1 引言

　　隨著無人機技術的快速發展及民用化程度不斷 提高，無人機相關應用領域的技術研究也在不斷拓展。低空無人機測繪就是近些年來快速發展的一個較為活躍的研究領域。無人機作為一個方便、高效和低成本的飛行平臺，彌補了傳統航測成本高、飛行窗口要求高、生產組織困難等諸多不足。

　　低空飛行平臺搭載多種航攝傳感器后可獲取地面影像或掃描 點云數據，這些數據不僅可以進行正射影像制作、多光譜影像分析和數字線劃圖生產等傳統二維的測繪 工作，還可進行快速實景三維建模，并且該種建模方 式有著人工干預少、效率高和模型場景逼真度高等諸多優點。

　　然而，傳統的建模方式需要用到地形圖、高程和紋理貼圖等大量數據，工作量較大。所以，傾斜攝影實景三維建模方式一經推出就引起了人們的 高度重視。近些年來，人們對于該種建模方式做了大量的研究，其重點表現在以下幾個方面:

　　( 1) 數據源獲取設備的研制。國外較早研制成功的航攝儀有德國的Penta-DigiCam 系統、美國的AOS 系統和以色列的A3 系統等; 隨后，國內相繼研發了  SWDC-5［1-2］、AMC580、TOPDC-5、雙魚傾斜相機I 代和DM5-2010 系統等。

　　( 2) 多源數據聯合建模。為改善航攝系統的成果缺陷，人們也開始尋找將傾斜數據與其他數據源進行結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和TIN 瓦片金字塔的數據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) 建模的技術流程。各國先后出現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。人們對于這些軟件的使用也做了相關的研究。例如: 在2014 年以來，張驥［6］、陳興芳［7］、張鑫鑫［8］和周杰［9］等采用Smart3D 軟件分別對LeicaＲCD30、AMC580、A3 和SWDC-5 等航攝儀獲取的地面傾斜數據進行實景建模的技術流程做了研究; 2015 年戴竹紅［10］ 對Smart3D 建模過程做了系統的介紹; 在　　2016 年，趙宏［11］和劉尚蔚［12］分解就采用PhotoMesh 生產智慧城市5D 產品的工藝和PhotoScan 進行三維實景建模的流程進行了闡述。

　　( 4) 建模成果的精加工及應用。數據的生產是以應用為目的的，如何對初始建模成果進行有目的的精細加工顯得尤為重要。2014 年沈大勇 等提出了一種空洞的自動提取和重構算法來修補模型空 洞; 2016 年沈大勇［14］研究了對懸浮模型進行檢測、提取和剔除等技術對模型成果進行優化;  林曉鴻［15］ 提出了將小型部件建模應用與室內設計。

　　由于低空無人機傾斜攝影建模較為廣闊的發展 前景，這促使人們對該種建模方式作了各類研究。然而，該種建模方式具有數據量大、影像傾角大、攝影死角和模型成果數據量大等一些特點。這就造成了在建模過程中常會出現運算速度慢、空三失敗、模型修正困難和數據應用困難等問題。但是，之前類似的研究較少，所以本文將重點對建立Smart3D 工作集群、提高空三成功率、模型修正和成果網絡發布等問題作一些探討。

1.1 無人機飛行平臺

　　無人機作為一個可搭載多種傳感器的飛行平臺，在測繪行業一般將其分為多旋翼、固定翼兩種。多旋翼無人機具有操作簡單、可垂直起降和定點懸停等特點。因此，該類無人機對于起降場地要求不高，常被應用于攝影和城市測繪等行業中，在測繪中常見的有大疆經緯M600、華測P700、南方的天行與天鷹系列和安爾康母的MD4-1000 等。固定翼無人機最為顯著的特點是航時長和飛行速度快，可以進行長時間、大面積高空作業，作業效率較高。該種無人機常見的有南方的天巡系列、華測的P600 和北京天宇創通的TE15 等。因常規固定翼無人機對起降場地和飛行技能要求較高，為彌補其不足，人們將兩類飛機的特點相結合開發出了如智能鳥KC 3400 和成都縱橫CW-1C 等，可以垂直起降的無人機。

1.2 低空無人機傾斜攝影

　　目前，國內很多公司研發的傾斜云臺，基本上都是由中心一個正射角度的相機，周圍均勻分布幾個具有一定傾斜角度的相機所構成。其中，最為典型的就是五鏡頭傾斜云臺，在工作狀態下，中間相機光軸垂直于水平面，四個方向上分別分布一個光軸與水平面成45°角的相機。這就滿足了在無人機一次

　　飛行過程中，同時完成同一地物或特征點三張以上不同角度影像的覆蓋。由于對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，所以，獲取實景三維建模數據時，會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，一般將航線設置為航向重疊度大于 80%，旁向重疊度大于 60%。

2 Smart3D 實景建模

2.1 技術路線

　　用Smart3D 在進行數據處理之前，需要將獲取的航攝和像控測量數據按照規定的格式進行預處理，從而保證數據格式正確和資料完整。預處理后，將數據導入軟件進行相應建模處理，其技術路線［16］ 如圖1 所示。

2.1 方案實施

2.1.1 工程準備

　　在工程構建中，所需要的原始數據主要包括足夠重疊度的多視角影像數據、POS 數據和像控測量成果( 若有高精度的POS 數據，可免像控) 。對于多鏡頭傾斜云臺獲取的影像數據，需要根據不同視角的相機進行單獨存儲，所有數據的命名要具有唯一性且不能出現中文目錄。對于一些對成果模型的空間位置沒有要求的建模項目，其POS 數據和像控數據可以沒有。有一點需要注意的是，飛行器直接導出的影像姿態數據常會存在一定的問題，不建議使用。

2.1.1 Smart3D 工作集群建立

　　為了提高數據的處理效率，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; ②共享主機電腦中存放工程數據和位置的盤，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，創建Block，并在其中加載影像數據、POS  數據和像控數據。

2.1.1 空三加密

　　為了能夠將無序的影像在空間中相互對齊并構建與真實狀態下相接近的統一的空間模型，就需要對影像進行空三加密操作。該操作過程是傾斜攝影建模的核心步驟，其內部處理流程如圖2 所示。當空三加密完成之后，其結算成果會在3D View 中進行可視化的顯示，也可以將空三后的成果直接導出成XML 格式進行查看，如圖3 所示。

2.1.1 像控點加密

　　像控點加密主要有3 個作用: ①有利于空三加密過程中影像匹配的速度和精度; ②對空中三角測量成果進行控制加密; ③可以對建模成果起到坐標轉換的作用。對于后者，需要在軟件中預先具有像控點的投影文件，若沒有的話要提前創建或導入。需要注意的是，像控刺點完成之后需再進行一次成功的空三加密處理。

2.1.1 模型構建

　　在進行該步驟之前，軟件會根據計算機的性能將建模項目分割成若干個瓦片進行單獨的重建。這樣既解決了計算機性能的不足也可以便于集群運算的任務分配。

　　模型構建是依次按照密集點云生成、Tin 模型構建和紋理自動映射三個步驟來完成的。根據空中三角測量運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字點云。密集點云數據量較大，需要先將數據分塊后再進行不同層次細節度下的TIN 模型構建［17］; 再根據三角網所構成曲面的曲度變化對TIN 模型數據進行簡化。將優化后的TIN 模型和紋理影像進行配準和貼圖，且同時為帶紋理的模型建立多細節、多層次的 LOD，便于對文件的組織結構進行優化，提高模型分層次瀏覽的效率。經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 對多視角影像進行空三加密處理時，時常會出現解算不出正確結果的狀況。尤其是在數據量大、重疊率低和影像質量差的情況下，常會出現加密點漂移( 如圖5) ，從而造成空三加密失敗。所以在每次進行完空三加密處理后，都必須進入3D View 觀察其解算狀況，只有解算成功方可進行下一步。

　　對于時常出現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，但受到航攝盲區以及特征點匹配錯誤等影響，通過Smart3D 軟件自動生成的三維模型會產生空洞區域。對于一些對模型質量要求較高的項目，就需要對初步形成的成果進行再加工以修復這些問題。Smart3D 軟件提供的模型二次修復流程如下: Smart3D 創建初始模型( 一般為OBJ 格式) →第三方軟件模型修整→導入Smart3D 軟件進行紋理重新映射。

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

　　但是，當模型的變形比較大時對模型簡單的修整無法滿足要求，就需要對其進行局部重建。采用DP-Modeler 可對Smart3D 生產項目直接導入進行相應的修整和必要重建。

3.2 成果的網絡發布

　　模型場景的瀏覽、查詢和測量服務是實景三維模型成果的一個重要應用，通過對成果及相關服務進行網絡發布是實現這些應用的重要途徑。

3.3.1 互聯網發布

　　Wish3D 是互聯網專用的實景三維模型數據發布工具，支持將OSGB 和OBJ 格式的數據壓縮后進行網絡上傳和發布，并支持計算機端和手機移動端的登錄瀏覽( 如圖8 所示) 。除了瀏覽服務，還可以在該平臺中編輯模型注記和設計瀏覽飛行路線。

3.3.2 局域網發布

　　對于一些可能涉密的實景三維模型不宜對外公開發布的，就需要在局域網中進行數據的發布。目前專用的局域網數據發布平臺基本都需要收費，對成果應用造成一定影響。下面介紹一種在內網中自由發布數據的方法。

　　場景模型的內網發布，需要滿足兩個條件: ①在構建模型時選擇．3MX 作為模型導出格式且選擇其“Web 安全”選項。②在局域網服務器上成功安裝Nodejs 網絡服務平臺。Node． js 是一個基于 Chrome JavaScript   運行時建立的平臺，用于方便地搭建響應速度快、易于擴展的網絡應用。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 的。若要在局域網下安裝，必須先找一個聯網電腦  將 Nodejs 安裝成功( 安裝時需配置緩存和全局選項的目錄) ; 接著將整個安裝目錄拷貝到內網服務器，根據聯網電腦配置相關選項后即可安裝。安裝完成  后，通過cmd 進入3MX 數據的存放目錄，采用“http- server”命令啟動服務( 如圖 9 所示) 。

4 結語

　　低空無人機傾斜攝影實景三維建模相較于傳統的建模方式，有著高效、高度自動化和高場景逼真度等諸多的優點?，F已成為了攝影測量學科的一個新的重點發展方向。如今，該項技術已突破了單一數據源的限制，可以加入視頻和掃描點云數據進行輔助建模，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對于攝影死角和河流湖泊的建模常會出現空洞; ②模型成果的精度過度依賴于攝影質量，對設備要求很高，以至于作業中無人機無法較高飛行，飛行效率較低;③模型成果的數據量較大，對模型修正和應用都帶來了諸多不便。當然，無論是硬件還是軟件的不足，隨著技術的進步都將會得以解決，該種建模方式是擁有著廣闊的前景的。

編者按：Wish3D也是可以局域網部署的，目前已有好多家公司采用我們的局域網部署方案拿下了政府的標。

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