基于無人機(jī)傾斜攝影三維建模的手工修正

王玉 徐國棟 李亞斌

摘? 要：傳統(tǒng)手工方式建模消耗時間長、人力投入大、生產(chǎn)周期長，但建出模型的精細(xì)程度較高，模型數(shù)據(jù)量可控。相對于手工方式建模，無人機(jī)三維建模的優(yōu)勢在于耗時較短、人力投入較小，但模型精細(xì)程度相對較低，且模型數(shù)據(jù)量較大，在某些時候不能滿足使用者的需求。文中將這兩種建模方式相結(jié)合，提出基于無人機(jī)傾斜攝影的三維模型手工修正方法，在提高模型精細(xì)程度的同時，又可以縮減模型數(shù)據(jù)量，從而提高了模型的普適性。

關(guān)鍵詞：無人機(jī)；三維建模；手工建模；模型修正

中圖分類號：TP39；P231? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? 文章編號：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

由于近些年來無人機(jī)傾斜攝影測量三維建模技術(shù)的發(fā)展，使其在智慧城市、智慧旅游、城市規(guī)劃、農(nóng)業(yè)水利等許多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。梁靜等人通過對傳統(tǒng)手工三維建模與無人機(jī)傾斜攝影三維建模的對比分析發(fā)現(xiàn)影像質(zhì)量和POS數(shù)據(jù)會影響空三結(jié)果，造成模型空洞、結(jié)構(gòu)錯誤、單體化困難等問題。雖然無人機(jī)三維建模耗時短、效率高，可以實(shí)現(xiàn)場景快速建模，但因無人機(jī)飛行高度、拍攝方式、相機(jī)性能等因素的影響，會導(dǎo)致模型的精細(xì)程度較差。雖然手工建模要比無人機(jī)三維建模的模型精細(xì)程度高，但耗費(fèi)的時間也相對較長。由于無人機(jī)三維建模在某些領(lǐng)域無法滿足其需求且傳統(tǒng)手工建模費(fèi)時費(fèi)力，效率低下。因此，通過結(jié)合以上兩種建模方式，對無人機(jī)建模模型加以手工修正，從而滿足某些使用者的使用需求。

1? 無人機(jī)傾斜攝影三維建模技術(shù)

在科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展的今天，發(fā)展迅速的無人機(jī)傾斜攝影三維建模技術(shù)，是一項(xiàng)顛覆產(chǎn)業(yè)變革的新興測繪技術(shù)，無人機(jī)傾斜攝影三維建模技術(shù)和模式的創(chuàng)新為測繪地理信息產(chǎn)業(yè)提供了新思路和新方法，將成為未來廣泛應(yīng)用于測繪和三維建模的方法。無人機(jī)傾斜攝影三維建模技術(shù)主要是由“無人機(jī)”“傾斜攝影”和“三維建模”組合而成。該項(xiàng)技術(shù)以“無人機(jī)”為載荷平臺，通過“傾斜攝影”的方式獲取影像數(shù)據(jù)，影像數(shù)據(jù)再經(jīng)由計算機(jī)進(jìn)行處理后生成“三維模型”。

無人機(jī)傾斜攝影三維建模技術(shù)中仍然存在著一些技術(shù)難題，其中一些影響建模效果的因素在實(shí)際工作中也無法避免。此次航拍建模地點(diǎn)為長江上游某港口，此港區(qū)擁有散貨堆場、集裝箱堆場、商品滾裝車堆場若干以及多條公路鐵路錯綜復(fù)雜。港區(qū)內(nèi)建筑物眾多，大量集裝箱且擺放凹凸不平，車輛多等因素都會影響最終模型生成效果。

1.1.? 環(huán)境因素

無人機(jī)傾斜攝影三維建模技術(shù)會受到環(huán)境因素的影響，導(dǎo)致模型結(jié)構(gòu)缺失、結(jié)構(gòu)變形、紋理失真等問題。下面簡單介紹其受影響的因素以及影響的結(jié)果：

（1）平靜的水面、細(xì)小結(jié)構(gòu)、鏤空的物體等，會導(dǎo)致模型表面產(chǎn)生破洞、結(jié)構(gòu)缺失。

（2）玻璃、鏡面反光物體、大面積單一紋理的建筑等，會導(dǎo)致模型結(jié)構(gòu)錯誤、變形。

（3）建筑物凹凸結(jié)構(gòu)、集裝箱堆場凹凸不平，會導(dǎo)致模型遮擋、結(jié)構(gòu)錯誤、結(jié)構(gòu)黏連。

（4）隨風(fēng)晃動的樹木、灌木叢等，會產(chǎn)生模型缺失、模型黏連、樹木懸空。

（5）物體移動、影像分辨率低、影像覆蓋率不足，會導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)變形和紋理失真。

此外，天氣變化等因素也會影響航拍的質(zhì)量效果。

1.2? 飛行因素

在使用無人機(jī)航拍攝影時，可以設(shè)置無人機(jī)飛行線路進(jìn)行自動采集數(shù)據(jù)。自動飛行數(shù)據(jù)采集具有效率高，操作簡單等特點(diǎn)。在影像數(shù)據(jù)拍攝過程中，無人機(jī)的飛行高度對傾斜攝影拍攝的數(shù)據(jù)精度具有直接影響，其間接地影響到所生成三維模型的精度。所以，為了保證影像數(shù)據(jù)以及三維模型的精度，在正式拍攝前，要通過實(shí)驗(yàn)來確定無人機(jī)最佳拍攝高度。影像地面分辨率（GSD）是影像中一個像素所表達(dá)的地表實(shí)際距離，由無人機(jī)的航高和相機(jī)的參數(shù)共同決定。其中，相機(jī)的焦距、GSD等參數(shù)都是固定的，因此在航測時只能通過調(diào)節(jié)無人機(jī)的飛行高度來達(dá)到最理想的影像分辨率。

除以上場景外，航飛作業(yè)參數(shù)設(shè)置、航飛光影條件、數(shù)據(jù)采集設(shè)備、建模軟件等因素也很容易導(dǎo)致建筑物出現(xiàn)重影、拉花、融化、光影斑駁、建筑錯位、變形、黏連等問題。

2? 模型手工修正

2.1? 模型手工修正的必要性

當(dāng)某些外部因素影響無人機(jī)傾斜攝影時，例如：空域限制導(dǎo)致無人機(jī)飛行高度較高、飛行區(qū)域障礙物限制等。導(dǎo)致拍攝的影像數(shù)據(jù)精度不夠進(jìn)而生成的三維模型精細(xì)程度較低，這樣的模型是無法進(jìn)行地面沉浸式漫游式模擬的?；蛘哂捎跓o人機(jī)傾斜攝影三維建模生成的模型數(shù)據(jù)量較大，某些模擬器無法流暢運(yùn)行。此時的三維模型就無法滿足需求。因此我們必須對模型加以手工修正，提高模型的精細(xì)程度，或者縮小模型的數(shù)據(jù)量，使其可以滿足某些使用者的需求。

2.2? 修正方法

本次使用的無人機(jī)航拍模型為某港口三維模型。由于港口空域限制，無人機(jī)飛行高度較高，拍攝照片清晰度不夠等因素影響，自動建模構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)時，墻體可能會出現(xiàn)凹凸不平的情況，無樹干的樹冠以及路燈、電桿扭曲破碎等現(xiàn)象。此模型作為三維場景漫游模擬時無法滿足使用需求，但三維地形的地勢地貌還原度很好，可以使用。所以只需要修正質(zhì)量較低的建筑物、路燈以及電線桿等模型，保留原三維模型的地勢地貌等環(huán)境元素。

本次模型修正使用到Presagis Creator軟件（以下簡稱為Creator）以及3DMax軟件。Creator軟件是由加拿大Presagis公司開發(fā)的新一代實(shí)時仿真建模工具，該軟件的前身是由美國Multigen-Paradigm公司開發(fā)的Multigen Creator系列軟件，而后被Presagis公司收購。Creator軟件擁有針對實(shí)時應(yīng)用優(yōu)化的OpenFlight數(shù)據(jù)格式，強(qiáng)大的多邊形建模、矢量建模、大面積地形精確生成功能，以及多種專業(yè)選項(xiàng)及插件，能高效、最優(yōu)化地生成實(shí)時三維（RT3D）數(shù)據(jù)庫，并與后續(xù)的實(shí)時仿真軟件緊密結(jié)合，在視景仿真、模擬訓(xùn)練、城市仿真、交互式游戲及工程應(yīng)用、科學(xué)可視化等實(shí)時仿真領(lǐng)域有著世界領(lǐng)先的地位。為了方便演示具體的修正方法，以及修正后模型的對比展示，本次修正方法的介紹使用了Creator軟件，使用其他三維建模軟件按照此修正方法均可進(jìn)行模型修正。

具體修正方法如下：

（1）在原場景中根據(jù)需要修改的模型大小，確定所要建設(shè)模型長、寬、高的基本尺寸。再根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研，拍攝的照片等信息建設(shè)出該模型。如圖1、圖2所示。

（2）將Creator切換至面模式，然后適當(dāng)選中原模型中需要替換的建筑模型并刪除。此步驟操作是為了方便后續(xù)操作步驟，提前刪除部分多余面片，提高后續(xù)工作效率。如圖3、圖4所示。

（3）使用Creator中的Bolldoze工具將凹凸不平的地面碾平，將地面碾平后使用Slice工具切割出替換區(qū)域，并刪除掉切割下的面片。如圖5所示。

（4）將地面補(bǔ)充完整貼上對應(yīng)紋理，然后將修正后的模型安放在替換區(qū)域，至此模型修正工作全部完成。圖6為模型修正后的效果。

由于自動建模生成的模型由TIN不規(guī)則三角網(wǎng)構(gòu)成，模型元素之間相連緊密，無明顯交界。故在模型修正時，需考慮以下幾點(diǎn)：

（1）新模型與原模型銜接時、避免出現(xiàn)破洞、面片重合等。舊模型移除時盡量使切口保持光滑直線，便于新模型的銜接。

（2）新模型與原模型的紋理銜接時，避免出現(xiàn)紋理對接錯誤、導(dǎo)致紋理失真等問題。當(dāng)銜接區(qū)域較大，紋理銜接困難時，可以考慮將整體對接面分割成多個區(qū)域，再進(jìn)行紋理對接，這樣可以使得紋理對接多次過渡，模型表現(xiàn)更加真實(shí)。

（3）當(dāng)建筑模型與周圍樹木黏連時，需考慮建筑模型替換后周圍樹木綠化的破洞修補(bǔ)。避免樹木綠化等與建筑重合，造成面片閃爍。

（4）大面積地面進(jìn)行修正時，需考慮地面坡度，避免替換后地面出現(xiàn)階梯狀。

（5）有坡度地面進(jìn)行修正時，建議分為多個小區(qū)域進(jìn)行多次修正，將坡度進(jìn)行平滑處理。

在新模型建造時，如遇到較復(fù)雜的模型，推薦使用3D Max進(jìn)行建模。3D Max具有非常強(qiáng)大的點(diǎn)、線、面、幾何體編輯功能，如編輯網(wǎng)格、放樣、NURBS曲面、布爾運(yùn)算等功能，適用于建立精細(xì)對象模型。

2.3? 修正前后模型對比

圖7、圖8為檢查站模型，修正前該檢查站模型結(jié)構(gòu)不清，紋理失真，模型還原度極差，模型的三角面數(shù)量為5 730個。經(jīng)過手工修正后，該模型結(jié)構(gòu)清晰，紋理真實(shí)，仿真效果極高，且模型的三角面數(shù)量減少至1 811個。經(jīng)過對比，僅此一個檢查站模型的三角面數(shù)量就減少了64%。因總模型面積過大，將總模型分割為多個區(qū)域模型分別進(jìn)行處理，表1僅展示出部分模型修改前后數(shù)據(jù)量信息，由表1中的信息可以看出，經(jīng)過修正后模型的數(shù)據(jù)量顯著降低，而整個港區(qū)近4平方千米三維模型的總數(shù)據(jù)量降低了近30%，并且模型的還原度更加真實(shí)，在模擬器中模型的加載時間顯著提高，運(yùn)行更加流暢。

使用此種方式修正模型所消耗的人力與時間，與傳統(tǒng)手工建模相比具有非常大的優(yōu)勢。大大提高了生產(chǎn)效率，節(jié)省了成本，保證了質(zhì)量。

因無人機(jī)傾斜攝影建模的模型中水平地面也是由TIN不規(guī)則三角網(wǎng)構(gòu)成，所以也可以對水平地面進(jìn)行適當(dāng)手工修正工作，刪除原有不規(guī)則三角網(wǎng)構(gòu)成的路面重新建立，這樣也可以減小模型的數(shù)據(jù)量。

3? 結(jié)? 論

人工大場景建模容易出現(xiàn)環(huán)境還原度低，現(xiàn)實(shí)感差、紋理失真等問題，尤其利用傳統(tǒng)手工制作的三維模型周期很長，大規(guī)模生產(chǎn)不易實(shí)現(xiàn)，也不符合自動化、智能化的生產(chǎn)需求。無人機(jī)傾斜攝影三維建?？梢院芎玫亟鉀Q這一問題，但某些時候其建造的模型數(shù)據(jù)量太大，不符合系統(tǒng)輕量化的要求，建筑模型真實(shí)度較低，無法進(jìn)行近距離視角漫游模擬。這時我們可以對無人機(jī)傾斜攝影建出的模型進(jìn)行手工修正，這樣不僅可以提高模型的精細(xì)程度，提高仿真效果，還能減少模型的數(shù)據(jù)量，提高程序的運(yùn)行效率。同時相比傳統(tǒng)手工建模又提高了生產(chǎn)效率，節(jié)約了成本。

當(dāng)前對于模型的修正只能進(jìn)行手工建模而后進(jìn)行手工替換，手工替換的過程又存在模型間契合度的問題，模型之間的銜接是否存在漏洞，模型間的紋理是否完美契合等問題。這些問題還有待我們?nèi)パ芯拷鉀Q。如果可以將模型替換的過程交由計算機(jī)進(jìn)行處理，那樣可以極大地縮短生產(chǎn)周期，模型間契合度的問題也將迎刃而解。

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作者簡介：王玉（1992.11—），男，滿族，遼寧開原人，碩士研究生在讀，研究方向：數(shù)字化設(shè)計與仿真、智能航運(yùn)；通訊作者：李亞斌（1977.05—），男，漢族，遼寧鐵嶺人，副研究員，博士學(xué)位，研究方向：水運(yùn)安全、智能航運(yùn)。

收稿日期：2022-09-19