基于傾斜攝影技術(shù)的國內(nèi)外建模軟件比較研究

甘文霞，柴 靚，何 朝，章 翌，胡小弟*，肖安娜，高云龍

1. 武漢工程大學土木工程與建筑學院，湖北 武漢 430074；2. 中建三局第二建設工程有限責任公司，湖北 武漢 430000；3. 武漢光谷建設投資有限公司，湖北 武漢 430205；4. 湖北交通投資集團有限公司，湖北 武漢 430050；5. 武漢大勢智慧科技有限公司，湖北 武漢 430223

隨著“實景三維中國”計劃的不斷推進，無人機制造技術(shù)和計算技術(shù)迅速發(fā)展，傳統(tǒng)的三維建模技術(shù)已經(jīng)無法滿足大規(guī)?？焖俳５男枨螅詢A斜攝影和激光掃描為代表的三維測繪相關技術(shù)是測繪行業(yè)未來的重點方向［1］。傾斜攝影測量能夠利用多傳感器，獲取多角度圖像，快速生成實景三維模型［2］。國內(nèi)外現(xiàn)有基于傾斜攝影測量的自動三維建模軟件較多，但各軟件的操作方式、生產(chǎn)效率、模型精度等方面不同，導致其在實際項目中的實用性、適用性以及模型質(zhì)量存在差異。因此學者針對不同三維建模軟件進行了對比研究：張懂 慶 等［3］對Smart3D 2019、Mirauge 3D、Context Capture 3 種傾斜攝影建模軟件的硬件配置、軟件操作性、空中三角測量質(zhì)量、模型質(zhì)量等進行對比，得出Smart3D 2019 建模軟件的空中三角測量通過率、精度和模型質(zhì)量均較高，且輸出模型格式多。 楊 云 峰 等［4］對Context Capture、Agisoft PhotoScan 及Pix 4D Mapper 3 種傾斜攝影建模軟件的操作性、運算時長、模型質(zhì)量等方面進行對比，結(jié)果表明Context Capture 在水平方向與垂直方向?qū)φ`差的控制較好，三維模型精度優(yōu)于其他2款軟件。王建［5］將傳統(tǒng)軟件與Context Capture 生產(chǎn)出的模型進行對比，結(jié)果表明Context Capture生產(chǎn)出的模型質(zhì)量好、精度高，且較傳統(tǒng)方法效率高。 楊 文 府 等［6］用Context Capture 軟 件 和PhotoMesh 軟件對殺虎口古長城場景進行三維建模，比較2 種軟件的空三精度，得出Context Capture 軟件的空三精度更高。盧亞龍［7］將Pix 4D Mapper 軟件和EPS 軟件對比，兩種方式生產(chǎn)的地形圖成果均滿足1∶1 000 成圖要求。鐘雷文［8］用大疆智圖和Context Capture 軟件對校園場景進行三維建模，通過對建模質(zhì)量進行分析得出大疆智圖軟件在細節(jié)處理方面較優(yōu)于Context Capture軟件。

目前，國內(nèi)傾斜攝影自動化三維建模主要以國外軟件為主，國內(nèi)已經(jīng)涌現(xiàn)出如重建大師、大疆智圖等自主軟件。本文將以國產(chǎn)三維建模軟件與Context Capture 等軟件進行硬件要求、操作性、模型精度及效果對比分析。

1 傾斜攝影測量技術(shù)概述及常用軟件

1.1 傾斜攝影測量技術(shù)

傾斜攝影測量是一種通過在飛行平臺上搭載多臺傳感器，同時從垂直、多個傾斜角度獲取目標物數(shù)據(jù)和紋理信息的新型技術(shù)［9-10］，再經(jīng)過影像同名點匹配、空三加密、不規(guī)則三角網(wǎng)構(gòu)建、表面貼圖等內(nèi)業(yè)處理建立精細化、真實化的實景三維模型［11-12］。傾斜攝影實景三維建模流程如圖1 所示。目前常見的傾斜攝影測量系統(tǒng)是由無人機飛行平臺搭載相機組成，相機在同一曝光點獲取地面物體多角度數(shù)據(jù)，此時飛行平臺中的位置與姿態(tài)系統(tǒng)（position and orientation system，POS）可記錄每張相機曝光瞬間的位置姿態(tài)、GPS 坐標等信息。該系統(tǒng)能夠獲取地物全方位信息，為后續(xù)三維重建提供良好的數(shù)據(jù)基礎［13］。

圖1 實景三維建模流程Fig.1 Process of real 3D model production

1.2 軟件基本信息介紹

目前業(yè)界常用的傾斜攝影三維建模軟件有美國Bentley 公 司 的Context Capture、瑞 士Pix4D 公司的Pix 4D Mapper，中國大疆創(chuàng)新公司的大疆智圖以及大勢智慧公司的重建大師等。4 款軟件以數(shù)碼相片、航拍照片、激光點云組成的多源數(shù)據(jù)作為輸入，后經(jīng)內(nèi)業(yè)處理生成高精度實景三維模型。Context Capture 和Pix 4D Mapper 是目前被用戶廣泛使用的三維建模軟件［14］。大疆智圖除支持三維重建，還提供自主航線規(guī)劃、飛行航拍等應用。重建大師是專為超大規(guī)模實景三維數(shù)據(jù)生產(chǎn)而設計的集群并行處理軟件。

2 技術(shù)路線與評價指標

2.1 技術(shù)路線

本文首先闡述了無人機傾斜攝影技術(shù)的概況和4 款仿真軟件的基本信息，其次根據(jù)現(xiàn)場采集的影像數(shù)據(jù)，嚴格控制各個輸入?yún)?shù)，利用4 種軟件進行三維重建，最后對軟件的硬件配置、操作性、模型精度和模型效果進行對比，如圖2 所示。

圖2 軟件對比工作流程Fig.2 Workflow for software comparison

2.2 評價指標

本文參考國家《三維地理信息模型數(shù)據(jù)產(chǎn)品規(guī)范》，并根據(jù)實景三維模型特點，從模型精度和模型效果對建模成果進行評價。

2.2.1 模型精度評價 模型精度評價包括平面中誤差、高程中誤差，詳見表1、表2。

表1 平面精度Tab.1 Planar accuracy

表2 地形精度規(guī)范Tab.2 Terrain accuracy standards

2.2.2 模型效果評價 本文模型效果評價包括對模型精細度和紋理精細度2 方面的檢查。模型的精細度是核查分析模型是否存在結(jié)構(gòu)比例失調(diào)、扭曲變形、附屬細部遺漏等一系列與實際不符的情況，如路面是否平整、水域是否有凹凸等。紋理的精細度是檢查模型紋理是否有模糊、錯誤、失真、變形，相同地物紋理不同、紋理間不協(xié)調(diào)、紋理數(shù)據(jù)存在不合理縫隙等問題，如房屋密集區(qū)域是否有異常紋理。

3 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)

本文以湖北省武漢市新洲區(qū)京廣線沙河大橋為試驗區(qū)域，面積約0.45 km2，如圖3（a）所示。該區(qū)域地形較為平坦，沙河大橋兩側(cè)樹木茂盛，測區(qū)內(nèi)以村落、農(nóng)田與河流為主。本次航攝采用大疆精靈4 RTK，如圖3（b）所示，設定航向重疊度70%，旁向重疊度70%，相對航高100 m，地面分辨率為2.7 cm，共獲取影像691 張和與其對應的POS數(shù)據(jù)。采用標靶板制作像控點，在測區(qū)范圍內(nèi)均勻布設共30 個，布設時用手機拍攝照片并將位置信息在圖片上標記，方便查找時使用［15］，如圖3（c）所示。測量儀器為中海達Ubase，如圖3（d）所示，利用網(wǎng)絡實時動態(tài)測量技術(shù)（real time kinematic，RTK）量測像控點，坐標系統(tǒng)為國家CGCS2000 坐標系，填寫像控點成果表。

圖3 測區(qū)概況及數(shù)據(jù)采集：（a）研究區(qū)域，（b）大疆精靈4 RTK，（c）像控點，（d）中海達UbaseFig.3 Overview of study area and data collection：（a）study area，（b）DJI phantom4 RTK，（c）photo control point，（d）Hi-Target Ubase

4 處理流程及模型質(zhì)量對比

4.1 軟件使用

4.1.1 硬件配置對比 4 款軟件對電腦硬件配置要求見表3，均為官方規(guī)定最低配置要求。通過表3可以看出，4 款軟件在硬件配置要求上由高到低依次為重建大師、Context Capture、大疆智圖、Pix 4D Mapper。

表3 硬件配置要求Tab.3 Requirements of hardware configuration

4.1.2 操作性對比 4 款軟件數(shù)據(jù)處理流程及對比見表4，由表4 可知各軟件特點如下：（1）Context Capture 和重建大師的操作界面與邏輯較為相似，軟件操作步驟多且復雜，在進行編輯控制點與添加邊界約束操作時需要人員具備相關專業(yè)知識。Pix 4D Mapper 與大疆智圖軟件操作簡單，按軟件提示進行操作即可完成重建任務。（2）大疆智圖和重建大師支持中英文項目名稱和儲存路徑，其余2款軟件僅支持英文。（3）在進行刺點操作時，Context Capture、大疆智圖與重建大師3 款軟件均能夠自動提示控制點預測位置和數(shù)據(jù)誤差較大的刺點操作，使刺點更加方便、準確。（4）在計算時長方面，Pix 4D Mapper 在軟件運算上耗時最短，其次是Context Capture，大疆智圖計算時間稍長，運行時間最長的是重建大師。具體使用時應根據(jù)人員配備、計算資源及時效要求進行軟件選擇。

表4 軟件操作性對比Tab.4 Comparison of software usability

4.2 模型質(zhì)量對比

4.2.1 模型精度分析 用戶通過分析實景三維模型可以得到真實場地的三維坐標信息，因此三維模型精度能否滿足要求非常重要［16］。本文共采集30 個像控點，其中1 個像控點地面標識被移動不予分析，剩余29 個點中選用11 個點用作空三計算的控制點，18 個點用作精度檢測的檢查點。將其外業(yè)實測坐標看作真值，多次量測檢查點在模型上對應位置的坐標，并取平均值與真值進行對比，其結(jié)果見圖4。

圖4 檢查點誤差分析：（a）X 方向，（b）Y 方向，（c）Z 方向Fig.4 Analysis of checkpoint errors：（a）X-direction，（b）Y-direction，（c）Z-direction

根據(jù)三維模型X、Y、Z方向的坐標值誤差，計算出各軟件三維模型的平面中誤差及高程中誤差，如表5 所示。

表5 三維模型精度統(tǒng)計Tab.5 Statistical analysis of 3D model accuracy

根據(jù)國家《三維地理信息模型數(shù)據(jù)產(chǎn)品規(guī)范》比例尺為1∶500 的平面中誤差與高程中誤差分別為0.50 m 和0.37 m，4 款軟件生成的模型均符合精度要求。4 款軟件平面中誤差最大的是Pix 4D Mapper、最小的是大疆智圖，高程中誤差最大的是Pix 4D Mapper、最小的是重建大師和大疆智圖。

4.2.2 模型效果對比 基于本文上述前提，對所選擇的試驗區(qū)主要從水域、房屋、道路3 個方面進行模型效果對比。

（1）水域建模對比

三維建模軟件以實際航拍圖像為紋理信息，能夠仿真目標場景的顏色及紋理，但水體由于光線反射，易造成其三維模型產(chǎn)生空洞現(xiàn)象，因此需針對水域模型效果進行分析。本研究區(qū)域中4 款軟件的水域建模如圖5 所示。Pix 4D Mapper、Context Capture 和大疆智圖的模型存在凹痕，且Pix 4D Mapper 的模型空洞較為明顯且無法反應真實水體情況，而重建大師處理后的水體模型較為完整、調(diào)色均勻，模型效果優(yōu)于其他3 款軟件。

圖5 水域建模結(jié)果：（a）Context Capture，（b）Pix 4D Mapper，（c）大疆智圖，（d）重建大師Fig.5 Results of water area modeling：（a）Context Capture，（b）Pix 4D Mapper，（c）DJI Terra，（d）G3D

（2）房屋建模對比

4 款軟件都能對房屋的整體樣貌進行重建，紋理映射符合實地情況，如圖6（a-d）所示。大門、雨棚和護欄構(gòu)件目標較小且紋理單一，采集影像重疊率小、分辨率低，導致軟件在特征點提取與匹配時易出現(xiàn)錯誤，因此需針對上述構(gòu)件模型效果進行分析。本研究區(qū)域中4 款軟件大門、雨棚和護欄構(gòu)件建模如圖6（e-h）所示，4 款軟件生成的大門三維模型均出現(xiàn)了破損。針對雨棚和護欄構(gòu)件，Pix 4D Mapper 未能重建三維模型，大疆智圖和重建大師生成的三維模型出現(xiàn)扭曲變形，Context Capture相比其他3 款軟件較好地重建了模型結(jié)構(gòu)。

圖6 房屋建模結(jié)果：（a、e）Context Capture，（b、f）Pix 4D Mapper，（c、g）大疆智圖，（d、h）重建大師Fig.6 Results of house modeling：（a，e）Context Capture，（b，f）Pix 4D Mapper，（c，g）DJI Terra，（d，h）G3D

（3）道路建模對比

道路建模結(jié)果如圖7 所示，除Pix 4D Mapper外，其余3 款軟件對地面道路標識、部分道路損傷等部分重建較為清晰。由于指示牌結(jié)構(gòu)簡單、紋理單一、受樹木等物體的遮擋，在進行空中三角測量時，不能確保特征點的數(shù)量，同時，在網(wǎng)格拓撲創(chuàng)建和處理時，面片之間連接錯誤，造成形狀破壞、空洞。Context Capture 軟件能夠完整重建道路指示牌，其余3款軟件重建模型出現(xiàn)不同程度的缺損。

圖7 道路建模結(jié)果：（a）Context Capture，（b）Pix 4D Mapper，（c）大疆智圖，（d）重建大師Fig.7 Results of road modeling：（a）Context Capture，（b）Pix 4D Mapper，（c）DJI Terra，（d）G3D

5 結(jié) 論

總結(jié)現(xiàn)有研究和用戶單位關注點，從硬件要求、可操作性、模型精度和模型效果對4 款傾斜攝影測量軟件進行了對比分析，得到了如下結(jié)論：（1）4 款軟件在各方面表現(xiàn)不同，Context Capture與重建大師硬件要求高，運算時間長，Pix 4D Mapper 和大疆智圖相較于其他2 款軟件操作更為簡單，無需操作人員有相關專業(yè)知識。（2）各建模軟件均能重建0.45 km2實驗區(qū)域全貌，重建大師軟件能夠較好地修補水域模型，針對紋理單一物體Context Capture 生成的三維模型結(jié)構(gòu)較為完整。（3）4 款軟件均能滿足1∶500 的三維模型產(chǎn)品標準，且重建大師和大疆智圖2 款軟件在水平方向與垂直方向?qū)φ`差的控制較好，三維模型精度優(yōu)于其他2 款軟件。以上研究結(jié)論能為傾斜攝影測量軟件在實際工程中的應用提供參考作用，從軟件選型方面提高傾斜攝影測量建模作業(yè)效率。