多種攝影方式的精細(xì)化三維建模方法與應(yīng)用

焦甲堯

(河南理工大學(xué) 測(cè)繪與國(guó)土信息工程學(xué)院, 河南 焦作 454000)

0 引言

近年來,傾斜攝影測(cè)量作為測(cè)繪行業(yè)的一項(xiàng)高新技術(shù),以其快速高效、低成本、高精度等優(yōu)勢(shì)在眾多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。自然資源部于2021年8月發(fā)布的《實(shí)景三維中國(guó)建設(shè)技術(shù)大綱(2021版)》中明確了傾斜攝影測(cè)量作為三維形式表達(dá)基礎(chǔ)地理實(shí)體的一種重要生產(chǎn)方式,這將進(jìn)一步推動(dòng)該技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用。但是該技術(shù)生產(chǎn)的三維模型會(huì)出現(xiàn)地物表面凹凸不平、水域大面積缺失、懸浮物過多等問題。

為了解決傾斜攝影測(cè)量三維建模存在的問題,目前已有很多學(xué)者針對(duì)構(gòu)建精細(xì)化三維模型做了大量研究工作,大致可以分3類：一是利用多源數(shù)據(jù)的融合,提高模型的精度和紋理效果。如Zhang等將影像數(shù)據(jù)、激光雷達(dá)數(shù)據(jù)和二維矢量數(shù)據(jù)融合,提出了一種基于攝影測(cè)量的由粗到精的三維模型構(gòu)建方法,提高了模型重建的效率和模型精度;Hu等利用多尺度的激光點(diǎn)云進(jìn)行數(shù)據(jù)融合,用于古建筑的精細(xì)測(cè)量并建立了精度高于3 mm的三維模型;Cheng等將激光雷達(dá)(light detection and ranging，LiDAR)點(diǎn)云與影像數(shù)據(jù)結(jié)合,實(shí)現(xiàn)了建筑物屋頂?shù)狞c(diǎn)云分割,并建立了精細(xì)的屋頂三維模型。二是通過優(yōu)化飛行器航線及影像采集方式,提高模型質(zhì)量的同時(shí)也提升了作業(yè)效率。如Zheng等綜合考慮了飛行器續(xù)航、起降選址,并結(jié)合相關(guān)規(guī)范,提出了一種多無人機(jī)協(xié)同航跡規(guī)劃方法,得到了精細(xì)三維模型,同時(shí)提高了作業(yè)效率;李清泉教授提出優(yōu)視攝影測(cè)量的概念,通過場(chǎng)景分析,優(yōu)化選取適配場(chǎng)景對(duì)象空間幾何結(jié)構(gòu),智能規(guī)劃無人機(jī)航線及像控布設(shè)方案,利用多無人機(jī)協(xié)同構(gòu)建精細(xì)實(shí)景三維模型。三是利用修模軟件,對(duì)生成的三維模型進(jìn)行人工修飾,優(yōu)化模型的觀感。如楊彥梅等探討了模型重建的流程與方法,利用天際航實(shí)景三維測(cè)圖系統(tǒng)完成了三維模型的精細(xì)化與單體化;何燕蘭等采集了建筑物立面影像,應(yīng)用單體化建模軟件完成了高精度、高質(zhì)量的建筑物三維模型。

本文從影像采集方式和模型修飾兩個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化,提高三維模型的精度與質(zhì)量。以傾斜影像、近景影像和貼近影像為數(shù)據(jù),將傾斜攝影測(cè)量與近景攝影測(cè)量和貼近攝影測(cè)量有機(jī)結(jié)合,利用后兩者在精細(xì)化建模的優(yōu)勢(shì)來彌補(bǔ)前者的不足,完成大范圍實(shí)景三維模型的構(gòu)建,同時(shí)對(duì)重點(diǎn)區(qū)域構(gòu)建精細(xì)化模型。

1 基礎(chǔ)理論

攝影測(cè)量就是利用光學(xué)傳感器獲取物體的影像信息,從而識(shí)別物體并測(cè)定其形狀、大小、位置等信息的技術(shù)。本文采用的3種攝影測(cè)量方式——傾斜攝影測(cè)量、近景攝影測(cè)量、貼近攝影測(cè)量,均為攝影測(cè)量的一種。

1.1 傾斜攝影測(cè)量

傾斜攝影測(cè)量技術(shù)是當(dāng)前主流的三維建模方式之一,通常由飛行平臺(tái)搭載五鏡頭相機(jī)進(jìn)行多角度攝影,能夠獲取豐富的地物側(cè)面紋理信息,利用傾斜影像建立的實(shí)景三維模型較為逼真。該技術(shù)有快速高效、自動(dòng)化程度高、成本低的優(yōu)點(diǎn),但是模型成果也有許多不足,部分地物紋理缺失、結(jié)構(gòu)不完整、水面破洞以及大量懸浮物等問題。近年來該技術(shù)以其快速高效的建模優(yōu)勢(shì)已在不動(dòng)產(chǎn)測(cè)量、城鄉(xiāng)規(guī)劃、交通勘測(cè)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

1.2 近景攝影測(cè)量

近景攝影測(cè)量由來已久,該技術(shù)的對(duì)象通常是近距離目標(biāo),能夠獲取被攝對(duì)象的細(xì)部結(jié)構(gòu)和紋理,信息容量高。近景攝影測(cè)量有模型質(zhì)量高、低成本、高效、周期短等特點(diǎn),但是無法應(yīng)用在大范圍場(chǎng)景中。如今近景攝影測(cè)量技術(shù)已經(jīng)發(fā)展得相對(duì)成熟,在工業(yè)、建筑、考古、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域取得了不凡的成就。

1.3 貼近攝影測(cè)量

貼近攝影測(cè)量是張祖勛院士提出的一個(gè)新概念,是精細(xì)化影像獲取的一種方法思路,被稱為區(qū)別于豎直航空攝影測(cè)量和傾斜攝影測(cè)量的第三種攝影測(cè)量方式。該技術(shù)主要是利用拍攝設(shè)備貼近所攝物體的表面獲取影像信息,獲取亞厘米級(jí)的高分辨率影像,從而構(gòu)建被攝物體的精細(xì)模型。貼近攝影測(cè)量彌補(bǔ)了其他攝影測(cè)量方式無法達(dá)到的精度要求,是一種有效的補(bǔ)充手段。在滑坡監(jiān)測(cè)、精細(xì)化建模、古建筑重建等方面有較大應(yīng)用前景。

2 研究方法

傾斜攝影測(cè)量作為當(dāng)前大范圍實(shí)景三維建模的主要手段之一,具有快速高效、模型逼真、精度高、自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)該技術(shù)也存在細(xì)節(jié)紋理丟失、局部拉花、水面漏洞等問題。近景攝影測(cè)量技術(shù)主要面向近距離目標(biāo)進(jìn)行建模,模型成果能夠保證精度和質(zhì)量;貼近攝影測(cè)量技術(shù)主要面向面狀目標(biāo),如邊坡、建筑物表面等,能夠得到紋理精細(xì)的三維模型。因此,利用近景攝影測(cè)量、貼近攝影測(cè)量在模型精度和質(zhì)量上的優(yōu)秀表現(xiàn),彌補(bǔ)傾斜攝影測(cè)量模型細(xì)部粗糙的缺點(diǎn),將3種技術(shù)有機(jī)結(jié)合,同時(shí)輔以人工修飾,能夠得到大范圍的精細(xì)三維模型成果。本文嘗試從數(shù)據(jù)采集和模型處理兩個(gè)方面入手,利用傾斜影像與貼近影像、近景影像融合建模,并利用天際航圖像快速建模軟件進(jìn)行模型修飾與單體化。

數(shù)據(jù)采集方面,采用無人飛行器搭載傾斜相機(jī),按照規(guī)劃的航線獲取大范圍場(chǎng)景的傾斜影像數(shù)據(jù),用于整個(gè)測(cè)區(qū)模型的構(gòu)建。同時(shí)采用輕小型飛行器對(duì)測(cè)區(qū)內(nèi)重點(diǎn)建筑或地物環(huán)繞飛行獲取近景影像,對(duì)面狀地物手動(dòng)貼近飛行獲取貼近影像,用于重點(diǎn)區(qū)域的模型重建。對(duì)采集到的3種影像分別進(jìn)行空三解算,空三精度均滿足要求后制作連接點(diǎn)并進(jìn)行空三融合,得到一個(gè)完整的空三成果。

模型處理方面,所有數(shù)據(jù)經(jīng)空三解算、不規(guī)則三角網(wǎng)(triangulated irregular network,TIN)構(gòu)建、紋理映射之后,得到了整個(gè)測(cè)區(qū)的實(shí)景三維模型成果。將模型成果導(dǎo)入天際航圖像快速建模軟件中,利用軟件的修飾工具對(duì)模型進(jìn)行補(bǔ)洞、刪除懸浮物等操作,同時(shí)對(duì)重點(diǎn)區(qū)域建筑物進(jìn)行單體化建模,最終得到精細(xì)化的實(shí)景三維模型。

重建實(shí)景三維模型主要分為外業(yè)數(shù)據(jù)獲取與內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理兩部分。本文所使用的研究方法分別從影像獲取方式和模型后處理進(jìn)行優(yōu)化,整體實(shí)驗(yàn)流程如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)流程

3 工程實(shí)例分析

3.1 測(cè)區(qū)概況

本文選取某地濕地公園作為實(shí)驗(yàn)測(cè)區(qū),測(cè)區(qū)面積0.48 km。測(cè)區(qū)內(nèi)地勢(shì)較為平緩,水域較多,有部分建筑及雕塑。坐標(biāo)系統(tǒng)采用2 000國(guó)家大地坐標(biāo)系,在測(cè)區(qū)范圍內(nèi)均勻布置10個(gè)像控點(diǎn)、8個(gè)檢查點(diǎn)。測(cè)區(qū)范圍及控制點(diǎn)布設(shè)情況如圖2所示。

圖2 測(cè)區(qū)范圍及控制點(diǎn)

3.2 數(shù)據(jù)獲取

3.2.1

傾斜影像的獲取

測(cè)區(qū)范圍內(nèi)地勢(shì)較為平緩,最大高差不超過20 m,因此按照固定航高飛行獲取的影像數(shù)據(jù)分辨率不會(huì)有較大差距。飛行采用有實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)載波相位差分(real-time kinematic,RTK)功能的固定翼無人機(jī)為飛行平臺(tái),搭載五鏡頭傾斜攝影相機(jī)進(jìn)行傾斜影像的獲取任務(wù)。利用飛控軟件設(shè)定飛行范圍并自動(dòng)規(guī)劃航線,相對(duì)航高190 m,航向重疊度與旁向重疊度均設(shè)置為80%。本次飛行共獲取傾斜影像3 735張。

3.2.2

近景影像獲取

選取測(cè)區(qū)內(nèi)一處雕塑作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行傾斜影像與近景影像的融合建模。利用小型航測(cè)無人機(jī)及其自帶相機(jī),設(shè)定為環(huán)繞飛行模式,從不同高度分別對(duì)該雕塑環(huán)繞飛行獲取近景影像。共獲取近景影像198張。

3.2.3

貼近影像獲取

選取測(cè)區(qū)內(nèi)一處水閘作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行傾斜影像與貼近影像的融合建模。利用型航測(cè)無人機(jī)及其自帶相機(jī),手動(dòng)控制無人機(jī)貼近水閘獲取貼近影像數(shù)據(jù)。共獲取貼近影像183張。

3.2.4

像控?cái)?shù)據(jù)獲取

測(cè)區(qū)內(nèi)均勻布設(shè)10個(gè)像控點(diǎn)與8個(gè)檢查點(diǎn),同時(shí)在水閘、雕塑處設(shè)置連接點(diǎn),保證順利完成空三加密與點(diǎn)云融合。像控點(diǎn)、檢查點(diǎn)和連接點(diǎn)均采用全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(global navigation satellite system,GNSS)接收機(jī)連接河南省連續(xù)運(yùn)行參考站(continuously operating reference stations,CORS)網(wǎng)進(jìn)行測(cè)量。

3.3 融合建模

比對(duì)了市面常見的幾種三維建模軟件,最終選擇Context Capture軟件作為數(shù)據(jù)處理平臺(tái)。該軟件支持多源數(shù)據(jù)融合建模,可以對(duì)采集端獲取的多尺度影像進(jìn)行聯(lián)合建模。

3.3.1

影像預(yù)處理

由于本次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集任務(wù)未在同一天完成,采集傾斜影像時(shí)天氣晴朗,而采集貼近影像與近景影像時(shí)為陰天,因此需要對(duì)影像數(shù)據(jù)進(jìn)行勻光勻色,以免模型出現(xiàn)較大色差,影響模型質(zhì)量。實(shí)驗(yàn)中采用Capture One軟件進(jìn)行圖像處理,該軟件具有批量處理圖片的功能,處理效果能夠滿足相關(guān)規(guī)范要求。

3.3.2

空三加密

空三加密的目的是提取同名點(diǎn),通過多視影像密集匹配得到密集點(diǎn)云,并將密集點(diǎn)云納入坐標(biāo)系統(tǒng)中獲得同名點(diǎn)的坐標(biāo)。實(shí)驗(yàn)中對(duì)傾斜攝影數(shù)據(jù)、貼近攝影數(shù)據(jù)、近景攝影數(shù)據(jù)分別進(jìn)行空三,生成密集點(diǎn)云,然后將三者的點(diǎn)云進(jìn)行融合,最后進(jìn)行刺點(diǎn)。

3.3.3

模型重建

Context Capture軟件三維建模自動(dòng)化程度較高,利用集群運(yùn)算處理任務(wù),效率較高,且建模過程無須人工干預(yù)。最終得到的實(shí)景三維模型如圖3所示。

圖3 實(shí)景三維模型

3.4 模型精細(xì)化及單體化

天際航圖像快速建模軟件可以對(duì)實(shí)景三維模型進(jìn)行踏平、橋接、補(bǔ)洞、紋理修改等操作,能解決模型成果水面破洞、幾何變形、紋理拉花、懸浮物過多等問題,同時(shí)與Photoshop、3DMAX軟件聯(lián)動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)較好的精細(xì)化建模和模型單體化。本文基于該軟件完成了三維模型的精細(xì)化與單體化。

3.4.1

水面修復(fù)

測(cè)區(qū)內(nèi)水域較多,由于水面反射導(dǎo)致建模軟件難以識(shí)別同名點(diǎn),因此三維模型中的水域出現(xiàn)較多漏洞,如圖4(a)所示。通過水面踏平、補(bǔ)洞及紋理修改等操作,能完美解決上述問題,修復(fù)后的模型如圖4(b)所示。

3.4.2

懸浮物刪除

Context Capture軟件在多視影像密集匹配時(shí)會(huì)生成一些錯(cuò)誤點(diǎn),在生成三角網(wǎng)時(shí)這些錯(cuò)誤點(diǎn)相互連接,因此在三維模型的地面下方或空中會(huì)出現(xiàn)一些懸浮物,影響模型的質(zhì)量和觀感。圖5為懸浮物刪除懸浮物的前后對(duì)比。

(a)水面修復(fù)前 (b)水面修復(fù)后

(a)懸浮物刪除前 (b)懸浮物刪除后

3.4.3

模型單體化

單體化是傾斜攝影模型應(yīng)用的一個(gè)重要方向。模型中的房屋建筑等只有經(jīng)過單體化,才能被選中并添加屬性信息,從而集中管理。而傾斜攝影自動(dòng)化建模得到的成果是一個(gè)連續(xù)的TIN網(wǎng),并不會(huì)對(duì)地物進(jìn)行區(qū)分,因此需要對(duì)模型成果進(jìn)行一定的處理實(shí)現(xiàn)單體化,實(shí)現(xiàn)目標(biāo)地物可被單獨(dú)選中、查詢且賦予屬性信息。

實(shí)驗(yàn)選取測(cè)區(qū)內(nèi)一棟居民樓進(jìn)行單體化,單體化效果如圖6所示。

圖6 單體化效果

4 模型對(duì)比及精度評(píng)價(jià)

為便于對(duì)比分析,本次實(shí)驗(yàn)除進(jìn)行了融合建模外,單獨(dú)使用傾斜影像數(shù)據(jù)進(jìn)行了建模。為便于表述,將單獨(dú)使用傾斜影像建模得到的模型稱為模型A,多種影像融合建模得到的模型稱為模型B。

4.1 與近景影像融合建模的對(duì)比

本次實(shí)驗(yàn)利用小型無人機(jī)環(huán)繞飛行獲取了濕地公園某處雕塑的近景影像,與傾斜影像結(jié)合進(jìn)行融合建模。圖7為模型A與模型B中主雕塑與附屬物的對(duì)比?？梢钥闯?僅使用傾斜影像重建的模型A紋理失真,細(xì)部結(jié)構(gòu)不精細(xì),甚至某些結(jié)構(gòu)嚴(yán)重變形甚至缺失,在圖7(c)中表現(xiàn)得尤為明顯。而傾斜影像與近景影像的融合建模紋理更加真實(shí),細(xì)部結(jié)構(gòu)能夠完整表達(dá),整體模型無明顯瑕疵。

實(shí)驗(yàn)選取的雕塑結(jié)構(gòu)復(fù)雜,對(duì)三維建模有更高的要求,僅利用傾斜攝影測(cè)量的方法很難完整表達(dá)地物的真實(shí)紋理信息,而近景攝影測(cè)量以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)彌補(bǔ)了這一缺點(diǎn),克服了傾斜影像建立的三維模型“可遠(yuǎn)觀不可近看”的缺點(diǎn)。

(a)雕像A傾斜影像建模 (b)雕像A融合建模

(c)雕像B傾斜影像建模 (d)雕像B融合建模

4.2 與貼近影像融合建模的對(duì)比

由于貼近攝影測(cè)量主要面向的是“面”的測(cè)量,因此實(shí)驗(yàn)選擇測(cè)區(qū)內(nèi)一處水閘,利用貼近攝影的方式獲取水閘的貼近影像,與傾斜影像結(jié)合進(jìn)行建模。圖8為水閘在模型A與模型B中的對(duì)比圖。可以看出,模型A中的水閘嚴(yán)重變形,房檐與墻體扭曲,窗戶上方的裝飾物拉伸變形,下方的梁柱結(jié)構(gòu)和紋理信息缺失。而在模型B中,房檐與下方結(jié)構(gòu)紋理清晰、棱角分明,窗戶及裝飾物表達(dá)清晰完整,梁柱結(jié)構(gòu)完整、紋理清晰。

實(shí)驗(yàn)選取的水閘面狀結(jié)構(gòu)較多,采用貼近攝影測(cè)量的方式獲取了高分辨率的影像,最終得到精細(xì)的水閘模型,彌補(bǔ)了傾斜攝影測(cè)量無法重建建筑物細(xì)部結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn),取得了理想的效果。

(a)模型A (b)模型B

4.3 精度評(píng)價(jià)

測(cè)區(qū)內(nèi)布設(shè)了8個(gè)檢查點(diǎn),采用GNSS接收機(jī)測(cè)得檢查點(diǎn)坐標(biāo)作為真值。利用測(cè)圖軟件對(duì)實(shí)景三維模型進(jìn)行裸眼測(cè)圖,將測(cè)得的檢查點(diǎn)坐標(biāo)與實(shí)地測(cè)量坐標(biāo)對(duì)比。分別統(tǒng)計(jì)模型坐標(biāo)與實(shí)測(cè)坐標(biāo)的差值Δ

X

、Δ

Y

、Δ

Z

,計(jì)算其平面偏差Δ

S

、平面中誤差

m

與高程中誤差

m

,計(jì)算公式如下：

式中，

n

為檢查點(diǎn)的個(gè)數(shù)。

根據(jù)上述公式求得8個(gè)檢查點(diǎn)的平面中誤差為2.3 cm,高程中誤差3.7 cm,其中融合建模區(qū)域的平面中誤差為0.2 cm,高程中誤差0.3 cm。模型精度符合規(guī)范要求,融合建模區(qū)域精度達(dá)到了亞厘米級(jí)。

5 結(jié)束語

本文將傾斜攝影測(cè)量與近景攝影測(cè)量、貼近攝影測(cè)量結(jié)合,通過優(yōu)化數(shù)據(jù)獲取方式獲取多尺度影像,并在后期對(duì)三維模型人工修飾,得到了精細(xì)化的實(shí)景三維模型,同時(shí)實(shí)現(xiàn)了模型單體化,在降低精細(xì)化建模成本的同時(shí),一定程度上解決了傾斜攝影測(cè)量建模成果“可遠(yuǎn)觀不可近看”的缺陷。

本文的方法也存在一定的不足：一是利用無人機(jī)獲取近景影像與貼近影像的方式為手動(dòng)飛行,對(duì)作業(yè)人員要求較高;二是模型單體化效率低,大范圍作業(yè)時(shí)有一定的難度。今后應(yīng)從無人機(jī)航線自動(dòng)規(guī)劃與建筑模型自動(dòng)單體化方面入手,進(jìn)行更加深入的研究。

目前,如何構(gòu)建精細(xì)的三維模型以及如何應(yīng)用模型成果是一項(xiàng)研究熱點(diǎn),國(guó)家層面也開始加快推進(jìn)實(shí)景三維中國(guó)的建設(shè)。本文在精細(xì)化三維模型的構(gòu)建方面進(jìn)行了一些嘗試性研究,以期為后續(xù)研究提供一定的參考。今后還需嘗試采用其他方法快速高效地進(jìn)行精細(xì)化實(shí)景三維模型的構(gòu)建與建筑物單體化。