工具軟件：

1、傾斜實(shí)景三維建模軟件：CC(Smart3D)軟件

2、實(shí)景三維模型網(wǎng)頁在線發(fā)布展示、分享平臺(tái)：圖新地球網(wǎng)頁端（Wish3D·Earth平臺(tái)）

圖新地球網(wǎng)頁端（Wish3D·Earth平臺(tái)）是基于 WebGL技術(shù)研發(fā)的國產(chǎn)實(shí)景三維模型Web端發(fā)布展示平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)TB級(jí)傾斜實(shí)景三維數(shù)據(jù)快速加載，支持多種格式的三維模型，如OSGB實(shí)景模型、OBJ人工模型、SKP人工模型、RVT格式BIM模型等，同時(shí)支持模型單體化、三維模型測量分析、水面特效、日照分析等特殊效果呈現(xiàn)，此外也可以根據(jù)您的需要進(jìn)行本地化部署級(jí)功能定制。

1引言

隨著無人機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展及民用化程度不斷提高，無人機(jī)相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域的技術(shù)研究也在不斷拓展。低空無人機(jī)測繪就是近些年來快速發(fā)展的一個(gè)較為活躍的研究領(lǐng)域。無人機(jī)作為一個(gè)方便、高效和低成本的飛行平臺(tái)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)航測成本高、飛行窗口要求高、生產(chǎn)組織困難等諸多不足。

低空飛行平臺(tái)搭載多種航攝傳感器后可獲取地面影像或掃描 點(diǎn)云數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)不僅可以進(jìn)行正射影像制作、多光譜影像分析和數(shù)字線劃圖生產(chǎn)等傳統(tǒng)二維的測繪 工作，還可進(jìn)行快速實(shí)景三維建模，并且該種建模方 式有著人工干預(yù)少、效率高和模型場景逼真度高等諸多優(yōu)點(diǎn)。

然而，傳統(tǒng)的建模方式需要用到地形圖、高程和紋理貼圖等大量數(shù)據(jù)，工作量較大。所以，傾斜攝影實(shí)景三維建模方式一經(jīng)推出就引起了人們的 高度重視。近些年來，人們對(duì)于該種建模方式做了大量的研究，其重點(diǎn)表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:

( 1) 數(shù)據(jù)源獲取設(shè)備的研制。國外較早研制成功的航攝儀有德國的Penta-DigiCam 系統(tǒng)、美國的AOS 系統(tǒng)和以色列的A3 系統(tǒng)等; 隨后，國內(nèi)相繼研發(fā)了??SWDC-5［1-2］、AMC580、TOPDC-5、雙魚傾斜相機(jī)I 代和DM5-2010 系統(tǒng)等。

( 2) 多源數(shù)據(jù)聯(lián)合建模。為改善航攝系統(tǒng)的成果缺陷，人們也開始尋找將傾斜數(shù)據(jù)與其他數(shù)據(jù)源進(jìn)行結(jié)合來提高建模的精度的方法，如: 2015 年宋文平［3］等提出了將傾斜攝影與地面街景進(jìn)行耦合來提高建模精度和仿真度的方法; 2016 年耿中元［4］ 提出了一種基于外部緩沖區(qū)和TIN 瓦片金字塔的數(shù)據(jù)融合新算法來解決傾斜攝影的三維模型與大場景地形相融合問題的方法等。

( 3) 建模的技術(shù)流程。各國先后出現(xiàn)了很多的影像建模軟件，其中比較常用的有 Smart3D、PhotoScan、PhotoMesh、Pix4D 和DP-Smart 等。人們對(duì)于這些軟件的使用也做了相關(guān)的研究。例如: 在2014 年以來，張?bào)K［6］、陳興芳［7］、張鑫鑫［8］和周杰［9］等采用Smart3D?軟件分別對(duì)LeicaＲCD30、AMC580、A3?和SWDC-5?等航攝儀獲取的地面傾斜數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)景建模的技術(shù)流程做了研究; 2015?年戴竹紅［10］?對(duì)Smart3D?建模過程做了系統(tǒng)的介紹; 在2016?年，趙宏［11］和劉尚蔚［12］分解就采用PhotoMesh?生產(chǎn)智慧城市5D?產(chǎn)品的工藝和PhotoScan?進(jìn)行三維實(shí)景建模的流程進(jìn)行了闡述。

( 4) 建模成果的精加工及應(yīng)用。數(shù)據(jù)的生產(chǎn)是以應(yīng)用為目的的，如何對(duì)初始建模成果進(jìn)行有目的的精細(xì)加工顯得尤為重要。2014?年沈大勇 等提出了一種空洞的自動(dòng)提取和重構(gòu)算法來修補(bǔ)模型空 洞; 2016?年沈大勇［14］研究了對(duì)懸浮模型進(jìn)行檢測、提取和剔除等技術(shù)對(duì)模型成果進(jìn)行優(yōu)化; ?林曉鴻［15］?提出了將小型部件建模應(yīng)用與室內(nèi)設(shè)計(jì)。

由于低空無人機(jī)傾斜攝影建模較為廣闊的發(fā)展 前景，這促使人們對(duì)該種建模方式作了各類研究。然而，該種建模方式具有數(shù)據(jù)量大、影像傾角大、攝影死角和模型成果數(shù)據(jù)量大等一些特點(diǎn)。這就造成了在建模過程中常會(huì)出現(xiàn)運(yùn)算速度慢、空三失敗、模型修正困難和數(shù)據(jù)應(yīng)用困難等問題。但是，之前類似的研究較少，所以本文將重點(diǎn)對(duì)建立Smart3D?工作集群、提高空三成功率、模型修正和成果網(wǎng)絡(luò)發(fā)布等問題作一些探討。

1.1?無人機(jī)飛行平臺(tái)

無人機(jī)作為一個(gè)可搭載多種傳感器的飛行平臺(tái)，在測繪行業(yè)一般將其分為多旋翼、固定翼兩種。多旋翼無人機(jī)具有操作簡單、可垂直起降和定點(diǎn)懸停等特點(diǎn)。因此，該類無人機(jī)對(duì)于起降場地要求不高，常被應(yīng)用于攝影和城市測繪等行業(yè)中，在測繪中常見的有大疆經(jīng)緯M600、華測P700、南方的天行與天鷹系列和安爾康母的MD4-1000 等。固定翼無人機(jī)最為顯著的特點(diǎn)是航時(shí)長和飛行速度快，可以進(jìn)行長時(shí)間、大面積高空作業(yè)，作業(yè)效率較高。該種無人機(jī)常見的有南方的天巡系列、華測的P600 和北京天宇創(chuàng)通的TE15 等。因常規(guī)固定翼無人機(jī)對(duì)起降場地和飛行技能要求較高，為彌補(bǔ)其不足，人們將兩類飛機(jī)的特點(diǎn)相結(jié)合開發(fā)出了如智能鳥KC 3400 和成都縱橫CW-1C 等，可以垂直起降的無人機(jī)。

1.2?低空無人機(jī)傾斜攝影

目前，國內(nèi)很多公司研發(fā)的傾斜云臺(tái)，基本上都是由中心一個(gè)正射角度的相機(jī)，周圍均勻分布幾個(gè)具有一定傾斜角度的相機(jī)所構(gòu)成。其中，最為典型的就是五鏡頭傾斜云臺(tái)，在工作狀態(tài)下，中間相機(jī)光軸垂直于水平面，四個(gè)方向上分別分布一個(gè)光軸與水平面成45°角的相機(jī)。這就滿足了在無人機(jī)一次

飛行過程中，同時(shí)完成同一地物或特征點(diǎn)三張以上不同角度影像的覆蓋。由于對(duì)同一地物獲取的不同角度影像的覆蓋度和重疊度越高，其解算的模型越精細(xì)，所以，獲取實(shí)景三維建模數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)盡量增加飛行中影像的重疊度。但是，重疊度越高就意味著，增加了額外的工作量; 因此，考慮到效率和飛行器在飛行中的傾斜等問題，一般將航線設(shè)置為航向重疊度大于?80%，旁向重疊度大于?60%。

2?Smart3D?實(shí)景建模

2.1?技術(shù)路線

用Smart3D 在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理之前，需要將獲取的航攝和像控測量數(shù)據(jù)按照規(guī)定的格式進(jìn)行預(yù)處理，從而保證數(shù)據(jù)格式正確和資料完整。預(yù)處理后，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入軟件進(jìn)行相應(yīng)建模處理，其技術(shù)路線［16］?如圖1 所示。

2.1?方案實(shí)施

2.1.1?工程準(zhǔn)備

在工程構(gòu)建中，所需要的原始數(shù)據(jù)主要包括足夠重疊度的多視角影像數(shù)據(jù)、POS?數(shù)據(jù)和像控測量成果( 若有高精度的POS?數(shù)據(jù)，可免像控) 。對(duì)于多鏡頭傾斜云臺(tái)獲取的影像數(shù)據(jù)，需要根據(jù)不同視角的相機(jī)進(jìn)行單獨(dú)存儲(chǔ)，所有數(shù)據(jù)的命名要具有唯一性且不能出現(xiàn)中文目錄。對(duì)于一些對(duì)成果模型的空間位置沒有要求的建模項(xiàng)目，其POS?數(shù)據(jù)和像控?cái)?shù)據(jù)可以沒有。有一點(diǎn)需要注意的是，飛行器直接導(dǎo)出的影像姿態(tài)數(shù)據(jù)常會(huì)存在一定的問題，不建議使用。

2.1.1?Smart3D?工作集群建立

為了提高數(shù)據(jù)的處理效率，在建立工程之前就需要先建立Smart3D?工作集群。工作集群的建立分為3?步: ①集群電腦連接入同一局域網(wǎng); ②共享主機(jī)電腦中存放工程數(shù)據(jù)和位置的盤，并修改盤符M( 該盤符，不能與集群中其他電腦的盤符相同) ; ③在其他電腦中建立相應(yīng)的M?盤的映射，并通過ContextCapture?Settings?修改工作引擎的工作目錄。接著，便可在M?盤中新建Smart3D?工程，創(chuàng)建Block，并在其中加載影像數(shù)據(jù)、POS??數(shù)據(jù)和像控?cái)?shù)據(jù)。

2.1.1?空三加密

為了能夠?qū)o序的影像在空間中相互對(duì)齊并構(gòu)建與真實(shí)狀態(tài)下相接近的統(tǒng)一的空間模型，就需要對(duì)影像進(jìn)行空三加密操作。該操作過程是傾斜攝影建模的核心步驟，其內(nèi)部處理流程如圖2?所示。當(dāng)空三加密完成之后，其結(jié)算成果會(huì)在3D?View?中進(jìn)行可視化的顯示，也可以將空三后的成果直接導(dǎo)出成XML?格式進(jìn)行查看，如圖3 所示。

2.1.1?像控點(diǎn)加密

像控點(diǎn)加密主要有3?個(gè)作用: ①有利于空三加密過程中影像匹配的速度和精度; ②對(duì)空中三角測量成果進(jìn)行控制加密; ③可以對(duì)建模成果起到坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的作用。對(duì)于后者，需要在軟件中預(yù)先具有像控點(diǎn)的投影文件，若沒有的話要提前創(chuàng)建或?qū)搿Ｐ枰⒁獾氖?，像控刺點(diǎn)完成之后需再進(jìn)行一次成功的空三加密處理。

2.1.1?模型構(gòu)建

在進(jìn)行該步驟之前，軟件會(huì)根據(jù)計(jì)算機(jī)的性能將建模項(xiàng)目分割成若干個(gè)瓦片進(jìn)行單獨(dú)的重建。這樣既解決了計(jì)算機(jī)性能的不足也可以便于集群運(yùn)算的任務(wù)分配。

模型構(gòu)建是依次按照密集點(diǎn)云生成、Tin 模型構(gòu)建和紋理自動(dòng)映射三個(gè)步驟來完成的。根據(jù)空中三角測量運(yùn)算出的影像外方位元素，通過多視影像密集匹配可獲得高密度的數(shù)字點(diǎn)云。密集點(diǎn)云數(shù)據(jù)量較大，需要先將數(shù)據(jù)分塊后再進(jìn)行不同層次細(xì)節(jié)度下的TIN 模型構(gòu)建［17］; 再根據(jù)三角網(wǎng)所構(gòu)成曲面的曲度變化對(duì)TIN 模型數(shù)據(jù)進(jìn)行簡化。將優(yōu)化后的TIN 模型和紋理影像進(jìn)行配準(zhǔn)和貼圖，且同時(shí)為帶紋理的模型建立多細(xì)節(jié)、多層次的?LOD，便于對(duì)文件的組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，提高模型分層次瀏覽的效率。經(jīng)過一系列處理之后可獲得如圖4 所示的三維場景模型。

3?Smart3D?實(shí)景建模中存在的問題及建議

3.1?如何提高空三的成功率

在使用Smart3D 對(duì)多視角影像進(jìn)行空三加密處理時(shí)，時(shí)常會(huì)出現(xiàn)解算不出正確結(jié)果的狀況。尤其是在數(shù)據(jù)量大、重疊率低和影像質(zhì)量差的情況下，常會(huì)出現(xiàn)加密點(diǎn)漂移( 如圖5) ，從而造成空三加密失敗。所以在每次進(jìn)行完空三加密處理后，都必須進(jìn)入3D View 觀察其解算狀況，只有解算成功方可進(jìn)行下一步。

對(duì)于時(shí)常出現(xiàn)的空三加密失敗的情況，可以采用一些處理方式予以改善。接下來將以5?鏡頭傾斜云臺(tái)為例，簡述其改善方法( 如圖6?所示) 。

3.2 模型的修整

傾斜攝影實(shí)景三維建模的成果在俯視角度一般都能獲得較好的視覺效果，但受到航攝盲區(qū)以及特征點(diǎn)匹配錯(cuò)誤等影響，通過Smart3D?軟件自動(dòng)生成的三維模型會(huì)產(chǎn)生空洞區(qū)域。對(duì)于一些對(duì)模型質(zhì)量要求較高的項(xiàng)目，就需要對(duì)初步形成的成果進(jìn)行再加工以修復(fù)這些問題。Smart3D?軟件提供的模型二次修復(fù)流程如下:?Smart3D?創(chuàng)建初始模型( 一般為OBJ?格式) →第三方軟件模型修整→導(dǎo)入Smart3D 軟件進(jìn)行紋理重新映射。

第三方修模軟件自身功能對(duì)修復(fù)效果影響較大。常用修復(fù)軟件有: 3DMax、Geomagic、Meshmixer、PhotoMesh?和ＲealityPaint?等。這些軟件不僅可以對(duì)模型進(jìn)行一些細(xì)微的修整，還可以對(duì)模型中部分區(qū)域進(jìn)行曲面簡化( 如圖7?所示) 。

但是，當(dāng)模型的變形比較大時(shí)對(duì)模型簡單的修整無法滿足要求，就需要對(duì)其進(jìn)行局部重建。采用DP-Modeler 可對(duì)Smart3D 生產(chǎn)項(xiàng)目直接導(dǎo)入進(jìn)行相應(yīng)的修整和必要重建。

3.2 成果的網(wǎng)絡(luò)發(fā)布

模型場景的瀏覽、查詢和測量服務(wù)是實(shí)景三維模型成果的一個(gè)重要應(yīng)用，通過對(duì)成果及相關(guān)服務(wù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)發(fā)布是實(shí)現(xiàn)這些應(yīng)用的重要途徑。

3.3.1?互聯(lián)網(wǎng)發(fā)布

圖新地球網(wǎng)頁端（Wish3D·Earth平臺(tái)）是基于 WebGL技術(shù)研發(fā)的國產(chǎn)實(shí)景三維模型Web端發(fā)布展示平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)TB級(jí)傾斜實(shí)景三維數(shù)據(jù)快速加載，支持多種格式的三維模型，如OSGB實(shí)景模型、OBJ人工模型、SKP人工模型、RVT格式BIM模型等，同時(shí)支持模型單體化、三維模型測量分析、水面特效、日照分析等特殊效果呈現(xiàn)，此外也可以根據(jù)您的需要進(jìn)行本地化部署級(jí)功能定制。

免費(fèi)體驗(yàn)：http://www.tuxingis.com/wish3dearth.html

圖新地球網(wǎng)頁端（Wish3D·Earth平臺(tái)），即互聯(lián)網(wǎng)專用的實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)發(fā)布工具。支持將OSGB?和OBJ?格式的數(shù)據(jù)壓縮后進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)上傳和發(fā)布，并支持計(jì)算機(jī)網(wǎng)頁端和手機(jī)移動(dòng)端的登錄分享瀏覽( 如圖8?所示) 。

除了瀏覽服務(wù)，還可以在該平臺(tái)中編輯模型注記和設(shè)計(jì)瀏覽飛行路線。

同時(shí)?wish3d可以局域網(wǎng)私有化部署，對(duì)于數(shù)據(jù)安全性有要求的可以申請(qǐng)?jiān)囉谩?/p>

3.3.2?局域網(wǎng)發(fā)布

對(duì)于一些可能涉密的實(shí)景三維模型不宜對(duì)外公開發(fā)布的，就需要在局域網(wǎng)中進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)布。目前專用的局域網(wǎng)數(shù)據(jù)發(fā)布平臺(tái)基本都需要收費(fèi)，對(duì)成果應(yīng)用造成一定影響。下面介紹一種在內(nèi)網(wǎng)中自由發(fā)布數(shù)據(jù)的方法。

場景模型的內(nèi)網(wǎng)發(fā)布，需要滿足兩個(gè)條件: ①在構(gòu)建模型時(shí)選擇．3MX?作為模型導(dǎo)出格式且選擇其“Web 安全”選項(xiàng)。②在局域網(wǎng)服務(wù)器上成功安裝Nodejs?網(wǎng)絡(luò)服務(wù)平臺(tái)。Node．?js?是一個(gè)基于?Chrome JavaScript???運(yùn)行時(shí)建立的平臺(tái)，用于方便地搭建響應(yīng)速度快、易于擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。在此需要注意的是，正常情況下Nodejs??軟件安裝過程中是需要連外網(wǎng) 的。若要在局域網(wǎng)下安裝，必須先找一個(gè)聯(lián)網(wǎng)電腦 ?將?Nodejs 安裝成功( 安裝時(shí)需配置緩存和全局選項(xiàng)的目錄) ; 接著將整個(gè)安裝目錄拷貝到內(nèi)網(wǎng)服務(wù)器，根據(jù)聯(lián)網(wǎng)電腦配置相關(guān)選項(xiàng)后即可安裝。安裝完成 ?后，通過cmd 進(jìn)入3MX 數(shù)據(jù)的存放目錄，采用“http- server”命令啟動(dòng)服務(wù)(?如圖?9?所示)?。

4?結(jié) 語

低空無人機(jī)傾斜攝影實(shí)景三維建模相較于傳統(tǒng)的建模方式，有著高效、高度自動(dòng)化和高場景逼真度等諸多的優(yōu)點(diǎn)。現(xiàn)已成為了攝影測量學(xué)科的一個(gè)新的重點(diǎn)發(fā)展方向。如今，該項(xiàng)技術(shù)已突破了單一數(shù)據(jù)源的限制，可以加入視頻和掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行輔助建模，使建模成果獲得了極大的改善，例如: 新版本的Smart3D 軟件已加入了融合掃描點(diǎn)云共同建模的接口。

但是，該種建模成果還存在一定的不足: ①對(duì)于攝影死角和河流湖泊的建模常會(huì)出現(xiàn)空洞; ②模型成果的精度過度依賴于攝影質(zhì)量，對(duì)設(shè)備要求很高，以至于作業(yè)中無人機(jī)無法較高飛行，飛行效率較低;③模型成果的數(shù)據(jù)量較大，對(duì)模型修正和應(yīng)用都帶來了諸多不便。當(dāng)然，無論是硬件還是軟件的不足，隨著技術(shù)的進(jìn)步都將會(huì)得以解決，該種建模方式是擁有著廣闊的前景的。

文章轉(zhuǎn)自測繪通報(bào)

原標(biāo)題：基于Smart3D的低空無人機(jī)傾斜攝影實(shí)景三維建模研究