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、飛行視窗要求高、生產組織困難等諸多不足。
低空飛行平臺搭載多種航攝感測器後可獲取地面影像或掃描 點雲資料，這些資料不僅可以進行正射影像製作、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，並且該種建模方 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資料，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，人們對於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) 資料來源獲取裝置的研製。國外較早研製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; 隨後，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) 多源資料聯合建模。為改善航攝系統的成果缺陷，人們也開始尋找將傾斜資料與其他資料來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模擬度的方法; 2016 年耿中元［4］ 提出了一種基於外部緩衝區和TIN 瓦片金字塔的資料融合新演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。各國先後出現了很多的影像建模軟體，其中比較常用的有 Smart3D、PhotoScan、PhotoMesh、Pix4D 和DP-Smart 等。人們對於這些軟體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］等採用Smart3D 軟體分別對LeicaＲCD30、AMC580、A3 和SWDC-5 等航攝儀獲取的地面傾斜資料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］分解就採用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。資料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演算法來修補模型空 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最佳化; 林曉鴻［15］ 提出了將小型部件建模應用與室內設計。
由於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，該種建模方式具有資料量大、影像傾角大、攝影死角和模型成果資料量大等一些特點。這就造成了在建模過程中常會出現運算速度慢、空三失敗、模型修正困難和資料應用困難等問題。但是，之前類似的研究較少，所以本文將重點對建立Smart3D 工作叢集、提高空三成功率、模型修正和成果網路釋出等問題作一些探討。
1.1 無人機飛行平臺
無人機作為一個可搭載多種感測器的飛行平臺，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，該類無人機對於起降場地要求不高，常被應用於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瞭如智慧鳥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雲臺，基本上都是由中心一個正射角度的相機，周圍均勻分佈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雲臺，在工作狀態下，中間相機光軸垂直於水平面，四個方向上分別分佈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徵點三張以上不同角度影像的覆蓋。由於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，獲取實景三維建模資料時，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，一般將航線設定為航向重疊度大於 80%，旁向重疊度大於 60%。
2 Smart3D 實景建模
2.1 技術路線
用Smart3D 在進行資料處理之前，需要將獲取的航攝和像控測量資料按照規定的格式進行預處理，從而保證資料格式正確和資料完整。預處理後，將資料匯入軟體進行相應建模處理，其技術路線［16］ 如圖1 所示。
圖 1 總體技術路線
2.1 方案實施
2.1.1 工程準備
在工程構建中，所需要的原始資料主要包括足夠重疊度的多視角影像資料、POS 資料和像控測量成果( 若有高精度的POS 資料，可免像控) 。對於多鏡頭傾斜雲臺獲取的影像資料，需要根據不同視角的相機進行單獨儲存，所有資料的命名要具有唯一性且不能出現中文目錄。對於一些對成果模型的空間位置沒有要求的建模專案，其POS 資料和像控資料可以沒有。有一點需要注意的是，飛行器直接匯出的影像姿態資料常會存在一定的問題，不建議使用。
2.1.1 Smart3D 工作叢集建立
為了提高資料的處理效率，在建立工程之前就需要先建立Smart3D 工作叢集。工作叢集的建立分為3 步: ①叢集電腦連線入同一區域網; ②共享主機電腦中存放工程資料和位置的盤，並修改碟符M( 該碟符，不能與叢集中其他電腦的碟符相同) ; ③在其他電腦中建立相應的M 盤的對映，並透過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，建立Block，並在其中載入影像資料、POS 資料和像控資料。
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並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。當空三加密完成之後，其結算成果會在3D View 中進行視覺化的顯示，也可以將空三後的成果直接匯出成XML 格式進行檢視，如圖3 所示。
圖 2 空三加密過程
圖 3 空三加密成果視覺化
2.1.1 像控點加密
像控點加密主要有3 個作用: ①有利於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座標轉換的作用。對於後者，需要在軟體中預先具有像控點的投影檔案，若沒有的話要提前建立或匯入。需要注意的是，像控刺點完成之後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，軟體會根據計算機的效能將建模專案分割成若干個瓦片進行單獨的重建。這樣既解決了計算機效能的不足也可以便於叢集運算的任務分配。
模型構建是依次按照密集點雲生成、Tin 模型構建和紋理自動對映三個步驟來完成的。根據空中三角測量運算出的影像外方位元素，透過多視影像密集匹配可獲得高密度的數字點雲。密集點雲資料量較大，需要先將資料分塊後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 模型資料進行簡化。將最佳化後的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，便於對檔案的組織結構進行最佳化，提高模型分層次瀏覽的效率。經過一系列處理之後可獲得如圖4 所示的三維場景模型。
圖 4 場景模型檢視
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。尤其是在資料量大、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後，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。
對於時常出現的空三加密失敗的情況，可以採用一些處理方式予以改善。接下來將以5 鏡頭傾斜雲臺為例，簡述其改善方法( 如圖6 所示) 。
圖 5 加密點漂移
圖 6 空三加密處理流程
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徵點匹配錯誤等影響，透過Smart3D 軟體自動生成的三維模型會產生空洞區域。對於一些對模型質量要求較高的專案，就需要對初步形成的成果進行再加工以修復這些問題。Smart3D 軟體提供的模型二次修復流程如下: Smart3D 建立初始模型( 一般為OBJ 格式) →第三方軟體模型修整→匯入Smart3D 軟體進行紋理重新對映。
第三方修模軟體自身功能對修復效果影響較大。常用修復軟體有: 3DMax、Geomagic、Meshmixer、PhotoMesh 和ＲealityPaint 等。這些軟體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割槽域進行曲面簡化( 如圖7 所示) 。
圖 7 Meshmixer 修模前、後的對比圖
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，就需要對其進行區域性重建。採用DP-Modeler 可對Smart3D 生產專案直接匯入進行相應的修整和必要重建。
3.2 成果的網路釋出
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，透過對成果及相關服務進行網路釋出是實現這些應用的重要途徑。
3.3.1 網際網路釋出
Wish3D 是網際網路專用的實景三維模型資料釋出工具，支援將OSGB 和OBJ 格式的資料壓縮後進行網路上傳和釋出，並支援計算機端和手機移動端的登入瀏覽( 如圖8 所示) 。除了瀏覽服務，還可以在該平臺中編輯模型註記和設計瀏覽飛行路線。
圖 8 Wish3D 移動端模型瀏覽
3.3.2 區域網釋出
對於一些可能涉密的實景三維模型不宜對外公開發布的，就需要在區域網中進行資料的釋出。目前專用的區域網資料釋出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釋出資料的方法。
場景模型的內網釋出，需要滿足兩個條件: ①在構建模型時選擇．3MX 作為模型匯出格式且選擇其“Web 安全”選項。②在區域網伺服器上成功安裝Nodejs 網路服務平臺。Node． js 是一個基於 Chrome JavaScript 執行時建立的平臺，用於方便地搭建響應速度快、易於擴充套件的網路應用。在此需要注意的是，正常情況下Nodejs 軟體安裝過程中是需要連外網 的。若要在區域網下安裝，必須先找一個聯網電腦 將 Nodejs 安裝成功( 安裝時需配置快取和全域性選項的目錄) ; 接著將整個安裝目錄複製到內網伺服器，根據聯網電腦配置相關選項後即可安裝。安裝完成 後，透過cmd 進入3MX 資料的存放目錄，採用“http- server”命令啟動服務( 如圖 9 所示) 。
圖 9 3MX 格式場景模型區域網釋出
4結 語
低空無人機傾斜攝影實景三維建模相較於傳統的建模方式，有著高效、高度自動化和高場景逼真度等諸多的優點。現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資料來源的限制，可以加入影片和掃描點雲資料進行輔助建模，使建模成果獲得了極大的改善，例如: 新版本的Smart3D 軟體已加入了融合掃描點雲共同建模的介面。
但是，該種建模成果還存在一定的不足: ①對於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於攝影質量，對裝置要求很高，以至於作業中無人機無法較高飛行，飛行效率較低;③模型成果的資料量較大，對模型修正和應用都帶來了諸多不便。當然，無論是硬體還是軟體的不足，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。
