基于傾斜攝影測量的單體建筑三維建模技術(shù)初探

李紅梅,管恬融,曹偉強(qiáng),危 威

(1.昆明市不動產(chǎn)登記中心,云南 昆明 650000;2.昆明市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司,云南 昆明 650000)

0 引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和測繪地理信息技術(shù)的高速發(fā)展,無人機(jī)傾斜攝影測量三維建模技術(shù)越來越成熟,應(yīng)用越來越廣泛。傾斜攝影測量技術(shù)是一種基于傳統(tǒng)攝影測量技術(shù)發(fā)展起來的新興技術(shù)。它利用同一飛行平臺上搭載的多臺傳感器,同時(shí)從垂直、側(cè)向和前后等角度采集圖像,能夠比較完整地獲取地面建筑物的側(cè)面紋理信息。再結(jié)合現(xiàn)有的、具有協(xié)同并行處理能力的傾斜影像數(shù)據(jù)處理軟件,可實(shí)現(xiàn)大范圍的城市三維模型的快速構(gòu)建,較大程度上提高了三維模型的生產(chǎn)效率。

傳統(tǒng)的模型建立是利用二維信息建立三維立方體,其紋理是依靠專門的三維軟件進(jìn)行人工粘貼,其工作量較大,生產(chǎn)成本也高。而傾斜攝影測量三維建模技術(shù)是直接生成基于影像紋理的高分辨率傾斜攝影三維模型,建立的三維模型更為真實(shí),且速度快。

本研究通過傾斜攝影測量技術(shù),針對消費(fèi)級無人機(jī)三維建模開展有益探索,對城市地塊建筑空間形態(tài)進(jìn)行識別與畫像,實(shí)現(xiàn)二維影像數(shù)據(jù)到三維空間的映射,建立城市地塊建筑的三維模型,探索一套準(zhǔn)確、高效進(jìn)行建筑空間形態(tài)畫像的技術(shù)流程,為未來批量開展該類工作奠定良好基礎(chǔ)。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 傾斜攝影測量在老舊小區(qū)改造方面的應(yīng)用研究

舊城區(qū)老舊建筑、違章建筑較多,原有地理信息資料年代久遠(yuǎn),個(gè)別地區(qū)業(yè)主有抵觸情緒,實(shí)地調(diào)查測繪難度較大。得益于無人機(jī)操控簡便靈活、易維護(hù)且成本低的特點(diǎn),無人機(jī)測繪技術(shù)可在舊城改造調(diào)查測繪中解決實(shí)測問題,極大提高了外業(yè)調(diào)查測繪人員的工作效率,也為開展舊城改造工作提供了重要的數(shù)據(jù)支撐[1]。

于麒利用消費(fèi)級單鏡頭無人機(jī)配合智能云臺采集了占地面積為20萬m2的黑龍江省哈爾濱市道里區(qū)共樂小區(qū)宜居改造項(xiàng)目的多視影像數(shù)據(jù),完成了測區(qū)三維模型構(gòu)建。將消費(fèi)級無人機(jī)傾斜攝影測量的方法應(yīng)用于宜居改造項(xiàng)目的前期整體測繪工作中,滿足了宜居改造對測繪工作的需求,并取得較好效果[2]。

劉靜、何永鐘采用無人機(jī)傾斜攝影測量系統(tǒng)獲取多視影像數(shù)據(jù),對舊城區(qū)進(jìn)行立體測繪,通過傾斜攝影測量技術(shù)創(chuàng)建實(shí)景三維模型,利用該模型實(shí)現(xiàn)標(biāo)高量測,建筑尺寸、高度量測,拆遷面積預(yù)測算等工作,對傾斜無人機(jī)攝影測量技術(shù)在舊城區(qū)改造工程方向的廣泛應(yīng)用提供一種思路[3]。

1.2 傾斜攝影測量在歷史建筑建模方面的應(yīng)用研究

吳曉偉等利用傾斜攝影測量的方法先用無人機(jī)及航線規(guī)劃軟件Altizure對漳浦錦江樓進(jìn)行拍攝采集,再利用商業(yè)軟件 Context Capture進(jìn)行三維自動建模,得到一個(gè)較為精細(xì)的模型,并計(jì)算建筑物的近似高度,地面距離和基本矢量化[4]。韓士偉等針對單棟古建筑范圍小、場景復(fù)雜、影像拍攝困難、建模精細(xì)度要求較高等特點(diǎn),利用大疆精靈無人機(jī)及其二次開發(fā)技術(shù),提出和實(shí)現(xiàn)了一種定點(diǎn)環(huán)繞多層、多角度傾斜攝影方法[5]。李核心等針對傳統(tǒng)歷史建筑測繪方法工作量大、準(zhǔn)確性低、成果形式單一的問題,提出了基于傾斜攝影和三維激光點(diǎn)云融合技術(shù)應(yīng)用于歷史建筑測繪,制作準(zhǔn)確、完整的圖紙,并進(jìn)行三維仿真建模,實(shí)現(xiàn)了歷史建筑的全面、準(zhǔn)確測繪,為歷史建筑后期開展維護(hù)管理、保護(hù)修繕、合理利用提供準(zhǔn)確、完整的基礎(chǔ)資料[6]。葉珉?yún)蔚冉Y(jié)合佛山市禪城區(qū)歷史建筑精細(xì)測繪項(xiàng)目實(shí)踐,提出了基于三維激光掃描儀、無人機(jī)、全站儀、激光測距儀、數(shù)碼相機(jī)等技術(shù)手段的歷史建筑精細(xì)測繪方法,最終成果形成了完整的內(nèi)外業(yè)作業(yè)流程,可為類似項(xiàng)目提供一套完整的技術(shù)方案[7]。金艷萍等提出基于無人機(jī)傾斜攝影測量和三維激光掃描技術(shù)的歷史建筑數(shù)字實(shí)景模型創(chuàng)建方法,成功建立了歷史建筑的精細(xì)化整體模型,解決了存在盲區(qū)、紋理細(xì)節(jié)表達(dá)粗糙的問題,對歷史建筑數(shù)字化保護(hù)、活化利用提供了數(shù)據(jù)支撐[8]。

2 研究技術(shù)路線

研究技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 研究技術(shù)路線圖Fig.1 Technology roadmap

3 基于傾斜攝影測量單體建筑的三維建模

3.1 數(shù)據(jù)采集及處理

3.1.1 數(shù)據(jù)采集

為探究不同的數(shù)據(jù)采集方式對三維模型構(gòu)建的影響,同時(shí)結(jié)合目標(biāo)對象的位置特點(diǎn),采用了4種數(shù)據(jù)采集方式,具體為：在昆明市某古塔采用正射加切斜拍攝,獲取影像583張;在昆明市某小區(qū)老舊居民樓采用空中傾斜攝影和地面手持相機(jī)拍攝,獲取影像268張;在呈貢三臺山東驤閣采用手動自由拍攝,獲取影像352張;在昆明某大學(xué)圖書館采用環(huán)形拍攝,獲取影像90張。

3.1.2 三維建模方法

結(jié)合所采集數(shù)據(jù)情況、技術(shù)方法可行性以及成本考慮,在三維建模階段,采用了空地結(jié)合三維建模和軟件自動建模。

針對城市密集建筑物區(qū)域三維建模的攝影遮擋,造成多視影像密集匹配精度受限,從而影響城市三維建模的精細(xì)問題,在研究中嘗試了空地結(jié)合建模技術(shù),即利用無人機(jī)傾斜攝影和地面定點(diǎn)拍照的方式獲取影像,將空、地兩類照片資料分別進(jìn)行空三計(jì)算并建模,然后通過人工添加同名點(diǎn)的方式進(jìn)行空、地兩類模型自動融合,最終自動生成遠(yuǎn)近視角逼真且位置精度高的實(shí)景三維模型。具體流程如圖2所示。

圖2 空地結(jié)合三維建模流程圖Fig.2 3D modeling flow of air-ground combination

3.1.3 三維模型修整方法

在三模模型重建完成之后,還需要對模型進(jìn)行一些細(xì)部的修整,使用Context Capture 和 SketchUp、Geomagic Studio、Rhinoceros軟件相結(jié)合進(jìn)行修正。

3.2 數(shù)據(jù)處理

3.2.1 傾斜攝影測量建模

選取昆明市某古塔作為研究對象,該古塔周圍開闊,適宜采用傾斜攝影測量的方式獲取數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)在模型接近地面的位置由于地物遮擋問題,模型存在嚴(yán)重的粘連和不清晰情況,后續(xù)采用空地結(jié)合的方式解決了這個(gè)問題。最終獲得的傾斜攝影測量三維建模效果見圖3。

圖3 傾斜攝影測量三維建模效果圖Fig.3 3D modeling rendering of oblique photogrammetry

3.2.2 空地結(jié)合三維建模

選取昆明市某老舊居民樓為研究對象,該居民樓臨街樹木茂密、車輛較多,為拍攝建模造成阻礙,為此采用空地結(jié)合建模技術(shù)進(jìn)行建模。該方法結(jié)合了空地?cái)?shù)據(jù),可以彌補(bǔ)無人機(jī)航空傾斜影像和地面近景影像各自的缺點(diǎn),建模精度得到提升,同時(shí)操作過程較為簡單,但對于Context Capture軟件的操作要求高且建模所需數(shù)據(jù)量較大。此外,由于民用設(shè)備分辨率及空間定位問題,造成了兩種建模結(jié)果存在色差、精度差距大、空地?cái)?shù)據(jù)結(jié)合效果不佳等問題,后續(xù)仍需進(jìn)一步處理空地?cái)?shù)據(jù)結(jié)合問題。獲得的空地結(jié)合三維模型見圖4。

圖4 空地結(jié)合的三維模型Fig.4 3D models of air-ground combination

3.2.3 精細(xì)化三維模型重建

1)手動自由拍攝獲取數(shù)據(jù)

由于無人機(jī)航線飛行拍攝中存在局部遮擋、航線設(shè)定不合理等問題,實(shí)驗(yàn)采用無人機(jī)手動自由拍攝,以多方位、多角度的拍攝彌補(bǔ)航線飛行拍攝的不足。

選取呈貢三臺山東驤閣為研究對象,東驤閣位于滇池東岸,云南省昆明市呈貢區(qū)北面山巔,周圍雖無其他建筑,但樹木會影響航線拍攝質(zhì)量,因此選用手動自由拍攝的方式。從建模效果來看,建模精度相對航線飛行建模精度有一定提高,尤其對于建筑側(cè)立面局部的建模細(xì)節(jié)有明顯提升。通過本次實(shí)踐,初步探索精細(xì)化建?？尚行院图夹g(shù)路徑。建模效果如圖5所示。

圖5 東驤閣建模效果Fig.5 3D modeling of Dongxiangge

2)環(huán)繞飛行獲取數(shù)據(jù)

對于獨(dú)棟建筑且周圍比較開闊的場景,除了正射影像采集,傾斜影像采集亦可采用立體環(huán)繞飛行航拍模式進(jìn)行。相對手動飛行采集建筑側(cè)面影像的方法,設(shè)定環(huán)繞飛行更加便捷,但對于建筑周邊環(huán)境也有一定要求。

選取昆明某大學(xué)圖書館為研究對象,該圖書館周圍場地開闊,有利于立體環(huán)繞飛行的航線設(shè)定。對圖書館進(jìn)行高距、中距兩個(gè)等圓環(huán)線拍攝。通過實(shí)踐,實(shí)現(xiàn)單棟建筑環(huán)繞飛行建模技術(shù)路徑。從獲取的建模效果可以看出,在建筑外立面平整位置建模效果較好,但是有窗戶和柵欄的部分,建模精度欠佳,在拍攝盲區(qū)會有漏洞出現(xiàn),后續(xù)仍需手動修整。獲得的模型如圖6所示。

圖6 環(huán)繞飛行建模效果Fig.6 3D modeling results of circling flight

3.3 與建筑行業(yè)常用建模軟件的結(jié)合應(yīng)用

3.3.1 與SketchUp軟件結(jié)合應(yīng)用

將古塔的三維模型導(dǎo)入SketchUp中,并在SketchUp中制作一個(gè)雕塑模型,對兩個(gè)模型進(jìn)行融合,實(shí)現(xiàn)了對模型的替換,可用于模型在真實(shí)地形中的效果展示,見圖7。

圖7 傾斜攝影模型導(dǎo)入SketchUp軟件中替換效果展示Fig.7 Replacement effect of importing oblique photographic model into SketchUp software

3.3.2 與Geomagic Studio軟件結(jié)合應(yīng)用

將東驤閣的三維重建模型導(dǎo)入Geomagic Studio中,對模型缺失的部分進(jìn)行漏洞補(bǔ)充,不平整的墻面進(jìn)行平整處理,使模型更為精細(xì)。

使用Geomagic Studio軟件補(bǔ)充模型漏洞,抹平坑洼墻面,同時(shí)去除模型背景雜亂的多余點(diǎn)云。從模型修整結(jié)果來看,修整效果較好,但是容易影響模型整體的精度。對于古建筑之類表面復(fù)雜的建筑來說,若在建模階段精度不高,則后續(xù)模型修整工作的工作量巨大,且容易讓真實(shí)建筑外觀的細(xì)節(jié)部分產(chǎn)生較大誤差。具體效果見圖8。

圖8 傾斜攝影模型導(dǎo)入Geomagic Studio軟件Fig.8 Importing oblique photography model into Geomagic Studio software

3.3.3 與Rhinoceros軟件的結(jié)合應(yīng)用

將東驤閣的三維重建模型導(dǎo)入Rhinoceros中,對模型缺失和失真部分進(jìn)行修整,使其更貼近真實(shí)情況。將傾斜攝影模型導(dǎo)入Rhinoceros后雖然可以進(jìn)行編輯操作,但由于傾斜攝影模型為一個(gè)整體,而不是規(guī)劃建筑行業(yè)日常建模軟件(如SketchUp)中分組件、分群組建模的模型,對后期模型精細(xì)修改仍有較大困難。未來若要進(jìn)行模型的精細(xì)修改,還應(yīng)借助測繪專業(yè)相關(guān)專業(yè)軟件實(shí)現(xiàn)。修模效果見圖9。

圖9 傾斜攝影模型導(dǎo)入犀牛軟件Fig.9 Importing oblique photography model into Rhinoceros software

4 結(jié)束語

無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)的出現(xiàn),對城市地塊建筑空間形態(tài)研究帶來了新的可能。通過無人機(jī)低空多角度攝影獲得高清晰立體影像數(shù)據(jù),自動制作生成三維地理信息模型,實(shí)現(xiàn)地理信息的快速獲取,具有成本低、操作靈活、數(shù)據(jù)精確、側(cè)面信息可用以及效率高等特點(diǎn),在歷史建筑保護(hù)、城市更新、小片區(qū)城市規(guī)劃、建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。