基于Smart3D三维模型构建方法研究-山东科技大学为例

 摘 要
为了弥补传统航空摄影测量的局限性，满足城镇发展的需要，三维建模的理论和技术问题值得深入研究，城市空间信息的获取和管理以及更新是建立数字城市亟待解决的问题。对于小面积大比例尺地形测绘而言，无人机摄影测量技术是一种理想获取地面影像的手段。相对于传统的航空摄影测量而言，它具有效率高、成本低、周期短、可操作性强、运作方便等优点；而且，影像上建筑物的轮廓清晰，彩色逼真，信息更加丰富。低空摄影测量技术结合基于Smart3D城市三维建模，可以为数字城市的快速发展开辟一种新的途径。
本文以山东科技大学无人机数据为例，详细介绍了利用无人机倾斜摄影技术构建三维模型的方法与过程，对无人机倾斜摄影数据三维建模的关键技术：数据导入、空中三角测量、生成DSM、构建TIN、纹理粘贴及实景影像三维模型输出进行了分析与研究，最后对其生成的三维模型进行精度评定与分析。
关键字：无人机；3D建模；Smart3D；空三；DSM

ABSTRACT
In order to overcome the limitation of traditional photography and meet the needs of urban development,the theory and technology of 3D modeling problems worthy of further study. City spatial information acquisition and management is the same as establish and update the digital city problems. Therefore,for small region with large scale topographic mapping. UAV photogrammetry is an ideal way for acquiring ground images. UAV photogrammetry generally refers to the height in photogrammetry below 1000 meters,compared with the traditional aerial photogrammetry,it has the advantages of high efficiency,low cost,short cycle,strong operability，convenient operation. Moreover,the image of the building outline clear,vivid color and with more abundant information. Low altitude photogrammetry combined with 3D modeling based on Smart3D can give us a new way for the rapid development of digital city.
Taking the UAV data of Shandong University of Science and Technology as an example, this paper introduces the method and process of constructing 3D model by using oblique photography of UAV, and the key technology of 3D modeling for tilt data of UAV, including data import,aerial triangulation,generate DSM, build TIN, texture paste and real image three-dimensional model output and so on. At the same time,the key technology of UAV tilt photography data processing will be analysis and study. In the end,I will obtain the accuracy of the generated 3D model by evaluating and analyzing.
Key words: UAV;3D modeling; Smart3D;Aerial triangulation;DSM

目录
1 绪论 1
1.1 研究的背景和意义 1
1.2 研究现状 7
1.3 论文主要内容和结构安排 10
2 基于Smart3D三维建模方法及软件介绍 12
2.1 Smart3D软件介绍 12
2.2 Smart3D建模优缺点分析 13
3 三维建模关键步骤分析 15
3.1数据导入 15
3.2空中三角测量 17
3.3 DSM生成 27
3.4构建TIN 37
3.5 纹理粘贴及实景影像三维模型输出 40
4 实验结果与分析 45
4.1实验数据 45
4.2实验结果与分析 47
5 总结与展望 55
5.1 总结 55
5.2 展望 57
参考文献 59
致谢 61
附录 61

1 绪论
1.1 研究的背景和意义
1.1.1无人机技术
无人机出现在1917年，早期的无人驾驶飞行器的研制和应用主要用作靶机，应用范围主要是在军事上，后来逐渐用于作战、侦察及民用遥感飞行平台。20世纪80年代以来，随着计算机技术、通讯技术的迅速发展以及各种数字化、重量轻、体积小、探测精度高的新型传感器的不断面世，无人机的性能不断提高，应用范围和应用领域迅速拓展。世界范围内的各种用途、各种性能指标的无人机的类型已达数百种之多。续航时间从一小时延长到几十个小时，任务载荷从几公斤到几百公斤，这为长时间、大范围的遥感监测提供了保障，也为搭载多种传感器和执行多种任务创造了有利条件。
按照系统组成和飞行特点，无人机可分为固定翼型无人机、无人驾驶直升机两大类种类。固定翼型无人机通过动力系统和机翼的滑行实现起降和飞行，遥控飞行和程控飞行均容易实现，抗风能力也比较强，类型较多，能同时搭载多种遥感传感器。起飞方式有滑行、弹射、车载、火箭助推和飞机投放等；降落方式有滑行、伞降和撞网等。固定翼型无人机的起降需要比较空旷的场地，比较适合矿山资源监测、林业和草场监测、海洋环境监测、污染源及扩散态势监测、土地利用监测以及水利、电力等领域的应用；无人驾驶直升机的技术优势是能够定点起飞、降落，对起降场地的条件要求不高，其飞行也是通过无线电遥控或通过机载计算机实现程控。但无人驾驶直升机的结构相对来说比较复杂，操控难度也较大，所以种类有限，主要应用于突发事件的调查，如单体滑坡勘查、火山环境的监测等领域。
无人机具有机动、灵活、快速、经济等特点，以无人机作为航空摄影平台能够快速高效地获取高质量、高分辨率的影像，无人机在摄影测量中的优势是传统卫星遥感无法比拟的，越来越受到研究者和生产者的青睐，大大地扩大了遥感的应用范围和用户群，具有广阔的应用前景。
在国外，美国航空航天局将无人机应用于森林火灾监测、精确农业、海洋遥感等研究项目。澳大利亚利用全球鹰搭载成像SAＲ进行海洋监测研究。在国内，红鹏公司微型无人机倾斜摄影系统将无人机技术与倾斜摄影技术有效地结合，自主研发完成了一套微型无人机倾斜摄影系统，包括电动六旋翼无人机、五相机倾斜摄影吊舱、降落伞模块、控制模块等。系统具有成本低、飞行可靠性高、操作使用简单、起飞和着陆场地要求低。定位精度与影像分辨率高等特点，可以满足倾斜摄影测量与快速三维建模对数据获取的要求。微型倾斜摄影产品平台，弥补了微型超低空低成本获取倾斜摄影测量高分辨率数据的空白，可为测绘、规划、应急、公安、旅游文化等行业提供低廉、高效、敏捷的数据支持与服务，提高了精细三维数据灵活快速获取的能力。应用成果已在公安、应急、测绘、旅游、环保等行业得到了应用验证，获得了用户的好评。社会经济效益显著，具有重要的示范作用和推广价值。无人机倾斜摄影测量已经成为未来航空摄影测量的重要手段和国家航空遥感监测体系的重要补充，逐步从研究开发阶段发展到了实际应用阶段。
1.1.2倾斜摄影技术
由于摄影姿态及飞行高度的限制，传统的垂直摄影系统一般都会受到限制，获取的数据为垂直视角下的影像，因而只能获得建筑的高度和部分顶部的纹理信息，这使得全方位的模型重建以及场景感知受到局限，非专业人员难以对影像进行解译，影像信息量也无法满足需求。而倾斜摄影技术是对传统航空摄影测量的一种补充，它颠覆了以往航摄仪只能从正射角度拍摄影像的局限，它通过在同一飞行器上搭载多台传感器同时从1个正射、4个倾斜等5个不同的角度采集数据，将用户引入了符合人眼视觉习惯的真实且直观的世界。利用倾斜摄影测量技术，可以快速建立城市三维模型。
从摄影技术特点上来看，一般倾斜影像航带间重叠率不超过 50%，这与传统摄影测量航带间重叠率超过 60%是不一样的。其次，五镜头系统同一次曝光四个侧视镜头获得的影像与下视影像不重叠不连接，因此对于整个区域网而言，侧视影像与下视影像间的重叠关系是复杂未知的。最后，倾斜航摄仪一般搭载在低空飞行器上，这使得倾斜影像的分辨率一般较高，通常在 10CM 左右，甚至更小。
从倾斜影像自身特点来看，其像幅较传统拼接大像幅的航空影像要小很多。但是影像的透视畸变严重，同一张影像上不同区域摄影比例尺有很大区别，这给影像间的匹配带来了一定难度。除此之外，倾斜影像同名像对间的视点差异较大（可能达到90 度），并且，即使同一个航带，不同视角的重叠影像也存在较大的获取时间差，使得影像的成像环境有不小的改变，进一步的增加了匹配困难。
从应用方面来看，倾斜影像不同于以往的航空正摄影像。传统航空影像主要用于2D 产品的生产，以获得地面的地形、地貌信息，而倾斜影像则主要用于城市地区的地物，尤其是人工地物信息的采集。倾斜影像弥补了正射影像不能从各个方位观察地物的不足，它能使建筑物的实际结构得到更好的反应。同时较高的分辨率和 360 度的视角也提供了更丰富、更全面的地面细节信息。航空摄影测量能够大规模的成图，倾斜影像又能够大量的提取和映射纹理，此两种方法相结合，在三维数字城市的应用中，能够极大的降低城市建模的成本以及时间。带地理参考的倾斜影像还可直接用于量测，这些都是倾斜影像突出于传统航片的优势。
倾斜影像所反映的建筑物结构非常的真实直观，不仅如此，凭借先进的技术，所得到的地理信息也非常精确。因其影像信息的丰富、用户体验的高级，其在遥感影像中得到了更加广泛的应用，从而使得遥感影像的应用领域更加宽广。现如今这项技术已经广泛应用于欧美的国土安全、房产税收、实景导航、灾害评估等行业。
1.1.3三维建模技术
人们对周围环境的认识一直追寻着逼真还原的效果，三维建模可以认为是一种最佳手段。三维建模技术由来已久，最早应用于地质、矿产等地下工程的模拟建模上，经发展和推广，目前已广泛应用于如医疗、游戏、交通等各巧各业。“数字城市”作为人们认识和使用自身城市环境的一个手段，三维模型理应成为其框架的基本内容。但是，众所周知，三维建模在难度和复杂度上要远远超出二维图形，同时，一个城市所涉及的自然、人工物体以数万计起，数量庞大，形状各异，给建模带来很大困难。因此，在数字城市建设三维建模方面，主要研究的内容是如何快速、批量而逼真地进行模型构建。
一般来说，三维建模的方法有三种：基于几何的建模（GBM，Geometry Based Modeling）、基于图像的绘制和建模（IBMR，Image Based Modeling and Rendering）、基于几何和图像的混合建模。
上述 3 种方法，最早被提出来是 GBM 基于几何的建模方法，发展至今它的应用的领域也最为广泛、方法最为成熟。这种方法的优点有模型描述完备、支持功能复杂、视点自由等。但缺点是效率较低、工作量大。
近年来，IBMR基于图像的绘制和建模技术发展的非常快。它与传统基于几何建模的方法不同，不是采用几何图元而是采用一组图像来建立模型。基于图像绘制(IBR)的方法是将所有的场景照片拼接成球面或柱面全景图，视点不同选择不同的具体全景图，最后根据视线的方向绘制出最终的图像。因为这种方法使用的照片都是真实场景的影像，所以最后做出来的模型效果非常真实，虚拟的场景也有很强的沉浸感。基于图像建模(IBM)就是根据图像构建景物的几何模型，这里的图像包括计算机生成的图形、视频序列、照片甚至是绘画。IBM的主要目的是将二维图像的景物构建成三维几何结构，这本来是计算机视觉的研究内容，但未来它的应用将会非常广泛，所以各界研究人员对这一内容都充满了兴趣。
基于几何和基于图像的混合建模方法克服了前两种方法的缺点，吸取它们的优点，实现了以较少的图像以及较少的工作量，完成了精度较高的三维模型构建。以混合建模方法构建三维模型，不但精度高、效率较高，而且产生的模型能更好的进行虚拟现实应用和真实感渲染，显而易见这是一种十分有前景的三维建模方法。
总结三维重建过去几十年的研究历程，其方法主要有下面几个特点：
（1）越来越细致的描述建筑物结构，可以构建的建筑物类型从简单发展到复杂，量测精度也在逐渐升高；
（2）越来越丰富的可用数据源，从单一立体航空遥感影像对发展到多影像集成，再到多数据源的融合，新发展的数据源有 DEM、InSAR、SAR、地面规划图、LIDAR等；
（3）自动化程度越来越高的实验原型系统或商业系统，从最初的主要依靠人工完成发展到主要由机器自动完成，再到目前正在研究发展的全自动建筑物三维重建系统。
1.1.4无人机快速三维建模的意义
随着“数字城市”概念的提出，创建数字3D城市场景已成为研究的热点。应用三维虚拟现实技术进行三维数字城市建设，可以全方位表达空间对象，也可以进行三维空间分析操作、对地理空间现象的3D显示，予人身临其境之感。在当今的大环境下，三维数字城市的需求将不断增加。
同时，我们生活在一个三维空间中，为了人与自然的协调发展，在信息时代最理想的方式是在计算机环境中真实地再现三维空间，并可做到三维漫游查询和分析。因此在今天，随着无人机摄影测量技术的发展，三维地物重建即将成为时代的主流。
由于传统摄影测量具有一定的局限性，不适用于小范围的大比例尺地形图的获取，且摄影的费用较高，无人机摄影测量理所当然的正在成为人们研究的热点。无人机摄影测量相对于传统航空摄影测量来讲，具有一定的优势，主要表现在以下几方面：
1.无人机摄影测量由于其摄影高度比较低，所以建筑物的细致结构可以得到较好的体现，有助于三维建模和地形图的测制；
2.在小面积区域内进行无人机摄影测量成本较低；
3.无人机摄影测量效率比较高，周期短，可操作性强，运作起来也方便；
4.无人机摄影测量的平面精度指标能满足规范的要求。
鉴于无人机摄影测量的优点，可以用其来弥补航空摄影测量的不足，获取大比例尺的影像数据。不仅在地形图的制作的修改方面具有使用的推广价值，而且相对于航空摄影测量而言，无人机摄影测量在市政管理、风景名胜古迹等方面快速获取局部或全景鸟瞰像片方面具有更好的应用。
重建人工地物的三维结构对获取真实的城市景观、构建三维城市地理信息系统来说，是非常重要的关键技术之一，所以，目前从无人机航片信息中提取信息、重建地物的三维模型是通常被采用的方法。

1.2 研究现状
1.2.1基于无人机数据的三维建模软件
随着计算机软件技术、人工智能技术以及建模理论的不断发展，国内外许多优秀的软件公司，包括一些出色的GIS公司都相继推出了功能强大的三维建模软件，有些是为纯粹的三维建模而生，而有些则成为了专口建设3DGIS的软件系统。国外的如AUTODESK公司的AUTOCAD、3Dmax、MAYA；美国Skyline公司的Skyline三维GIS软件，ESRI公司的ArcGIS软件的ArcGlobe、城市引擎(CityEngine)，Google的Google Earth以及天宝Trimble公司的Sketch Up等等；国内的则有北京国遥新天地信息技术有限公司的EV-Globe；武大吉奥信息技术有限公司的GeoGlobe；适普软件的IMAGIS；伟景行数字城市科技有限公司的CityMaker等。这些三维软件都提供了强大的三维模型建模和编辑功能，是目前构建3DGIS、“数字城市”等三维模型的可用工具。
例如AutoCAD 结合 3DMax、Sketch UP 的三维建模及 Smart3d建模都是目前常用的建模方式。通过对三种三维建模软件的分析及比对，很容易得出其优点与缺点。Sketch Up 简单极易上手，建模速度高，适用于简单建筑及景观三维设计，对于计算机能力不强的人，也极易掌握。而 3DMax 也是目前常用的一种建模软件，而且它比较适用于高精度的建模案例，3DMax 建模软件功能强大，但是软件的使用相对比较复杂，所以，学会必须要有一个时间段，如果对效果图的精美程度有所要求，那么使用 3DMax 软件最好不过了。而Smart3D综合性最强，处理能力、渲染度最好。
1.2.2三维建模关键技术研究进展
二维地理空间数据越来越不满足人们的需求，并且在表达三维地理空间实体中存在局限性，而且人机交互界面也不方便，丢失大量地物的三维空间信息，很难给人走进自然界的感受，不能清晰的表达现实世界的三维性。所以，以二维地理空间数据为基础去探索三维地理空间数据的表达，发展三维建模更是重点，使三维空间数据更好的服务生活。
三维建模在地表的应用，京都大学开发出了一套三维动态实时漫游、地理属性信显示、三维数据可视化成一体的数字京都。加利福尼亚大学于 1994 年开始了数字城市仿真项目-虚拟数字洛杉矶，项目本身的周期长，相对精度不高，但具备非常广泛的视野领域，从洛杉矶城市的整体卫星影像，到道路两旁的建筑物及其附属、管道、植被，有少量的建（构）筑物还可以对每个角落漫游，也可以查询每个地物的属性。武汉大学为了快速的发展三维建模技术，专门建立三维数字城市研究室，组织专家、学者进行讨论研究，研究出 CyberCity 软件 CCGIS 用于三维数字城市的建设。三维数字城市项目在我国各地遍地开花，走在前面的想北京、广东、天津、上海前期的三维空间数据已经服务生活，像昆明市石林县、宁波象山县等一些发展较快的城市将三维数字城市应用到旅游展示、灾害预警、城市规划、城市监控设施布设等多个领域。
三维地理空间系统可以有效的虚拟现实世界的变化形态，并且形成了成熟的三维建模技术，能够在虚拟的环境下带来真实的感受，精确地描述每个地物的三维尺度，为用户呈现逼真的现实环境。根据研究的重点与目的，在进行数字化建模时，三维空间中对日照、颜色、质地、形态等属性进行重点研究，进而呈现三维虚拟的逼真。所以，三维空间地物在三维模型的建立与三维空间属性信息完整表达显得十分的重要。
三维空间建模技术是使用编程语言及常用的三维建模软件构建现实世界的模型显示，其最重要的研究对象是利用是三维空间信息构建立体的空间模型主要是空间立体几何模型，然后对建立的模型进行使用与分析处理。三维地理空间数据的挖掘，需要合适的程序算法与高智能的人机交互使二维图像对应点与三维地理空间数据的特征点空间位置之间建立定量的数据关系，最终解析出空间对象上每一个点的坐标值。通过外业的采集地物的尺寸、形态、地理位置等空间几何信息，构造出每个地物的三维地理空间几何模型。地理信息系统的发展，对真实世界中多样化的三维空间信息的处理与表达逐渐显得重要，人们不应该只表达一个单一的建筑或建筑群，但也需要创造城市景观的模型，并希望用于设计交通、控制、信号、车站布局等示范工作等等。因此，数据必须进行处理并不仅限于建筑或城市小区，还包括每个人在表达整个城市范围的三维信息。地理信息系统不仅可以管理大部分城市现在的地理数据和地理信息系统本身具有空间数据的强大处理功能（如空间检索、查询，面积、距离量算和缓冲区分析等一系列操作功能），所以人们试图帮助地理信息系统来解决这个问题，但现在越来越多的人利用3DMax和GIS对景观建模，可实现很多人工合成的三维数据建模和可视化功能。因此，有许多学者结合这两款软件的优势，打造一个三维城市的整体景观模型，并打算使用该模型来管理整个城市，即利用三维数据研究三维城市模型。往往一个新的领域，很难准确地描述他们对三维城市模型的具体内容，不同的研究者给出一个共同的定义或描述的差异。如：Gleixner和Ranzinger同时提出，使这个城市的三维模型显得特别，必须用计算机进行所有固定物体（如建筑物、道路、园林植被、供水系统、交通）的特殊表达，它包含了所有数据从任何角度观察到的每个对象，以及容易识别整个城市的CAD模型。目前的形势分析、决策支持、计划与控制等是三维城市模型在城市规划主要表现。SchilcherM和他们的研究学者，结合现有的2DGIS城市数量众多的信息，创建3D城市模型，这种形式的模式表示了2.5 DGIS。虚拟现实技术和计算机动画表达城市模型，被称为三维城市模型（3D- City -Models）。科夫勒强调，一个城市的概念城市（数码城市）的感觉，
计算机模拟小城镇体系实际上是三维GIS数据存储的三维城市环境，多种经营的发展和可视化技术。显然，Kofler等一些学者对三维城市模型Cybercity研究的本质上是相同的内容。直至现在，一些研究人员致力于三维城市模型和Cybercity或其他概念（如3D城市绘图，3D Landscape Model等）的描述。因为用于各种应用的基础研究是不同的，因此，可以说的概念主要限于上述研究者的没有普遍意义。即便如此，要创建一个完整的三维城市模型也必须解决以下几个方面
（1）三维地理空间数据的日常管理、检索、查询与介质存贮；
（2）三维图形界面的智能人机交互操作与处理；
（3）很难实时快速地提供整个城市区域范围内的动态场景；
（4）三维城市建模的各类实体；
（5）难以操作及表达的三维地理空间数据之间的关系；
（6）得到的数据量庞大以至于需要花费很大的成本管理与组织。
1.3 论文主要内容和结构安排
第一章为绪论部分，主要简单介绍无人机、倾斜摄影测量的基本概念，并对当前无人机建模发展情况进行介绍。同时，讨论了下三维建模技术在 “数字城市”实现中的作用，并简单介绍了当前主要的三维建模软件。
第二章为三维空间数据建模软件部分，对Smart3D进行了介绍，在与当前国内外三维建模的主要数据模型、应用软件对比下，对Smart3D进行必要的评价，分析运用Smart3D的必要性；
第三章主要介绍Smart3D在数字城市三维建模的过程中常用的建模步骤，并对这些步骤进行了详细分析，分析各步骤的优劣性，详细阐述各部分的流程和关键原理。
第四章为三维建模的成果实现与分析，分析实验区内实验地貌地物建模效果。
第五章为总结与展望，主要总结了本文实验成果的情况，并对成果的不足之处进行评价，提出今后的改进建议与方向。