0 引言

近年来，从数字地球到智慧地球的发展，引发了智慧城市建设的热潮^[1]．建筑物的实景三维建模是智慧城市建设的重要部分，建立具有真实纹理的城市三维模型拥有巨大价值．目前常用的实景三维建模方法依赖于传统的3ds Max、CAD等建模软件，完全依赖于人工绘制模型与纹理贴图^[2]，过程较为繁琐，与真实的地物信息存在较大差异．在智慧城市技术不断发展的今天，对建筑物建模需要保持良好真实性^[3]，对于大范围、大区域的城市和复杂体型的建筑物三维模型的构建，需要考虑到精细化程度、效率和性价比等因素，而传统的建模软件难以满足．

随着无人机倾斜摄影测量技术的发展，以多角度采集高分辨率、大范围的倾斜影像数据成为建立精细化实景三维模型首选方法．在线实景三维建模对信息传输和硬件性能要求较高，成本过大，实用性低，因此并没有被广泛研究和使用．对建筑物进行拍摄后离线建模往往是一个更好的选择^[4-7]．该方法搭载单镜头或多镜头摄像机，从多个角度获取地物信息，后期离线快速生成三维模型．随着离线建模技术的发展，缺点和不足也逐渐显现，如：对于地物遮挡区域、复杂体型建筑物，其纹理细节较为复杂，影像数据难以获取，存在影像数据获取盲区，建模难度较大; 多镜头航摄仪价格昂贵，对于个人或小单位作业而言，成本太高，只能通过单镜头模拟多镜头的方式进行数据获取，但无人机飞行时长往往受到电池容量限制，从而导致信息采集不完整，影响建模效果．因此，目前针对复杂体型建筑仍然缺乏合理的无人机实景建模方法．

无人机倾斜摄影技术具有快速高效、自动化程度高及低成本等优势．如果仅是对建筑群粗略建模通常是不需要进行模型修饰的，如不动产面积计算、土方量计算、楼房外观基本信息统计等，但本文针对单体建筑物建模的目标是模型越精细越好，而优化航线规划尽管可以提升建模效率和精度，但始终无法避免影像采集中存在建筑物侧面模糊拉花，以及大面积水域、玻璃等信息缺失的问题．为进一步提高模型细节质量，通常需要使用修模软件对建筑物模型进行修饰，对模型进行精细化处理，如:文献^[8]使用DP-Modeler对三维模型存在道路不平整处、大面积水域镂空以及古建筑细节处模糊等问题进行修饰; 文献^[9]使用DP-Modeler对青海省某居民楼建筑与地面的三维模型存在融合不好等问题进行修饰; 文献^[10]使用3ds Max对河南省郑州市高新区某一建筑群落存在三维模型侧面出现扭曲等问题进行修饰．通过对信息缺失区域进行模型修饰处理，不仅可以省去大量时间和精力进行补拍，还可提高模型整体细节质量以达到更优的模型效果．

本文提出一种立体环绕航线方式的倾斜摄影方法，选用大疆精灵phantom 4 Pro V2.0无人机设备，该设备具有方便灵活、成本低、可控性好等特点．选择一个真实场景下某公园内两个相邻的复杂体型建筑物进行拍摄后脱机离线场景建模实验，并从建模效率、建模精度、纹理部分等与传统航线方式的倾斜摄影方法进行对比．最后通过DP-Modeler和3ds Max联动对实景三维模型中纹理缺失和模糊拉花的部分进行模型修饰^[11]，以达到模型精细化的效果．

1 复杂体型建筑物的三维建模方法

本文采用基于无人机立体环绕航线方式的实景三维建模过程包括航线规划、影像获取、数据处理等过程，流程如图1所示．

1.1 航高及航摄仪倾角对地面分辨率的影响

无人机以任意角度、高度获取影像的示意如图2所示．O为对焦点，H为航高，f为焦距，α为相机视场角的一半，θ为相机倾角，a′为影像分辨率最小点，b′为影像分辨率最大点．

航高计算公式如下:

式中:H为相对摄影基准面的航高，单位为m; f为镜头焦距，单位为mm; R_G为地面分辨率，单位为m; a为像元尺寸，单位为mm．

根据三角函数关系推算出影像最大最小分辨率，计算公式如下:

对于低空无人机摄影，影像的传感器参数一定，焦距（f）与像元尺寸（a）固定不变，所得影像地面分辨率与无人机航高存在一定关系，航高越低，地面分辨率越高^[12]，成像质量也越好，重建的模型精度相对较高．因此，在对复杂体型建筑物的三维建模中，需要针对不同高度建筑物设置不同的航高，保证采集到的影像具有较为统一的地面分辨率，为后期建模提供基础保障．

航摄仪倾角的设置不同，将直接影响到获取影像的分辨率、覆盖范围等，获取影像分辨率的差异将影响到后期影像特征点提取数量、多视影像密集匹配精度以及三维模型纹理的清晰度．航摄仪倾角增大，影像分辨率和影像覆盖范围也逐渐增大，视野内物体较多，使得影像中被拍摄物体的分辨率差别较大，因此航摄仪的角度不宜过大．

1.2 传统航线的倾斜摄影测量技术

传统的无人机倾斜摄影从5个角度获取影像，即通过1个垂直视角、4个倾斜视角（45°）对建筑物进行数据采集，获取建筑物顶部及侧面的纹理信息^[13]．无人机以固定的高度在建筑物上方采用航带网式航线规划^[14]进行拍摄．由于无人机在拍摄时高度固定、相机角度固定，因此易存在拍摄盲区，降低建筑物信息采集的完整性，尤其是对复杂体型建筑物，影响三维建模的质量^[15]，如图3所示．因此本文提出一种立体环绕航线规划方式对建筑物进行三维建模，通过调节无人机的云台，实现对建筑物多角度、多高度的影像采集，以获得更加全面清晰的影像，提高三维建模的精度．

1.3 复杂体型建筑物的立体环绕航线规划

针对复杂体型建筑物的特点，传统航线方式因高度固定、角度固定存在较多拍摄盲区的问题，本文提出一种适应性更好的立体环绕航线方式，采用根据地物各部分的高度设计不同航高的思想:对高度相对统一的区域设置相同航高，相同航高的相邻区域的环绕圆相互重叠; 对复杂体型建筑较高的部分则设置更高的航高，让相机的主光轴始终对准建筑物的中上部，拍摄时的焦点聚焦于中上部，使得采集到的复杂体型建筑物地物上下部分影像的地面分辨率较为均匀．如图4所示，第1层环绕圆以矮栋建筑物和相机角度为基准，第2层环绕圆高度以建筑物高度差和相机角度为基准，为保证分辨率相同，第3层与第2层高度相同，以此类推，对复杂体型建筑进行分层立体式环绕．此拍摄方案具有多高度、多角度等特点，大大减少了传统航线方式存在的盲区范围，因此采集的影像更加全面，为后期的模型效果提供保障．

立体环绕航线方式是以一种环绕拍摄的方法代替传统的航带网式航线采集地物影像的方案，可以根据建筑物的特征，设置不同的航高、环绕飞行半径、航摄仪角度等参数控制获取影像的地面分辨率、覆盖范围等．相对于传统航线的无人机倾斜摄影从5个角度获取影像，该方法可以有效消除图3所示的拍摄盲区．

通过实地勘探，全方位了解建筑物的长、宽、高，以此作为基础，大致勾勒出建筑物的形状，计算建筑物相对高度大致相同区域的环绕半径R_n和航高H_n，计算公式如下:

式中，l_n、w_n、h_n分别为同一高度区域建筑物的长、宽、高，θ为相机倾角．

对于建筑物相对高度不同区域，航高与环绕半径需分开进行计算，当H_n＞l_n时停止计算．

1.4 数据处理

采集的建筑物影像需要处理生成建筑物的实景三维模型，Context Capture软件自动化程度高、无需人工干预，能够高精度高效率地完成建模工作．影像间的相对位置通过空中三角计算确定，POS数据求解精确外方位元素与地面坐标，根据密集匹配算法进行点云密集匹配，由匹配到的密集点云生成三维三角网表面模型，并将网格表面进行自动纹理映射，进而得到具有真实视觉效果的可视化实景三维模型．

1.5 模型精细化处理

在影像获取时，由于照片在空中拍摄，不可避免会出现一些区域存在信息缺失的情况; 由于空三加密在大面积水域、光滑路面、玻璃面等区域有较多的粗差点等^[16]，使得实景三维模型存在纹理缺失^[17]、模糊拉花及瓦片缺失等问题．这些问题若通过不断增加航拍重叠率解决^[4]，不仅花费大量时间，而且会导致数据冗余，模型效果也不会得到很大的改善．因此，需要使用修模软件对模型进行修饰．本文采用DP-modeler与3ds Max软件联动进行模型修复，对模型进行精细化处理．利用3ds Max的曲面造型能力，结合DP-modeler的自动纹理贴图能力，对建筑物不规则区域进行修饰，进而提高三维建模的精度．联动模型修复流程如图5所示．

2 复杂体型建筑物的三维建模实验

2.1 实验设备及对象

实景三维建模的实验对象是某公园内两栋紧邻且高矮落差较大的复杂体型建筑物，如图6所示．通过测量，获取两栋建筑物的长宽高分别为4.8 m、4.8 m、21.08 m和16.02 m、16.46 m、11.48 m．其中:较高的一栋呈现细长的立柱状，其四面均为玻璃; 较矮的一栋为立方体状，其两面为玻璃，另外两面为红色砖和混凝土搭建的墙面．两建筑物之间相邻很近，中间仅有一条宽约为3.46 m的缝隙．将两栋房子近似看作一个长方体整体，其长为24.28 m，宽为16.46 m，高为21.08 m．

无人机选用大疆Phantom 4 PRO V2.0，搭载2 000万像素的相机，像元大小为2.345 27 μm，焦距为8.534 8 mm，云台可调节的角度为-90°~30°．航线规划选用DJI GS Pro软件，根据地物特征进行航线定制，拥有航拍环绕模式、智能航点模式，可满足多种场景的需求．

2.2 实验数据获取

1）传统航线的倾斜摄影方式

采用DJI GS Pro软件进行5架次的航摄方案．由于所拍摄的照片需要完全覆盖建筑物的信息，将航高设置为25 m，无人机的航向重叠率和旁向重叠率均设置为85%，飞行速度5 m/s，无人机从5个角度进行拍摄，航摄时间39 min，拍摄航片数量562张，如图7所示．

2）立体环绕航线的倾斜摄影方式

根据所需建模建筑物的实际情况，设置合适的航线参数，如表1所示．无人机的航向重叠率和旁向重叠率均设置为85%，拍摄照片数量313张，飞行时间27 min，飞行速度5 m/s，如图8所示．同时在研究区内设置8个控制点并测量其坐标．

2.3 实验结果

数据分别由无人机基于传统航线与立体环绕航线的倾斜摄影方式获取，再经数据处理，获得完整的建筑物三维模型，图9a、9b、9c分别为基于传统航线方式采集的影像被处理后生成相应的三维TIN白模模型、三维TIN网构建、三维建模效果，图10a、10b、10c分别为基于立体环绕航线方式采集的影像被处理后生成相应的三维TIN白模模型、三维TIN网构建、三维建模效果．

对比图9和图10可知，立体环绕航线方式三维模型效果图的纹理细节比传统航线方式更加丰富．

3 建模效率与质量分析

3.1 三维建模效率

建模效率从图像数量和数据处理时间两个方面进行分析，数据处理的计算机环境为CPU（AMD Ryzen 5 3600X）、GPU（2080Super）、内存（16 GB）．无人机三维建模效率分析主要分为外业影像数据采集耗时和内业三维建模耗时，如表2所示．

3.2 模型精度分析

本文对比控制点的实测值与模型量测值进行精度分析．将外业实测的8个控制点量测值与内业在三维模型上的点位误差进行对比，表达式如下:

式中:$\mathrm{}{\mu }_x，{\mu }_y{\mu }_x$分别为控制点在x、y、z方向上的点位坐标误差; μ_w为整体点位误差; $\mathrm{}\left(x_0，y_0，z_0\right)$为外业测量坐标，$\mathrm{}\left(x_{\mathrm{i}}，y_{\mathrm{i}}，z_{\mathrm{i}}\right)$为内业采集坐标; n表示控制点个数．

两种航线规划方式在x、y、z方向上的差值如图11所示，误差范围用（均值±标准差）来描述统计结果．基于立体环绕航线与传统航线方式的三维模型在x轴方向上，点误差范围分别是（0.023±0.009）m、（0.046±0.019）m; 在y轴方向上，点误差分别是（0.001±0.012）m、（0.020±0.009）m; 在z轴方向上，点误差分别是（0.012±0.008）m、（0.001±0.014）m．由表3可知:在x轴、z轴方向上立体环绕航线方式的建模方法优于传统航线; 在y轴方向上，传统航线方式的建模方法要优于立体环绕航线．就整体点误差而言，立体环绕航线方式的建模方法要优于传统航线，但两种建模方法总体误差较小，在总体精度上相当．两种采集模式均属于同一系统，因而具有相同的系统误差，但由于采集模式不同，不同的数据量以及拍摄角度差异，导致误差的存在．

3.3 纹理细节对比

选取具有代表性的局部建筑物区域，由图12可知，基于传统航线的三维模型具有较多的纹理缺失．对比图12a和12d，基于传统航线的三维模型出现墙面漏洞、纹理拉花现象，而基于立体环绕航线的三维模型则能够完整地展示墙面信息; 对比图12b和12e，由于传统航线方式飞行高度固定，在屋檐处会存在拍摄盲区，存在较多纹理缺失，而立体环绕航线方式由于能够多高度地拍摄，有效减少拍摄盲区，故能展示较多地纹理细节; 对比图12c和12f，建筑物的玻璃面反光较强，两种建模方法都出现镂空，缺失较多细节．因此，立体环绕航线方式的倾斜摄影建模方法在纹理细节上优于传统航线方式．

4 实景三维模型精细化处理

由上文可知，基于立体环绕航线方式的三维模型出现了玻璃空洞以及纹理拉花，需要对该区域进行精细化处理．选择需要修补空洞的范围并确定待修补的基准面，修补空洞进行纹理映射，并使用3ds Max对纹理细节修饰; 出现纹理拉花模糊的地方，使用原始照片、实地补拍照片或其他纹理进行替换，使得房屋侧面纹理更加清晰美观．对立体环绕航线方式的模型中玻璃面空洞部分及墙面纹理拉花部分进行模型精细化处理，模型精细化处理前后对比如图13所示．

通过对比模型精细化处理前后效果可以看出，在不考虑时间成本的前提下，对三维模型中有瑕疵的部分进行模型精细化处理，可以有效地提高三维模型整体细节质量，使得三维模型更加真实．

5 结束语

本文针对复杂体型建筑物的实景三维建模问题，选用单镜头小型多旋翼无人机，提出一种基于立体环绕航线方式的倾斜摄影方法．相对于传统航线的倾斜摄影方法，立体环绕航线方式的倾斜摄影方法的优点如下:1）采用较少的影像构建精确、完整的三维模型，提高了建模的效率; 2）构建的模型精度高，能保证模型的完整性; 3）解决了对复杂体型建筑物三维建模时存在摄影盲区和对其纹理细节区域建模效果差的问题; 4）有效提高了无人机针对建筑物实景三维建模的效率和质量．此外，对三维模型进行模型修饰处理，解决了模型中纹理缺失、模糊拉花及瓦片缺失等问题，有效提高了三维模型的细节质量和展示效果．

为提高建模精度，在导入Context Capture之前可以先对拍摄的图像进行预处理，使图像的色彩、色调一致，对畸变的图像进行矫正．对于建模效果差的区域，还可以进行重新拍摄图像进行补充．对复杂体型建筑物使用无人机立体环绕三维建模，在保证建模质量的前提下，还可以对无人机航线规划以及像控点数量进行进一步优化．

参考文献