基于無(wú)人機(jī)傾斜影像的模型重建單體化及精度研究

鄭月 陳吉 孫韜

摘要：隨著數(shù)字城市、智慧城市建設(shè)進(jìn)程的推進(jìn)，全要素城市三維模型構(gòu)建極其關(guān)鍵。無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量作為當(dāng)前基礎(chǔ)三維數(shù)據(jù)采集的有效手段之一，為快速實(shí)景三維建模帶來(lái)了便利。傾斜三維模型可直觀表達(dá)真實(shí)的三維場(chǎng)景，其實(shí)質(zhì)為一體化數(shù)字地面模型，但無(wú)法實(shí)現(xiàn)單體對(duì)象的分離提取。常用的傾斜模型單體化方法并不能實(shí)現(xiàn)單體模型分割，因此，本文基于無(wú)人機(jī)傾斜影像自動(dòng)建模，并采用DP-Modeler軟件，以建筑對(duì)象的場(chǎng)景模型為依據(jù)，通過(guò)人工描繪編輯重新塑造建筑物的輪廓線(xiàn)，對(duì)幾何面進(jìn)行紋理映射，生成的建筑單體模型，幾何細(xì)節(jié)可控、墻面平整，整體效果較好。

關(guān)鍵詞：傾斜攝影;三維模型;單體化

中圖分類(lèi)號(hào)：P231? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

隨著數(shù)字城市、智慧城市建設(shè)進(jìn)程的推進(jìn)，全要素城市三維模型構(gòu)建極其關(guān)鍵[1]。無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量作為基礎(chǔ)三維數(shù)據(jù)獲取的有效手段之一，可真實(shí)、高效地獲取地面目標(biāo)的多視角影像信息，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)快速實(shí)景真三維建模[2]。實(shí)景傾斜三維模型可看作是連續(xù)的TIN三角網(wǎng)所構(gòu)成的表面模型，能夠直觀地表達(dá)真實(shí)的三維場(chǎng)景，但無(wú)法將單體建筑、水系、道路和植被等要素從中分離出來(lái)[3]。因此，如何基于傾斜三維模型對(duì)目標(biāo)對(duì)象進(jìn)行單體化（對(duì)象化）處理，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)深層次的三維GIS應(yīng)用極為重要。

常用的傾斜模型單體化方法主要包括物理分割法、標(biāo)記ID法和動(dòng)態(tài)包合渲染法等三種[4]。物理分割法是基于對(duì)象的矢量邊界線(xiàn)作切割得到對(duì)象的單體化模型，是真正意義上的單體化;標(biāo)記ID法是指結(jié)合已有的二維矢量面數(shù)據(jù)，將對(duì)應(yīng)矢量面的ID值作為屬性賦給同一對(duì)象的三角面頂點(diǎn)[5];動(dòng)態(tài)包合渲染法是將配套的二維矢量面與傾斜攝影模型加載到同一場(chǎng)景中，在渲染模型數(shù)據(jù)時(shí)把矢量面貼到傾斜模型對(duì)象表面，然后設(shè)置矢量面的顏色和透明度，從而實(shí)現(xiàn)單獨(dú)選中地物的效果[6]。這3種方法的比較如表1所示。

盡管動(dòng)態(tài)包合渲染法在模型效果和GIS功能實(shí)現(xiàn)方面具有較大優(yōu)勢(shì)，但此方法也并未真正將目標(biāo)對(duì)象從傾斜模型中分離，實(shí)現(xiàn)單體又分離的目的[7]。本文基于無(wú)人機(jī)傾斜影像構(gòu)建實(shí)景三維模型，采用基于DP-Modeler的模型重建單體化方法，將目標(biāo)建筑從傾斜三維模型中分離出來(lái)。

1? 模型重建單體化方法

1.1? 基本原理

模型重建單體化技術(shù)是指根據(jù)應(yīng)用所需的要素對(duì)象，進(jìn)行獨(dú)立、對(duì)象處理，使傾斜模型成為一個(gè)個(gè)可單獨(dú)處理、編輯以及附著屬性信息的個(gè)體[8]?；贒P-Modeler的模型重建單體化以無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量獲取的影像為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源，利用ContectCapture軟件完成相關(guān)參數(shù)配置和空中三角測(cè)量過(guò)程生成密集點(diǎn)云并完成三維重建，接著將傾斜三維模型導(dǎo)入DP-Modeler軟件進(jìn)行模型精修處理和二維矢量創(chuàng)建，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)象的單體模型提取。該方法需要較多的人工干預(yù)，更側(cè)重于產(chǎn)品表達(dá)，具體技術(shù)流程如圖1所示。

1.2? 具體過(guò)程

1.2.1? 無(wú)人機(jī)傾斜影像獲取

受模型精度影響，低空無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量的實(shí)施比較普遍，通常需要結(jié)合測(cè)區(qū)地形和周?chē)ㄖ锔叨戎贫ê綌z計(jì)劃，選定相機(jī)類(lèi)型，設(shè)計(jì)航線(xiàn)，選擇晴朗無(wú)云的天氣進(jìn)行傾斜攝影，獲取基礎(chǔ)傾斜影像數(shù)據(jù)。同時(shí)，需要對(duì)測(cè)區(qū)進(jìn)行外業(yè)控制測(cè)量，測(cè)定控制點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)。

1.2.2? ContextCapture自動(dòng)建模

基于ContextCapture軟件的實(shí)景三維建模，主要利用傾斜攝影所獲取的影像數(shù)據(jù)和外業(yè)控制測(cè)量所獲取的控制點(diǎn)坐標(biāo)為基礎(chǔ)，通過(guò)影像預(yù)處理、像片控制點(diǎn)測(cè)量和空中三角測(cè)量過(guò)程生成密集點(diǎn)云，經(jīng)多視影像匹配后構(gòu)建TIN網(wǎng)并進(jìn)行紋理映射，三維重建生成多種格式的真三維模型，這些格式的三維模型可以利用不同軟件進(jìn)行加載和查看。

1.2.3? DP-Modeler精細(xì)建模

傾斜三維建模往往受到諸多因素的影響，容易出現(xiàn)建筑立面不平整、水面凸起與空洞、懸浮物等問(wèn)題。因此，傾斜模型的精細(xì)化處理尤為重要。DP-Modeler軟件可以對(duì)傾斜三維模型進(jìn)行補(bǔ)洞、平整化、懸浮物刪除、垂直化等局部修飾，支持對(duì)三維場(chǎng)景拉花里面的修飾、道路平整、水面破洞、補(bǔ)充城市部件等操作，通過(guò)多種類(lèi)型的細(xì)節(jié)處理達(dá)到模型精細(xì)化構(gòu)建的目的[9]。

1.2.4? 目標(biāo)建筑單體化提取

傾斜模型是一體化三維模型，其實(shí)質(zhì)是一個(gè)Mesh模型。實(shí)景模型單體化以精細(xì)化傾斜模型為數(shù)據(jù)源，依據(jù)建筑物影像的場(chǎng)景模型采用人工交互的半自動(dòng)方式描繪出一個(gè)新單體模型，通過(guò)人工描繪編輯來(lái)重新塑造建筑物的輪廓線(xiàn)，然后對(duì)幾何面進(jìn)行紋理映射，得到幾何細(xì)節(jié)可控、較為規(guī)則的建筑物的單體化模型[10]。

2? 實(shí)驗(yàn)及精度分析

2.1? 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及成果

2.1.1? 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

本文以5鏡頭相機(jī)傾斜攝影獲取的前、后、下、左和右視共計(jì)1 320張影像為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源，傳感器尺寸為13.2 mm，攝影機(jī)主距為10.4 mm。本次數(shù)據(jù)為某城市郊區(qū)無(wú)人機(jī)傾斜影像，以房屋建筑物居多，建筑物密度較大，相鄰建筑物之間的間距較小，對(duì)其中的單一建筑進(jìn)行傾斜攝影難度較大，側(cè)面紋理的獲取存在一定問(wèn)題。

2.1.2? 傾斜模型成果

利用ContextCapture自動(dòng)建模效率取決于計(jì)算機(jī)硬件配置等級(jí)，1 320張影像的傾斜三維建模需要利用計(jì)算機(jī)集群以降低單臺(tái)計(jì)算機(jī)的負(fù)荷。由于聯(lián)排房屋之間的間距較小、鏡頭畸變等原因，所建傾斜三維模型中存在紋理缺失、墻體變形等問(wèn)題。傾斜三維模型的實(shí)質(zhì)為DSM，模型成果如圖2所示。

2.1.3? 單體建筑模型成果

本文選取傾斜模型場(chǎng)景中的兩棟建筑為目標(biāo)對(duì)象，基于DP-Modeler的模型精細(xì)化處理過(guò)程主要針對(duì)建筑物的墻體扭曲、墻面不平整、立面修復(fù)等細(xì)節(jié)問(wèn)題進(jìn)行處理，之后基于精細(xì)模型沿著建筑物的外部輪廓勾線(xiàn)，構(gòu)建建筑對(duì)象的主體輪廓，最后形成目標(biāo)對(duì)象的單體模型。這3棟建筑的單體模型如圖3所示：（a）對(duì)應(yīng)建筑1，（b）對(duì)應(yīng)建筑2，（c）對(duì)應(yīng)建筑3。

2.2? 精度分析

由圖3可知，3棟建筑細(xì)節(jié)可控，墻面平整，整體效果較好。將單體建筑模型在3DS MAX中打開(kāi)，通過(guò)軟件量測(cè)得到建筑1、建筑2和建筑3的兩條邊的長(zhǎng)度即為“模型量測(cè)距離”，利用GPS-RTK技術(shù)進(jìn)行實(shí)地測(cè)量所得建筑邊長(zhǎng)即為“實(shí)地測(cè)量距離”，具體數(shù)據(jù)及二者間的差值絕對(duì)值如表2所示。由表2可知：差值絕對(duì)值最大為0.501 m，最小為0.233 m，整體差值均在1 m范圍內(nèi)。

3? 結(jié)論

基于無(wú)人機(jī)傾斜影像的模型構(gòu)建及單體化實(shí)現(xiàn)是三維GIS應(yīng)用的重點(diǎn)問(wèn)題，本文以無(wú)人機(jī)傾斜影像為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源，通過(guò)ContextCapture數(shù)據(jù)處理和三維重建生成傾斜模型，并基于DP-Modeler軟件對(duì)傾斜模型進(jìn)行精修處理，實(shí)現(xiàn)了對(duì)建筑1、建筑2和建筑3的單獨(dú)提取，建筑單體模型整體誤差在1 m范圍內(nèi)，驗(yàn)證了模型重建單體化方法的有效性。

（責(zé)任編輯：張? 瓊）

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