基于無人機(jī)技術(shù)的建筑物三維建模應(yīng)用研究

劉曉菲 湯慶霞 豐會民

【摘要】隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，我國各個行業(yè)的發(fā)展也有了長足進(jìn)步。針對建筑行業(yè)的三維建模來說，也有更多可以利用的方法技術(shù)。就目前的無人機(jī)航測技術(shù)來說，它具有非接觸測量、效率高以及信息豐富等多種有點。并且，在數(shù)字城市的建設(shè)中能夠發(fā)揮巨大的作用。利用無人機(jī)航測技術(shù)進(jìn)行建筑物的三維建模更是目前所研究的重點。借助于無人機(jī)對建筑物的屋頂以及墻面的掃描形成影像并進(jìn)行密集點云的生成匹配，然后，進(jìn)一步進(jìn)行點云的預(yù)處理，最后進(jìn)行三角網(wǎng)構(gòu)建，形成精細(xì)的建筑物模型。故，基于無人機(jī)技術(shù)的建筑物三維建模能夠成功實現(xiàn)。

【關(guān)鍵詞】無人機(jī);影像匹配;建筑物三維建模

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021.

10.129

時代在不斷的發(fā)展，人們對于信息的獲取也趨近于更加多元豐富的一面。三維空間信息技術(shù)的發(fā)展如今也是炙手可熱。就傳統(tǒng)的二維平面圖而言，其承載的信息量較少，所能夠表達(dá)的空間信息也是十分有限。因此，人們針對建筑空間的信息獲取則更加傾向于三維建模，利用三維圖形獲取更加直觀的空間感受。故，針對三維空間信息建設(shè)以及三維模型的構(gòu)建應(yīng)當(dāng)展開深入的研究。通常來說，三維建模是基于攝影測量以及三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行開展的。利用三維激光掃描技術(shù)來獲取建筑物的三維點云數(shù)據(jù)，從而進(jìn)行建筑物的三維模型構(gòu)建。而無人機(jī)成本低、操作簡單靈活、受天氣等因素的影響較小，故利用無人機(jī)進(jìn)行小區(qū)域的航空影響獲取是十分方便快捷的。目前，不論是國內(nèi)還是國外，都針對建筑物的三維建模有了一定的研究。故，本次針對某建筑無進(jìn)行研究，基于無人機(jī)影像技術(shù)的建筑物三維模型構(gòu)建方法進(jìn)行研究。

1、無人機(jī)影像與激光點云匹配

本次所研究的建筑物為某小學(xué)教學(xué)樓，其建筑表面色彩艷麗，且紋理豐富。該建筑物存在一定的遮擋，遮擋范圍較小。故利用無人機(jī)進(jìn)行屋頂以及大部分墻面的影像拍攝;其余被遮擋部分則利用地面激光掃描儀進(jìn)行影像獲取。

1.1屋頂影像密集點云生成

本次研究所用無人機(jī)為大疆無人機(jī)及自帶相機(jī)。利用無人機(jī)對教學(xué)樓的屋頂進(jìn)行連續(xù)拍攝獲取影像，其鏡頭需要垂直向下。與傳統(tǒng)的航拍取影相比，無人機(jī)的要求則更為寬松。故，利用無人機(jī)拍攝到50張像素大小為4000*3000的屋頂與墻面影像。隨后，再利用PhotoScan軟件進(jìn)行屋頂與墻面影像的密集點云匹配與生成。

1.2墻面影像密集點云生成

現(xiàn)以東立面墻面為例，利用無人機(jī)進(jìn)行航帶法垂直拍攝。隨后，利用PhotoScan軟件進(jìn)行東立面墻面的影像密集點云的匹配與生成。但是，利用無人機(jī)進(jìn)行航帶法進(jìn)行攝影同樣存在一定的問題。例如，無人機(jī)的GPS定位系統(tǒng)定位精準(zhǔn)度較差。在利于無人機(jī)進(jìn)行影像獲取時還需要外加一個控制點進(jìn)行坐標(biāo)的控制，進(jìn)而得到東立面的墻面密集點云。如此所獲得的墻面密集點云能夠很好的還原墻面的形狀以及色彩等信息元素。

1.3墻面密集點云空洞修補(bǔ)

1.3.1墻面密集點云空洞修補(bǔ)

利用無人機(jī)進(jìn)行影像的獲取以及密集點云的匹配與生成后，所獲得的密集點云能夠大致呈現(xiàn)出教學(xué)樓的形狀等。但是，由于教學(xué)樓仍舊存在一定的遮擋，密集點云中會有一些空洞。這些空洞的出現(xiàn)就給教學(xué)樓等建筑物的建模帶來一定的困難。此時，需要利用ICP算法對這些漏洞空間進(jìn)行匹配。

1.3.2建筑物屋頂點云與墻面點云拼接

同樣是無人機(jī)的GPS定位問題，建筑物的屋頂點云所生成的比例尺是有差距的。對此，最簡單的解決辦法就是通過測量屋頂?shù)拈L款距離進(jìn)行進(jìn)一步匹配。利用測量值對所生成的點云進(jìn)行比例尺的換算，從而進(jìn)一步生成更加精準(zhǔn)的三維點云圖像。

2、建筑物的三維模型重建

2.1點云數(shù)據(jù)的預(yù)處理

上述操作中所形成的密集點云在建筑物的三維模型重建工作還無法直接進(jìn)行利用。針對所生成的密集點云需要進(jìn)行建模前的預(yù)處理，如：點云壓縮、網(wǎng)格數(shù)據(jù)的生成等。針對點云壓縮通常可以采用均勻采樣法、平均距值法等。經(jīng)過壓縮后的點云數(shù)據(jù)可結(jié)合Delaunay三角剖分法進(jìn)行墻面網(wǎng)格的創(chuàng)建。

2.2建筑物三維建模

通過點云數(shù)據(jù)的預(yù)處理以及三角網(wǎng)格的建立可以得到一個墻面的三角網(wǎng)格圖。在三角網(wǎng)格圖的幫助下能夠展現(xiàn)出建筑物的一些外觀特征等。然而，針對一些外形規(guī)整方正的建筑物來說，該方法所呈現(xiàn)出來的建筑物效果并不是十分良好。因此，再利用3D Max軟件對教學(xué)樓的模型進(jìn)一步進(jìn)行精細(xì)建模，從而得到教學(xué)樓的三維模型。

針對建筑物的墻體來說，在進(jìn)行建模的過程中需要將該部分進(jìn)行凍結(jié)，其他暫時不需要展示的部位等也可以先進(jìn)行隱藏。隨后，再利用圖像進(jìn)行建模。建筑物的各建筑構(gòu)件的三維模型構(gòu)建時，則可以同樣的手法進(jìn)行構(gòu)建，將建筑物中會出現(xiàn)的門窗、雕花以及斗拱等等構(gòu)建出來。在此過程中，注意這些構(gòu)建的尺寸以及厚度等等，形成相應(yīng)的體量關(guān)系。

2.3建筑物模型質(zhì)量評價

關(guān)于基于無人機(jī)技術(shù)的建筑物三維建模來說，其中仍舊需要注意的點有很多。首先，在此方法技術(shù)下所建立的三維模型是對影像的利用以及點云數(shù)據(jù)的計算所得來的。但是，圖像采集儀器所采集到的數(shù)據(jù)等往往存在不確定性。因此，在整個建筑物的三維建模過程中，從原始數(shù)據(jù)的采集到數(shù)據(jù)預(yù)處理以及建模等階段來看，該技術(shù)的不確定性一直存在，影響著建模的精確度。所以，往往最后利用該技術(shù)進(jìn)行建筑物的三維建模搜到精度的影響有所損失。因此，利用無人機(jī)技術(shù)進(jìn)行建筑物的三維建模所得到的建筑物模型通?？梢越普鎸嵎从辰ㄖ锏耐庑翁卣鞯?，但對于建筑物的實際情況等則不能完全真實地呈現(xiàn)出來。對此，建筑物的三維模型則需要再一次進(jìn)行精度上的評價。利用距離法對建筑物進(jìn)行精度上的測量。通過比較建筑物的實際測量長度與模型測量長度進(jìn)行比較，差距較小，通常能滿足一般建筑物的建模要求。

結(jié)語：

本文針對無人機(jī)技術(shù)在建筑物的三維建模中的應(yīng)用進(jìn)行研究。利用無人機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過激光掃描等方法進(jìn)行點云數(shù)據(jù)的補(bǔ)充等。隨后，利用影像匹配以及密集點云的生成等為建筑物的三維建模打下基礎(chǔ)。針對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理從而進(jìn)一步開展建筑物的三維模型的構(gòu)建得到三角網(wǎng)格圖像。最后，構(gòu)建較精細(xì)的建筑物模型還需要利用3D Max軟件進(jìn)行建模工作。通過建筑物模型的質(zhì)量評價，我們能夠知道：利用該技術(shù)方法所構(gòu)建的模型在一般條件能夠達(dá)到建模的要求，且建筑物質(zhì)量較為可靠。故，基于無人機(jī)技術(shù)的建筑物三維建?？蛇m當(dāng)應(yīng)用與建筑行業(yè)中。

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作者簡介：

劉曉菲（1989.01-），性別：女，民族：漢，籍貫：山東昌邑，學(xué)歷：碩士研究生，職稱：助教，研究方向：建筑、工程測量，單位：濟(jì)寧職業(yè)技術(shù)學(xué)院。