牛 磊，谭文辉，邱健壮，张 峰

（1.泰山科技学院建筑工程学院，山东泰安271000；2.泰安市城市管理综合服务中心，山东泰安271000；3.山东农业大学信息科学与工程学院，泰安271000）

0 引言

实景三维中国建设是新型基础测绘的主要任务和成果形式，自然资源部指出自然资源登记系统要由二维系统变成三维系统，并提出推进三维实景数据库建设，推动建立三维立体自然资源“一张图”。传统的基于矢量数据人工三维建模技术精细度表现较好，但人工干预大，效率较低，成本高。随着无人机产业和倾斜摄影测量技术的快速发展，基于无人机的倾斜摄影建模方法成为研究和应用的热点。相对于传统的人工建模手段，无人机倾斜摄影测量建模具有低成本、高建模效率与高精度等特点［1-2］。无人机倾斜摄影测量建模能够获取物体侧面丰富的纹理和结构信息，成为实景三维建模的主流方法，目前已取得较好效果。然而，由于无人机飞行高度及空中摄影采集角度的局限，近地面及被遮挡区域会造成地物纹理结构信息丢失或不足，实景三维模型放大会出现拉花变形及破洞等现象［3］。因而，文章以山东省泰安市岱岳经济开发区为研究区域，探索基于无人机摄影测量数据的大范围实景建模方法，提出针对研究区不同地物的分等级修饰模型方法，提高了大范围实景三维建模效率和精细度，为实景三维建模提供了新的技术思路。

无人机是一种安装有自动驾驶仪和导航装备，可借助无线电遥控设备和程序控制装置，自主操纵无人驾驶航空器［4］。按照外形结构不同，无人机可分为三类：固定翼无人机、多旋翼无人机和复合翼无人机。固定翼无人机航飞速度快、续航时间长，在大范围作业中应用广泛。常见固定翼无人机有Ebee无人机、天狼星无人机等。多旋翼无人机对起降场地要求不高，操作灵活。常见的多旋翼无人机有大疆精灵无人机、哈瓦无人机等。复合翼无人机结合固定翼无人机和多旋翼无人机的特点研发而成，如南方的大鹏无人机［5］。

倾斜摄影测量技术是通过飞行平台搭载传感器，从垂直和倾斜多个角度进行拍摄，获取研究区的正射影像和倾斜影像。目前常用的航摄仪为五镜头，可获取包括下视、前视、后视、左视、右视5个角度的影像，并同时获取5个视角倾斜影像、下视影像的曝光点坐标、相机参数以及相机之间的相对位置关系［6］。利用三维建模软件处理摄影测量数据，基于多视角影像及其POS数据、姿态、相对位置关系进行自动空三加密，生产精准的三维点云数据，重构不规则三角网TIN，创建三维表面模型，并利用正射和倾斜影像纹理映射技术，建立区域实景三维模型［7］。倾斜摄影测量技术可以快速获取影像数据信息，降低了生产成本，提高了数据获取效率。使用倾斜摄影技术生产的实景三维模型，不仅能真实地还原地物纹理和色彩，形象地表现地形地貌特征，以及建筑物的细节，还可以提供准确的地理位置信息。因此，倾斜摄影测量建模技术在城市规划、灾害应急处理、工程建设、智慧城市等领域具有较好应用前景［8］。

1 研究数据与方法

1.1 研究区概况

该文研究区域位于山东省泰安市岱岳经济开发区，面积30 km2，地势整体比较平坦，局部地形有起伏，区域内既含平原、丘陵等多种地形，也含政府机关、学校、城镇小区、工厂等多类区域，给大规模人工精细建模带来了极大困难。该文研究区域范围如图1所示。

1.2 数据采集

研究区域面积较大，根据实地情况，利用主要道路进行分区规划航线。借助搭载5个索尼5100五镜头相机的哈瓦四轴八旋翼无人机，设置航高102 m、地面分辨率2 cm、航向重叠率80%，旁向重叠率80%，无人机飞行水平速度7 m/s，实现数据采集。

每天选择光照条件良好的时间航飞，每天航飞4架次。生成数据选用2000国家大地坐标系每隔150 m均匀布设像控点及一定数量的检查点。并在此基础上，针对重要建筑物侧面纹理遮挡情况，利用数码相机等其他终端设备进行实地补拍。

彩图1 研究区域Fig.1 Study area

1.3 研究方法

该研究首先基于哈瓦无人机，获取研究区倾斜测量影像数据，并通过数码相机等其他设备采集辅助影像；其次，通过集群工作站利用Smart3D软件建立原始的大范围实景三维模型；再次，针对地物的不同特征分为4个等级，采用DP－Modeler软件实现三维场景模型修饰及建筑物模型单体化，联动3DMax建模软件精细化建模；最后探讨了实景三维模型在智慧城市、灾害应急处理、城市规划和国土规划设计方面的应用。

1.3.1 Smart 3D三维实景建模

（1）建立工程

无人机倾斜摄影获取数据量大，传统的航空影像数据处理基于单机的串行处理和计算已远远不能满足其生产要求，集群式计算机并行处理技术可有效提高生产效率。采用工作集群，利用Smart 3D软件，实现三维实景建模。在Smart 3D软件中建立工程，创建新的区块，导入清晰的影像数据、正确的POS数据以及高精度的像控点数据。

（2）空中三角测量

Smart3D空中三角测量计算是以POS数据为初始外方位元素、共线方程为基础进行光束法区域网平差计算处理，提取倾斜影像的大量特征点，进行像对匹配和同名点的密集匹配，生成点云数据［9］。

该项目Smart3D软件生产数据时采用两次空三加密方法，首先导入无人机采集的影像数据和POS数据进行第一次空三加密，在第一次空三加密基础上，加入像控点信息，再次进行空三角加密处理。像控点数据不但可有效提高空三加密过程的影像匹配精度和效率，还可实现目标坐标系统的转换。

（3）三维实景建模

通过空三加密点云，构建不规则三角网TIN，生成无纹理模型；基于获取影像数据的纹理，生成“影像到模型”的纹理映射模型，从而生成实景三维模型［10］。空中三角测量完成后，切块分割实景模型，并将修饰后的实景模型，以OSGB、OBJ、S3C等格式输出，修饰后的三维模型如图2所示。

图2 实景三维模型Fig.2 Real 3Dmodel

1.3.2 精细模型处理

由于无人机飞行高度、空中摄影采集角度的局限及部分地物纹理特征点少，导致部分模型扭曲变形、结构缺失和模糊不清，无法自动获取高质量模型。该文采用分等分类精细化模型处理方法，综合应用图像建模系统DP－Modeler软件、3DMax建模软件和Photoshop图形软件进行处理。针对地物的不同特征，分为4个等级：一级模型主要为政府、机关学校、医院、大型产业园、古建筑、别墅等；二级模型主要为小区、工业园、小型产业园等；三级模型主要为厂区等；四级模型主要为城中村、农村宅基地等。

大范围实景三维场景模型主要应用DP-Modeler软件OBJ修饰、OSGB修饰功能对Tile的地面、道路、水面、漂浮物等地物进行修饰。对于水面、玻璃等光滑表面地物，由于匹配的特征点较少会造成模型纹理不均匀、甚至产生漏洞，可以通过DP-Modeler软件补洞功能，联动Photoshop软件修饰模型及其纹理。在建模过程中由于匹配特征点太少生成了不连续的悬空的漂浮物，通过DP-Modeler软件可以快速删除漂浮物。而针对部分凹凸不平的地面道路，也可通过DP-Modeler软件实现道路面踏平和纹理修饰，如图3所示。

图3 场景模型道路修饰Fig.3 Scenemodel road modification

建筑物模型采用DP-Modeler软件进行单体化模型处理。单体化就是将一片完整的区域模型划分为不同的特征实体，每个特征实体都是离散、同质、有明确边界的空间对象。可以对每个单体进行属性赋值，如名称信息、地址信息、房屋高度和层数等［11］。对于结构较为简单的三级模型、四级模型，可以直接使用DP-Modeler软件实现单体化模型处理，而对于结构较为复杂的一级模型、二级模型借助于DP-Modeler软件联动3DMax软件的功能，可以在3DMax软件中精细化建模修饰。处理方法为利用实景模型提供的实际尺寸和纹理特征，在3DMax软件中重建模型，然后借助Photoshop图形软件修饰图片，使图片与模型匹配完美，通过3DMax软件展UV的功能进行纹理映射贴图，在DP-Modeler软件删除或踏平实景模型，最后将3DMax软件中精细化模型导入DP-Modeler软件，实现精细化建模与修饰。如图4-5所示。

图4 建筑物模型单体化Fig.4 Building model monomer

图5 3DMax精细化建模Fig.5 3DMax finemodeling

2 实景三维模型应用

2.1 智慧城市应用

随着5G网络技术、云计算技术和物联网技术的不断发展，无人机倾斜摄影实景建模技术在智慧城市中应用更加广泛。由数字城市升级的智慧城市建设，对三维模型数据产生更高需求，三维模型数据为智慧城市建设提供了更为丰富的基础地理信息数据。

2.2 灾害应急处理应用

无人机倾斜摄影实景三维模型数据可以进行灾害调查、分析、地质灾害的预警，实景三维数据的真实性、直观性和精度高的特点，更利于灾害的应急救援的工作，为灾害应急处理提供了辅助决策的数据支持。无人机的灵活性、快速反应的能力在应急救援中也起到至关重要的作用［12］。

2.3 城市规划应用

实景三维模型是对真实三维场景的可视化表达，具有真实的几何信息、纹理信息和地理信息，基于三维实景模型进行虚拟规划，以可视化的方式从多角度直观展现规划效果，借助于平台系统可以通过光照分析、通视分析、距离高度分析等，为城市规划、新区建设、征地拆迁、三旧改造等项目提供辅助规划和决策支持，从而获得更适应环境的管理规划方案［13］。

2.4 国土规划设计应用

实景三维模型与国土规划设计结合应用，使传统的土地规划设计的二维数据升级为三维数据，更加直观、形象的展示规划成果，此外借助于平台的进一步开发，可以实现数据的量测、属性查询、编辑、共享等［14-15］。

3 结论与讨论

该文基于无人机倾斜摄影技术，结合Smart3D软件，实现了大范围三维实景模型的构建，并通过DP－Modeler软件和3DMax建模软件，完成三维模型的分等级精细化处理，为大范围实景三维建模提供了新的思路与解决方案，为智慧城市建设、灾害应急处理、城市规划、国土规划设计等领域提供了数据支撑与技术支持。随着空地一体化数据采集、处理技术发展和新型数据采集装备的研发，将不断提高影像数据的采集效率和构建大范围精细化实景三维模型的作业效率，促进实景三维中国的建设，并在国民经济建设中发挥重要作用。