王玉 徐国栋 李亚斌

摘  要：传统手工方式建模消耗时间长、人力投入大、生产周期长，但建出模型的精细程度较高，模型数据量可控。相对于手工方式建模，无人机三维建模的优势在于耗时较短、人力投入较小，但模型精细程度相对较低，且模型数据量较大，在某些时候不能满足使用者的需求。文中将这两种建模方式相结合，提出基于无人机倾斜摄影的三维模型手工修正方法，在提高模型精细程度的同时，又可以缩减模型数据量，从而提高了模型的普适性。

关键词：无人机；三维建模；手工建模；模型修正

中图分类号：TP39；P231    文献标识码：A  文章編号：2096-4706（2023）02-0134-04

Manual Modification of 3D Modeling Based on UAV Tilt Photography

WANG Yu1，2， XU Guodong1， LI Yabin2，3

（1.Southwest Forestry University， Kunming  650224， China; 2.Qingdao Institute of Shipping Development， Qingdao  266200， China;

3.China Waterborne Transport Research Institute， Beijing  100088， China）

Abstract： Traditional manual modeling takes a long time， requires a large amount of manpower， and requires a long production cycle. However， the precision of the model is high， and the model data volume is controllable. Compared with manual modeling， UAV 3D modeling has the advantages of shorter time consumption and less manpower investment， but the model is relatively low in refinement and has a large amount of model data， which can not meet the needs of users in some cases. Combining these two modeling methods， this paper proposes a manual correction method of 3D model based on UAV tilt photography， which can improve the precision of the model and reduce the amount of model data， thus improving the universality of the model.

Keywords： UAV; 3D modeling; manual modeling; model correction

0  引   言

由于近些年来无人机倾斜摄影测量三维建模技术的发展，使其在智慧城市、智慧旅游、城市规划、农业水利等许多领域得到广泛应用。梁静等人通过对传统手工三维建模与无人机倾斜摄影三维建模的对比分析发现影像质量和POS数据会影响空三结果，造成模型空洞、结构错误、单体化困难等问题。虽然无人机三维建模耗时短、效率高，可以实现场景快速建模，但因无人机飞行高度、拍摄方式、相机性能等因素的影响，会导致模型的精细程度较差。虽然手工建模要比无人机三维建模的模型精细程度高，但耗费的时间也相对较长。由于无人机三维建模在某些领域无法满足其需求且传统手工建模费时费力，效率低下。因此，通过结合以上两种建模方式，对无人机建模模型加以手工修正，从而满足某些使用者的使用需求。

1  无人机倾斜摄影三维建模技术

在科学技术不断发展的今天，发展迅速的无人机倾斜摄影三维建模技术，是一项颠覆产业变革的新兴测绘技术，无人机倾斜摄影三维建模技术和模式的创新为测绘地理信息产业提供了新思路和新方法，将成为未来广泛应用于测绘和三维建模的方法。无人机倾斜摄影三维建模技术主要是由“无人机”“倾斜摄影”和“三维建模”组合而成。该项技术以“无人机”为载荷平台，通过“倾斜摄影”的方式获取影像数据，影像数据再经由计算机进行处理后生成“三维模型”。

无人机倾斜摄影三维建模技术中仍然存在着一些技术难题，其中一些影响建模效果的因素在实际工作中也无法避免。此次航拍建模地点为长江上游某港口，此港区拥有散货堆场、集装箱堆场、商品滚装车堆场若干以及多条公路铁路错综复杂。港区内建筑物众多，大量集装箱且摆放凹凸不平，车辆多等因素都会影响最终模型生成效果。

1.1.  环境因素

无人机倾斜摄影三维建模技术会受到环境因素的影响，导致模型结构缺失、结构变形、纹理失真等问题。下面简单介绍其受影响的因素以及影响的结果：

（1）平静的水面、细小结构、镂空的物体等，会导致模型表面产生破洞、结构缺失。

（2）玻璃、镜面反光物体、大面积单一纹理的建筑等，会导致模型结构错误、变形。

（3）建筑物凹凸结构、集装箱堆场凹凸不平，会导致模型遮挡、结构错误、结构黏连。

（4）随风晃动的树木、灌木丛等，会产生模型缺失、模型黏连、树木悬空。

（5）物体移动、影像分辨率低、影像覆盖率不足，会导致的结构变形和纹理失真。

此外，天气变化等因素也会影响航拍的质量效果。

1.2  飞行因素

在使用无人机航拍摄影时，可以设置无人机飞行线路进行自动采集数据。自动飞行数据采集具有效率高，操作简单等特点。在影像数据拍摄过程中，无人机的飞行高度对倾斜摄影拍摄的数据精度具有直接影响，其间接地影响到所生成三维模型的精度。所以，为了保证影像数据以及三维模型的精度，在正式拍摄前，要通过实验来确定无人机最佳拍摄高度。影像地面分辨率（GSD）是影像中一个像素所表达的地表实际距离，由无人机的航高和相机的参数共同决定。其中，相机的焦距、GSD等参数都是固定的，因此在航测时只能通过调节无人机的飞行高度来达到最理想的影像分辨率。

除以上场景外，航飞作业参数设置、航飞光影条件、数据采集设备、建模软件等因素也很容易导致建筑物出现重影、拉花、融化、光影斑驳、建筑错位、变形、黏连等问题。

2  模型手工修正

2.1  模型手工修正的必要性

当某些外部因素影响无人机倾斜摄影时，例如：空域限制导致无人机飞行高度较高、飞行区域障碍物限制等。导致拍摄的影像数据精度不够进而生成的三维模型精细程度较低，这样的模型是无法进行地面沉浸式漫游式模拟的。或者由于无人机倾斜摄影三维建模生成的模型数据量较大，某些模拟器无法流畅运行。此时的三维模型就无法满足需求。因此我们必须对模型加以手工修正，提高模型的精细程度，或者缩小模型的数据量，使其可以满足某些使用者的需求。

2.2  修正方法

本次使用的无人机航拍模型为某港口三维模型。由于港口空域限制，无人机飞行高度较高，拍摄照片清晰度不够等因素影响，自动建模构建不规则三角网时，墙体可能会出现凹凸不平的情况，无树干的树冠以及路灯、电杆扭曲破碎等现象。此模型作为三维场景漫游模拟时无法满足使用需求，但三维地形的地势地貌还原度很好，可以使用。所以只需要修正质量较低的建筑物、路灯以及电线杆等模型，保留原三维模型的地势地貌等环境元素。

本次模型修正使用到Presagis Creator软件（以下简称为Creator）以及3DMax软件。Creator软件是由加拿大Presagis公司开发的新一代实时仿真建模工具，该软件的前身是由美国Multigen-Paradigm公司开发的Multigen Creator系列软件，而后被Presagis公司收购。Creator软件拥有针对实时应用优化的OpenFlight数据格式，强大的多边形建模、矢量建模、大面积地形精确生成功能，以及多种专业选项及插件，能高效、最优化地生成實时三维（RT3D）数据库，并与后续的实时仿真软件紧密结合，在视景仿真、模拟训练、城市仿真、交互式游戏及工程应用、科学可视化等实时仿真领域有着世界领先的地位。为了方便演示具体的修正方法，以及修正后模型的对比展示，本次修正方法的介绍使用了Creator软件，使用其他三维建模软件按照此修正方法均可进行模型修正。

具体修正方法如下：

（1）在原场景中根据需要修改的模型大小，确定所要建设模型长、宽、高的基本尺寸。再根据现场调研，拍摄的照片等信息建设出该模型。如图1、图2所示。

（2）将Creator切换至面模式，然后适当选中原模型中需要替换的建筑模型并删除。此步骤操作是为了方便后续操作步骤，提前删除部分多余面片，提高后续工作效率。如图3、图4所示。

（3）使用Creator中的Bolldoze工具将凹凸不平的地面碾平，将地面碾平后使用Slice工具切割出替换区域，并删除掉切割下的面片。如图5所示。

（4）将地面补充完整贴上对应纹理，然后将修正后的模型安放在替换区域，至此模型修正工作全部完成。图6为模型修正后的效果。

由于自动建模生成的模型由TIN不规则三角网构成，模型元素之间相连紧密，无明显交界。故在模型修正时，需考虑以下几点：

（1）新模型与原模型衔接时、避免出现破洞、面片重合等。旧模型移除时尽量使切口保持光滑直线，便于新模型的衔接。

（2）新模型与原模型的纹理衔接时，避免出现纹理对接错误、导致纹理失真等问题。当衔接区域较大，纹理衔接困难时，可以考虑将整体对接面分割成多个区域，再进行纹理对接，这样可以使得纹理对接多次过渡，模型表现更加真实。

（3）当建筑模型与周围树木黏连时，需考虑建筑模型替换后周围树木绿化的破洞修补。避免树木绿化等与建筑重合，造成面片闪烁。

（4）大面积地面进行修正时，需考虑地面坡度，避免替换后地面出现阶梯状。

（5）有坡度地面进行修正时，建议分为多个小区域进行多次修正，将坡度进行平滑处理。

在新模型建造时，如遇到较复杂的模型，推荐使用3D Max进行建模。3D Max具有非常强大的点、线、面、几何体编辑功能，如编辑网格、放样、NURBS曲面、布尔运算等功能，适用于建立精细对象模型。

2.3  修正前后模型对比

图7、图8为检查站模型，修正前该检查站模型结构不清，纹理失真，模型还原度极差，模型的三角面数量为5 730个。经过手工修正后，该模型结构清晰，纹理真实，仿真效果极高，且模型的三角面数量减少至1 811个。经过对比，仅此一个检查站模型的三角面数量就减少了64%。因总模型面积过大，将总模型分割为多个区域模型分别进行处理，表1仅展示出部分模型修改前后数据量信息，由表1中的信息可以看出，经过修正后模型的数据量显著降低，而整个港区近4平方千米三维模型的总数据量降低了近30%，并且模型的还原度更加真实，在模拟器中模型的加载时间显著提高，运行更加流畅。

使用此种方式修正模型所消耗的人力与时间，与传统手工建模相比具有非常大的优势。大大提高了生产效率，节省了成本，保证了质量。

因无人机倾斜摄影建模的模型中水平地面也是由TIN不规则三角网构成，所以也可以对水平地面进行适当手工修正工作，删除原有不规则三角网构成的路面重新建立，这样也可以减小模型的数据量。

3  结  论

人工大场景建模容易出现环境还原度低，现实感差、纹理失真等问题，尤其利用传统手工制作的三维模型周期很长，大规模生产不易实现，也不符合自动化、智能化的生产需求。无人机倾斜摄影三维建模可以很好地解决这一问题，但某些时候其建造的模型数据量太大，不符合系统轻量化的要求，建筑模型真实度较低，无法进行近距离视角漫游模拟。这时我们可以对无人机倾斜摄影建出的模型进行手工修正，这样不仅可以提高模型的精细程度，提高仿真效果，还能减少模型的数据量，提高程序的运行效率。同时相比传统手工建模又提高了生产效率，节约了成本。

当前对于模型的修正只能进行手工建模而后进行手工替换，手工替换的过程又存在模型间契合度的问题，模型之间的衔接是否存在漏洞，模型间的纹理是否完美契合等問题。这些问题还有待我们去研究解决。如果可以将模型替换的过程交由计算机进行处理，那样可以极大地缩短生产周期，模型间契合度的问题也将迎刃而解。

参考文献：

[1] 梁静，李永利，戴晓琴，等.基于无人机倾斜影像的数字校园三维重建 [J].测绘与空间地理信息，2018，41（8）：139-141+145.

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[4] 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.

[5] 张号，王炜，邓强，等.倾斜摄影实景三维模型质量评价 [J].北京测绘，2020，34（1）：56-60.

作者简介：王玉（1992.11—），男，满族，辽宁开原人，硕士研究生在读，研究方向：数字化设计与仿真、智能航运；通讯作者：李亚斌（1977.05—），男，汉族，辽宁铁岭人，副研究员，博士学位，研究方向：水运安全、智能航运。

收稿日期：2022-09-19