基于CC的實(shí)景三維模型建立技術(shù)研究

遲鳳靜

摘要：隨著智慧城市、智慧工廠等行業(yè)對(duì)三維模型數(shù)據(jù)的需求日益增強(qiáng)，傳統(tǒng)的采用3Dmax軟件進(jìn)行精細(xì)建模的方式，生產(chǎn)效率低，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足大面積三維建模的需要。本文對(duì)比了傳統(tǒng)人工建模與實(shí)景三維建模的優(yōu)缺點(diǎn)，通過(guò)在實(shí)際項(xiàng)目中的應(yīng)用對(duì)實(shí)景三維建模技術(shù)進(jìn)行了研究。

關(guān)鍵詞：傾斜攝影;三維建模;實(shí)景三維;空三加密

一.前言

隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，使用無(wú)人機(jī)獲取地面影像更加方便、快捷，不僅可通過(guò)無(wú)人機(jī)航攝技術(shù)進(jìn)行正射影像圖制作、數(shù)據(jù)采集、數(shù)字線劃圖等傳統(tǒng)的二維測(cè)繪工作，還可進(jìn)行熱門(mén)的三維模型建設(shè)。傳統(tǒng)虛擬三維模型建設(shè)主要采用無(wú)人機(jī)或者三維激光掃描儀獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)，人工建立精細(xì)模型，有著耗時(shí)長(zhǎng)、工作量大、人力消耗大、制作煩瑣、場(chǎng)景不真實(shí)等缺點(diǎn)。而目前采用全自動(dòng)三維建模系統(tǒng)ContextCapture Center（簡(jiǎn)稱(chēng)CC）進(jìn)行的實(shí)景三維建模技術(shù)，可快速生成三維模型，從而達(dá)到自動(dòng)、快速、準(zhǔn)確、真實(shí)的空間數(shù)據(jù)重建效果。

二.關(guān)鍵技術(shù)研究

（一）傾斜攝影測(cè)量技術(shù)

傾斜攝影測(cè)量技術(shù)顛覆了以往正射影像只能從垂直角度拍攝的局限，通過(guò)在同一飛行平臺(tái)上搭載多臺(tái)傳感器，同時(shí)從一個(gè)垂直及多個(gè)傾斜角度采集影像，獲取地面物體更為完整準(zhǔn)確的信息，符合人眼視覺(jué)的真實(shí)直觀效果。

目前我們采用的是CC全自動(dòng)三維建模系統(tǒng)處理傾斜攝影數(shù)據(jù)，它是基于圖形運(yùn)算單元GPU的快速建模技術(shù)，可以在像片質(zhì)量符合要求下無(wú)須人工干預(yù)進(jìn)行快速、簡(jiǎn)單、全自動(dòng)的建模，并且它還支持輸出多種數(shù)據(jù)成果格式，兼容多種數(shù)據(jù)源。

（二）空中三角測(cè)量技術(shù)

空中三角測(cè)量是利用航攝像片與所攝目標(biāo)之間的空間幾何關(guān)系，根據(jù)少量像片控制點(diǎn)，計(jì)算待求點(diǎn)的平面位置、高程和像片外方位元素的測(cè)量方法。目前，傾斜攝影系統(tǒng)采用的是POS輔助空中三角測(cè)量技術(shù)，是將GPS和IMU組成的定位定姿系統(tǒng)（POS）和航攝儀集成在一起，通過(guò)GPS獲取航攝儀曝光時(shí)刻攝站的空間位置參數(shù)，通過(guò)IMU測(cè)定航攝儀的姿態(tài)參數(shù)。

（三）三維建模技術(shù)

三維建模技術(shù)是利用計(jì)算機(jī)對(duì)物體或地形地貌進(jìn)行三維模擬，是對(duì)真實(shí)世界的虛擬顯示，通常是根據(jù)線、面在不同細(xì)節(jié)層次渲染、紋理映射或者用不同方法進(jìn)行明暗描繪，使模型看起來(lái)更加真實(shí)、細(xì)致，使讀者有身臨其境的感覺(jué)。

基于CC的實(shí)景三維建模技術(shù)采用的原始數(shù)據(jù)是通過(guò)多角度的傾斜攝影系統(tǒng)獲取的測(cè)區(qū)傾斜影像、POS數(shù)據(jù)等資料，運(yùn)用CC強(qiáng)大的基于圖像密集匹配技術(shù)的快速三維場(chǎng)景運(yùn)算功能，進(jìn)行傾斜攝影空中三角測(cè)量解算，再進(jìn)行地面景物的逼真實(shí)景真三維重構(gòu)，最終達(dá)到實(shí)現(xiàn)全要素的真實(shí)影像及紋理的高分辨率實(shí)景三維模型。

三.應(yīng)用效果

（一）基于CC的實(shí)景三維模型建立流程

（二）應(yīng)用項(xiàng)目

1 牛莊水務(wù)項(xiàng)目

引進(jìn)傾斜攝影無(wú)人機(jī)后，以牛莊水務(wù)項(xiàng)目為契機(jī)首先在牛莊區(qū)域內(nèi)進(jìn)行了航拍，拍攝范圍為牛莊物探區(qū)域內(nèi)約1.3km2，飛行高度150m，飛行兩個(gè)架次，模型精度0.5m。下面，以牛莊水務(wù)項(xiàng)目為例，介紹基于CC進(jìn)行實(shí)景建模的應(yīng)用情況。

1.1數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集采用傾斜攝影設(shè)備進(jìn)行航拍，航線設(shè)計(jì)時(shí)確保同一地物、同一個(gè)特征點(diǎn)需要三張以上小于15度角的不同角度的像片覆蓋，航向重疊度大于70%，旁向重疊度大于50%。側(cè)面紋理像片覆蓋度、重疊度越大，解算出來(lái)的實(shí)景三維模型精度越高、效果越好，解算出成果的時(shí)間也會(huì)相應(yīng)地增加。所以考慮到效率問(wèn)題，又不可以無(wú)限制地提高重疊度與像片數(shù)量。

1.2實(shí)景三維模型建立

1.2.1像片導(dǎo)入

野外數(shù)據(jù)采集完成后，進(jìn)行影像數(shù)據(jù)檢查，無(wú)誤后導(dǎo)入CC軟件中，新建工程，根據(jù)采用的航攝設(shè)備確定傳感器長(zhǎng)邊及焦距。

1.2.2空三加密

在工程準(zhǔn)備完成后進(jìn)行空三加密。CC軟件會(huì)根據(jù)像片進(jìn)行大量特征點(diǎn)的計(jì)算、提取，對(duì)獲取的特征點(diǎn)再采用多視角匹配同名點(diǎn)，然后反向解算出每張像片的空間位置還有像片的姿態(tài)角度，從而可以確定像片之間的關(guān)系。空三加密完成后，可以在ContextCapture里查看到整個(gè)航帶的飛行情況、結(jié)算出來(lái)的空三點(diǎn)的位置密度，還有每張像片的相對(duì)位置以及其所覆蓋的范圍、方位角等信息。

1.2.3量測(cè)控制點(diǎn)

空三加密根據(jù)野外采集的相控點(diǎn)，進(jìn)行像片刺點(diǎn)。此過(guò)程要確保每張像片準(zhǔn)確刺點(diǎn)，完成后再進(jìn)行一次空三加密。控制點(diǎn)可以在空三加密之前就加到Block中，這樣就可以無(wú)需再一次進(jìn)行空三。ContextCapture提供了很多個(gè)坐標(biāo)系，我們也可以根據(jù)需要加入本地坐標(biāo)系，只需要編寫(xiě)一個(gè)坐標(biāo)系文件導(dǎo)入即可。

1.2.4模型建立

空三加密、刺控制點(diǎn)再次進(jìn)行空三解算之后就開(kāi)始進(jìn)行模型建立。軟件通過(guò)空三加密點(diǎn)計(jì)算出不規(guī)則三角網(wǎng)TIN，并且生成白模的三維模型，再通過(guò)三維模型形狀位置從航片中選取合適的紋理進(jìn)行貼圖，最后輸出紋理逼真的實(shí)景三維模型。根據(jù)使用的第三方軟件，我們可以導(dǎo)出多種格式的模型數(shù)據(jù)，修改完成后還可以再次進(jìn)入ContextCapture中重新整合輸出。

1.2.5 重慶江津站分輸站傾斜攝影測(cè)量實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)區(qū)飛行范圍為位于重慶市江津區(qū)廣興鎮(zhèn)東北方向的的江津分輸站及延分輸站西北方向2公里管道為中心周邊500米的帶狀范圍。共飛行三個(gè)架次，航高130米，總共拍攝了3640張，54G圖像資料，布設(shè)地面控制點(diǎn)19個(gè)。

1.3效益分析

ContextCapture作為專(zhuān)業(yè)的高效實(shí)景建模軟件，可創(chuàng)建具有照片紋理的、按照地理位置定位的三維模型，可直觀反映地物的外觀、位置、高度等屬性，為真實(shí)效果和測(cè)繪級(jí)精度提供保證。同時(shí)有效提升模型的生產(chǎn)效率。以牛莊水務(wù)項(xiàng)目為例，采用人工建模方式，野外采集數(shù)據(jù)三個(gè)人需要四天時(shí)間，包括無(wú)人機(jī)航拍以及紋理照片采集。后期建模，五個(gè)人共用五十多天時(shí)間。而使用CC進(jìn)行實(shí)景三維建模，野外數(shù)據(jù)采集三個(gè)人兩天，主要是進(jìn)行傾斜攝影測(cè)量，后期數(shù)據(jù)處理只需一個(gè)人八天便可完成。所以，針對(duì)大范圍的區(qū)域建模，在對(duì)模型精細(xì)度沒(méi)有特殊要求的情況下，采用CC系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)景三維建模可以節(jié)省大量的人力和時(shí)間。

四.結(jié)語(yǔ)

實(shí)景三維模型建立技術(shù)以“全要素、全紋理”的方式來(lái)表達(dá)空間，提供了不需要解析的語(yǔ)義，是物理城市的全息再現(xiàn)，該技術(shù)是當(dāng)今三維建模技術(shù)的主流，能夠獲取地理實(shí)體的紋理細(xì)節(jié)，不但豐富了影像數(shù)據(jù)源信息，而且極大地提升了三維建模的效率，同時(shí)也降低建模的生產(chǎn)成本，可以為測(cè)繪、規(guī)劃、應(yīng)急、公安、旅游文化等行業(yè)提供低廉、高效、敏捷的數(shù)據(jù)支持與服務(wù)。