无人机倾斜摄影精细化模型制作关键技术研究

摘要：针对无人机倾斜摄影实景三维模型中常见的建筑物底部变形、纹理拉花、树木和路灯悬浮、水面破损等问题，文章开展了精细化模型制作技术研究。文章介绍了倾斜摄影技术，对实景三维模型存在的问题进行了分析，给出对应的解决措施。对精细化模型制作流程进行了说明，解决了实际项目中的问题模型，得到了精细化模型成果。研究结果表明，文章提出的方法能够有效解决上述模型问题，显著提升模型的精细度，可为实景三维中国建设等项目提供参考。

关键词：无人机倾斜摄影；精细化模型；单体化模型；模型修饰

中图分类号：P251         文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2025）08-0105-04

开放科学（资源服务） 标识码（OSID） ：

0 引言

近年来，随着导航定位精度的不断提升，无人机倾斜摄影技术凭借其高效、灵活、低成本等优势，在农村房地一体确权、村庄规划、数字城市建设等领域得到越来越广泛的应用[1-2]。虽然倾斜摄影技术用途很广，但是航空摄影也存在一定的局限性，如树木、建筑互相遮挡形成的航摄盲区，侧视相机与下视相机距离地面航高不同导致的航摄影像分辨率差异大等，会导致生产的模型成果存在一定的问题。如建筑物底部因无可靠影像参与运算，导致的底部结构变形与纹理拉花，树木和路灯建模不连续形成的孤立悬浮物，水面破损等[3-5]。这些问题模型，对于数字城市、智慧城市、实景三维中国建设项目来说，是需要进行修改完善的[6]。鉴于此，文章对倾斜摄影技术进行了探讨，分析了模型问题产生的原因，并给出对应的解决措施，对精细化模型的制作流程进行了说明，并对实景三维中国建设项目中的问题模型进行了处理，得到了精细化模型成果。为此，本文将探讨倾斜摄影技术，分析模型问题产生的原因，提出相应的解决措施，并通过实际项目案例验证其可行性。

1 倾斜摄影技术

与传统的垂直摄影相比，倾斜摄影最大的特点在于能够从多个角度同步采集地面影像数据，从而获取更全面的地物信息[7]。对于5镜头相机来说，下视和侧视夹角通常为45°，这种组合可以采集得到更多的视角影像数据，丰富的影像数据在解算时，可以形成更多约束方程，从而解算得到精度更高的成果数据。其缺点是：1） 获取的影像边缘变形大，分辨率差异大，冗余度高，导致解算效率低[8]；2） 整体重量大，搭载在无人机上，降低了无人机作业效率。在实际应用中，为了有效降低影像分辨率的差异，在进行5镜头相机组装时，通常设置侧视焦距是下视焦距的1.4倍，这样可以保证获取的影像分辨率尽可能一致[9]。在采集城区影像时，为了降低影像变形带来的影响，通常选择长焦相机，这样获取的数据更有利于解算。倾斜摄影相机在作业时，按照已有的航线进行同步曝光，并对下视相机的POS数据进行记录。如图1所示，是5镜头相机连续多次曝光采集影像的示意图。

2 模型问题分析与解决措施

基于倾斜摄影方式采集影像数据，并利用专业的软件生产模型，可以得到能够准确反映实际现状的模型成果，然而由于航空摄影存在一定的局限性，加之目前的软件算法有待完善，因此会出现较多的模型问题。下面对常见的模型问题产生的原因进行分析，并给出相对应的解决措施。

2.1 建筑物变形拉花问题优化

该类问题反映在模型上，主要包括建筑物底部门窗破损、纹理拉花、墙体边缘缺失等。分析其产生的原因，主要是因为建筑物、树木互相遮挡，导致出现航摄盲区。影像数据的解算是基于影像的像素灰度值来完成的，因此在数据解算过程中，航摄盲区对应的区域由于没有可靠的影像数据，会导致解算得不到同名点数据。由于没有可靠的同名点数据，无法准确获取密集点云，从而无法构建准确的地物结构，出现结构变形和纹理拉花的模型成果，这种成果通常出现在建筑物底部。对于建筑物模型底部结构变形和纹理拉花问题，可采用以下几种措施来优化。1） 采用地面激光点云和倾斜影像融合建模。利用静态或背包式设备采集建筑物底部点云，并同步获取点云对应的影像数据，并将影像纹理赋值到点云上，利用像控点完成点云坐标的校正。在三维模型重建环节，将获取的点云成果导入软件中，并和倾斜摄影生成的密集点云融合建模，从而得到结构完整、纹理与实际现状相符的精细化模型。2） 采用单体化建模。建筑物结构通常是比较规则的，因此可以基于实景三维模型和立体像对模型，对建筑物的结构进行矢量化。在矢量化过程中，通过点到线、线到面、面到体的作业方式，勾勒建筑物的主体结构。采用由简到难的方式，制作建筑物附属结构，最后通过组合的方式，完成建筑物白模的制作。通过影像和建筑物之间的对应关系，将纹理自动映射到模型上，并对纹理不符合要求的区域再次进行纹理编辑和修饰，从而得到最终的精细化模型成果。对于上述两种解决措施，方案1） 成本高，并且点云和影像融合难度高，一般会出现模型分层问题；方案2） 方案可操作性强，是目前解决建筑物变形拉花的主要作业方法。

2.2 树木孤立悬浮物问题优化

该类问题反映在模型上主要呈现为树木、路灯悬浮在空中，与地面不相连。分析其产生的原因是构建模型的三角面片出现了不连续。三维模型重建主要包含生成稠密点云、构建三角面片和纹理映射。对于树木、路灯等地物，其结构较小，生成的点云数量少，不符合构建三角面片的要求，因此出现了所谓的悬浮物。对于悬浮物的优化处理，通常采取以下几种措施。1） 直接删除悬浮物。这是目前处理悬浮物最主要的方式，即利用修模软件，首先直接选中悬浮物并对其进行删除，其次对高出地面的树杆进行压平，然后对删除悬浮物带来的孔洞进行修补，最后对悬浮物遗留下的影子进行编辑处理，从而得到精细化模型场景。个别项目要求种植树木，可将模型库中的树木植入原树木所在的位置，得到种植树木后的模型场景。2） 采集分辨率更高的影像数据。因为密集点云的生成是基于影像像素来完成的，所以获取分辨率更高的影像数据，就可以匹配出更加密集的点云成果，从而构建连续的三角面片，得到完整的树木和路灯等地物的模型成果。高分辨率影像数据的获取通常可以采用降低飞行高度、更换焦距更长的相机、地面近距离影像数据的采集。上述两种方法都可以有效解决悬浮物问题，得到精细化模型场景成果，方案1） 可操作性强，作业成本低；方案2） 操作难度大，作业成本高，适用于对真实场景要求非常高的项目，实景三维中国建设项目采用方案1） 即可。

2.3 水面破损问题优化

该类问题反映在模型上主要呈现为水面高程差异大、水面不完整、破损严重。分析其产生的原因：在影像数据解算中，水面属于弱纹理地物，一般是无法准确解算得到同名点的。因此在进行密集点云匹配时，水面是无法匹配得到点云的，从而得到的水面模型通常是破损的。对于水面模型的优化处理，通常采取以下几种措施。1） 导入水面范围约束建模。三维模型重建时，优先会使用密集点云进行模型重建，当没有可靠的点云数据时，会以引入的水面范围为参照进行模型的重建。水面范围坐标系统必须与像控点的一致，并且高程要与水面的高基本一致，这样才能得到精细的水面模型。2） 修补水面破损区域。对于破损的水面，利用专业的模型编辑软件，以周边已有的三角网为基础，对孔洞进行三角网内插，从而得到修补后的水面，再利用模型编辑软件的压平和纹理编辑功能，对修补后的水面进行整平处理，并对纹理进行编辑，得到高质量的水面模型成果。3） 单体化水面模型。在正射影像上采集水面的平面位置，在模型上采集水岸线的高程。将采集的矢量面导入3dmax软件中，制作水面的模型成果，然后导出FBX或OBJ格式的模型。采用格式转换软件，将导出的模型转为OSGB格式的模型，将模型的根节点合并，从而得到精细化的模型成果。上述三种方案都可以得到精细化水面模型成果，然而方案1） 得到的模型水面纹理色差较大，需要采用修模软件进行修饰处理；方案2） 适合小面积模型水面处理，对于大面积来说，因为破损严重，很难通过周边的已有三角网完成水面三角网的内插；方案3） 适用于水面大面积破损，并且纹理可以赋统一值，不会存在色差。具体作业过程中，可针对不同项目需求和水面破损的情况，选择合适的水面模型优化措施，以最低成本得到最佳的模型成果。

3 精细化模型制作流程

精细化模型主要通过两方面来表现，即纹理和结构。对模型进行精细化处理，通常需要对模型结构进行重构和修补，对纹理进行编辑和替换。如图2所示，是精细化模型制作的流程图。

其中，模型结构重构主要包含两种方式，即基于立体像对模型和实景三维模型。基于立体像对模型需要的数据包括未畸变影像、外方位元素和相机参数；基于实景三维模型需要OSGB格式的模型成果。两种方式都是采集建筑物的结构，并对采集得到的建筑体映射纹理，对纹理不满足项目需求的部分进行纹理编辑，转换得到OBJ或OSGB格式模型成果。结构和纹理编辑主要包含删除悬浮物、孔洞修补和地物压平，然后直接对处理后的成果进行纹理映射与编辑，最终得到精细化模型成果。

4 应用实例

实景三维作为真实、立体、时序化反映人类生产、生活和生态空间的时空信息，是国家重要的新型基础设施，可以通过“人机兼容、物联感知、泛在服务”实现数字空间与现实空间的实时关联互通，为数字中国提供统一的空间定位框架和分析基础，是数字政府、数字经济重要的战略性数据资源和生产要素，为此某城市积极开展实景三维中国建设项目。该项目需要采用倾斜摄影方式获取多角度影像数据，并生产模型成果。首先对该城市进行现场勘查，收集了该城市2022年0.2 m的数字正射影像成果，用于像控点的布设和像控点采集的路线图。在完成像控点坐标采集后，使用六旋翼无人机为飞行平台，搭载下视焦距35 mm，侧视焦距50 mm的5镜头倾斜相机，航飞250 m左右的高度，按照航向、旁向均为80%的重叠度进行城市倾斜影像数据的采集，航摄30架次，共采集分辨率为4 cm的倾斜影像数据近10 w张。利用主流的瞰景Smart3D软件进行该城市模型的制作，得到了现势性强的模型成果。在对模型成果查看时，发现部分模型存在建筑物底部结构变形和纹理拉花、树木悬浮物、水面破损的问题，不能满足本次项目的需求，要对该部分问题模型进行处理。采用本文精细化模型制作方案，对上述问题模型进行优化处理。

对于建筑物底部结构变形和纹理拉花的模型，采用SVSModeler软件进行单体化处理。首先恢复单体化工程，然后基于实景三维模型和立体像对模型，采集建筑物的顶部轮廓，然后通过拉伸的方式，将矢量面拉伸为矢量体，得到建筑物的主体结构。基于立体像对模型，对建筑物的部件进行采集，然后通过组合，将主体和部件合成一个模型。基于航摄影像和模型之间的关系，将纹理映射到单体化模型上，并对纹理不合适的区域，联动Photoshop软件进行修改，从而得到精细化模型成果。如图3所示，是某建筑物优化前后对比图。

对于模型场景来说，悬浮物的存在让模型场景显得更加乱，降低了模型的质量。本次采用SVSMeshEditor软件，对树木悬浮物进行删除处理。首先将OSGB格式的模型加载到软件中，然后批量选中悬浮物，对悬浮物进行一键删除，再对删除后留下的高出地面的树杆进行压平处理，对树影子的纹理进行修饰处理，对删除后留下的孔洞进行修补处理，从而得到优化后的模型场景。如图4所示，是场景中悬浮物处理前后的对比图。

对于模型中的水面来说，一般会存在破损问题，影响模型整体的视觉质量，因此非常有必要对破损水面进行优化处理。模型编辑常用的格式有两种，即OSGB和OBJ。对于结构编辑，一般选用OBJ格式，OSGB适合纹理编辑和删除悬浮物等，对于水面破损修补，则需要选用OBJ格式来完成。首先利用空三成果、未畸变照片、OSGB和OBJ格式的模型建立工程，然后对破损水面进行压平和孔洞修补，再采用航摄影像进行纹理映射，在得到精细化模型后，将OBJ格式转化为OSGB格式，并完成优化后的模型输出。如图5所示，是水面模型修补前后的对比图。

5 结束语

本文对倾斜摄影技术进行了分析，探讨了精细化模型制作的关键技术，通过流程图的形式对精细化模型制作流程进行了说明，并以某城市实景三维建设项目为例，验证了本文方案在精细化模型制作方面的可行性。本文的方案虽然可以得到精细化模型成果，但是工作量大、软件作业流程烦琐。未来如果能够将人工智能自动化模型精细化处理技术和AI技术相结合用于模型制作中，有望提升自动化模型的精细度，并且在修饰纹理时，可以快速高效完成纹理的修补工作，为精细化模型的高效制作提供保障。

参考文献：

[1] 魏军，于洪雨，靳巧珠，等.无人机倾斜摄影技术在农村房地一体确权登记项目中的应用研究[J].测绘与空间地理信息，2023，46（2）：60-63.

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[4] 朱兴志，王志伟，王涛.无人机倾斜摄影在城市精细化三维模型制作中的应用[J].智能建筑与智慧城市，2024（8）：32-34.

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[7] 朱悦阳，胡丹丹，刘杨.基于倾斜摄影的实景三维模型制作优化研究[J].电脑知识与技术，2024，20（15）：113-115.

[8] 郭昕怡，刘军，陈毓洁，等.基于DP-Modeler的实景三维校园精细化模型构建[J].山西建筑，2023，49（24）：165-168，193.

[9] 宰春旭.基于多种摄影方式的精细化三维模型构建方法研究[D].昆明：昆明理工大学，2021.

【通联编辑：梁书】