项目空三加密处理采用Leica研发的LeicaPostProcessing软件对原始影像数据进行辐射校正，然后采用空中三角测量软件进行空三加密。

(1)主要技术指标

①平面位置中误差：内业加密点和地物点，相对于最近野外控制点的图上点位中误差如表1所示。

加密点对最近野外控制点平面位置中误差 表1

②高程中误差：内业加密点、高程注记点和等高线对最近野外控制点的高程中误差不得大于表2规定。

加密点对最近野外控制点高程中误差 表2

以上中误差的两倍为限差。

通过空三加密过程，对于内业检核无误的外业像控成果，直接使用外业测量数据提供下工序使用。

(2)空三加密工作流程

采用Z/I ImageStation Automatic Triangulation 5.1空三加密的工作流程如图2所示。

本项目采用地面控制点与POS系统获取的EO(外方位元素)，通过光束法区域网整体联合平差得到空三加密成果，使得平均每立体像对的加密点都约为20个，分别按1个空三分区进行联合平差。平差统计的平面和高程精度如表3所示。

图2 空三加密流程图

空三精度验证简要描述 表3

检查点及像控点位置、基线数满足要求。像控点刺点位置与实测位置一致。检查GPS测量像控点精度，符合像控点测量成果资料的检查要求。

2.4 自动建模

三维建模数据处理过程包括平差点提取、平差处理、三维模型构建、数据格式转换等。数据处理用到的输入数据包括原始航飞影像、影像的外方位元素、相机参数、控制点数据、测区边界等。平差处理的主要目的是实现所有图像数据的绝对定向，建立绝对位置关系，为三维建模提供绝对定向参数。经过空三加密后获取了大量高密度的点云数据，对数据进行切块分割，对分割的区块内的密集点云构建不规则三角网TIN，并生成无纹理的城市实景三维模型(即白模)。基于Smart3D强大的纹理映射算法对每个模型的三角面自动赋予纹理，效果如图3～图5所示。

图3 TIN网构建图

图4 白模三维模型图

图5 纹理贴图后的三维模型图

3 模型后期修复

受分辨率、视线遮挡、目标运动、建筑物结构特殊性、弱纹理等因素的影响，导致三维模型成果中出现3D漏洞、模型扭曲、纹理缺失、模型粘连、孤立悬浮物等质量问题，影响实景三维模型的浏览效果，这些问题都需要手动修补优化，才能满足精细化三维建模的需求。模型后期处理软件主要包括3ds Max、Geomagics、Meshmixer等，本文主要讨论利用3ds Max软件进行模型二次修复的方法。

3.1 模型问题分类

因本项目建模区域大，必须依据模型所在区域的位置及模型类型，准确定义模型错误的分类及处理办法，针对模型数据实际存在的贴图模糊、扭曲，结构错误、空洞、粘连等情况，将模型存在问题主要分为以下几种，如图6～图9所示。

图6 贴图模糊

图7 结构破损

图8 漂浮物

图9 模型空洞

3.2 模型修改流程

3.2.1 将obj格式的三维数据导入3ds Max中

将obj文件导入3ds Max中有两种方式，一是单个文件导入，二是批量文件导入。

(1)单个文件导入方式

①启动3ds Max程序后，点file——import，打开导入文件对话框，按照顺序依次导入obj文件。

②导入文件参数设置

取消勾选Rotate model，保证模型Y轴不反转；取消勾选Unify，保证模型法线正确；其他为默认勾选状态。

(2)批量文件导入方式

①启动3ds Max程序后，点MAXScript → New Script，打开的编辑器中输入一段代码(从略)修改obj文件存放路径；

②ctrl+s保存该script文件并命名为obj.ms；

③点击MAXScript → Run Script，选择保存的obj.ms文件，点击Open即可。

3.2.2 瓦片数据编辑

通过3ds Max软件的点线面编辑工具，对模型的缺失进行修补，凹凸不平进行拉平，冗余进行删除。

(1)漂浮物及冗余删除

首先在max里将模型转换成线框模式，在多边形网格层级选中顶点或面片层级，选中冗余部分进行删除即可。

(2)凹凸及粘连拉平

首先在顶点级别选中需要处理的所有顶点，然后点Weld面板上的Collapse(塌陷)命令，将其变成一个顶点，其次修改顶点高度与地面高度相符合，最后切换到顶视图，移动顶点到合适的位置即可。

3.3 模型修改前后效果对比

利用上述方法对模型存在问题进行修复，处理后模型前后对比效果如图10～图13所示。

图10 漂浮物处理

图11模型空洞处理

图12 建筑破损处理

图13 模型贴图模糊处理

4 结 论

本文根据秦皇岛市1∶1 000倾斜摄影实景三维建模项目，利用倾斜摄影测量技术，总结了生产城市实景三维模型数据的实施方案，在实现建筑物的正射影像与其立面纹理的结合，高效快速的三维建模以及用手工方式对模型进行修补优化以精细化三维建模等方面进行了讨论。指出倾斜摄影技术建模能大大降低城市三维实景模型数据采集的时间和费用，具有很好的应用前景。