城市的空地一體單體化三維建模研究

胡天明,李治明

(1.甘肅省測繪工程院，甘肅 蘭州 730000；2.甘肅省應(yīng)急測繪工程研究中心，甘肅 蘭州 730000)

目前傾斜攝影實(shí)現(xiàn)了獲取城市實(shí)景三維模型的高度自動(dòng)化[1]，成為了城市大場景三維建模的首選，但傾斜攝影模型由于其生成技術(shù)機(jī)制為一體化模型，即“一張皮”，無法與空間實(shí)體進(jìn)行關(guān)聯(lián)，并沒有得到具體的單個(gè)要素的虛擬模型，將其變?yōu)橐粋€(gè)個(gè)可以單獨(dú)處理、編輯的個(gè)體，并附著相應(yīng)的屬性信息[2]；三維實(shí)景模型數(shù)據(jù)量較大，給三維場景的加載和發(fā)布帶來很多不便；三維模型質(zhì)量參差不齊，存在 “漏洞”和拉花現(xiàn)象[3]，因此建立實(shí)景模型后進(jìn)行單體化很有必要。另外底商貼圖替換在單體化建模中的重要性不言而喻，但是目前單體化建模時(shí)底商替換的效率依然較低，大部分還是按照傳統(tǒng)的先拍攝建模區(qū)域內(nèi)的建筑物底商的照片，再根據(jù)模型找到對(duì)應(yīng)的底商照片進(jìn)行貼圖，這種方式大大增加了單體化建模的工作量，建模效率較低；另一方面城市傾斜攝影拍攝到近地面建筑物側(cè)面影像的清晰度不能滿足要求，尤其是有高層建筑區(qū)域中，底商紋理拍攝清晰度不夠，而且近地面地物遮擋現(xiàn)象比較突出[4]。

基于以上問題，考慮使用GPS差分的外業(yè)近景攝影，獲取厘米級(jí)的近景影像的GPS位置信息，然后參考航空攝影測量空中三角測量的方法對(duì)近景影像進(jìn)行空三加密，獲取近景影像的準(zhǔn)確外方位元素，將具備準(zhǔn)確外方位元素的近景攝影影像在單體化建模軟件中進(jìn)行定位，使得近景攝影影像可以和航空影像一樣進(jìn)行模型的紋理映射，可以很方便的快速對(duì)建筑進(jìn)行近地面的貼圖，直接進(jìn)行底商貼圖，極大的提升了單體化建模的效率和效果。

1 總體技術(shù)路線

通過傾斜航空攝影測量技術(shù)手段，依照現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)，測繪行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)以及有關(guān)規(guī)定，進(jìn)行航空攝影和地面影像獲取，然后對(duì)影像進(jìn)行空三加密，ContextCapture Center進(jìn)行實(shí)景建模，在建模軟件在三維實(shí)景模型基礎(chǔ)上，采用人機(jī)交互的方式采集模型輪廓線[5]，制作單體化白模，然后使用空三加密后的傾斜攝影對(duì)模型進(jìn)行貼圖，最后通過對(duì)近景攝影獲取建筑物清晰的紋理也同樣空三加密后并替換原有貼圖利用影像及其空三加密成果進(jìn)行精細(xì)化單體建模、紋理貼圖。

圖1 總體技術(shù)路線圖

2 影像數(shù)據(jù)獲取

2.1 航空傾斜攝影

利用航線設(shè)計(jì)軟件及全國30 m格網(wǎng)DEM數(shù)據(jù)，對(duì)測區(qū)范圍內(nèi)的高程進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。根據(jù)測區(qū)最低和最高高程進(jìn)行航攝分區(qū)，具體依據(jù)《1:500 1:1 000 1:2 000地形圖航空攝影規(guī)范》中有關(guān)航攝分區(qū)的技術(shù)要求來進(jìn)行航攝分區(qū)和航線設(shè)計(jì)。

像控點(diǎn)的布設(shè)按照區(qū)域網(wǎng)布點(diǎn)法進(jìn)行。按一定距離在測區(qū)內(nèi)均勻布點(diǎn)，測區(qū)的四角、凸凹轉(zhuǎn)角處均需布設(shè)像控點(diǎn)。四角的控制點(diǎn)布設(shè)在了航攝分區(qū)范圍外邊緣處及兩條航線重疊區(qū)域。像控點(diǎn)主要用于空三加密，同時(shí)檢測點(diǎn)用于成果數(shù)據(jù)的精度檢測。

航空攝影飛行需要辦理空域批文，飛行前由機(jī)組空域協(xié)調(diào)人員向民航空管管中心申報(bào)飛行計(jì)劃。然后根據(jù)航攝設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行航空攝影。

2.2 近景攝影

通過傾斜影像圖片的貼圖方式來表現(xiàn)建筑的細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)的方式，缺點(diǎn)是底商貼圖不清晰。在重點(diǎn)的沿街區(qū)域或是商業(yè)建筑區(qū)，為了將建筑底部的底商細(xì)化，更好的展示沿街景觀，把建筑中該有的結(jié)構(gòu)通過模型和貼圖能夠清晰的表現(xiàn)出來，必須進(jìn)行近地面影像的補(bǔ)拍。

地面近景影像使用T-BOX影像設(shè)備采集。T-BOX通過4G網(wǎng)絡(luò)連接GPS基站或者連接CORS，同時(shí)手機(jī)通過藍(lán)牙連接進(jìn)行GPS位置信息傳輸，就可以使得手機(jī)獲取的建筑物影像具備精確的位置信息。為了后期空三加密的需要提升空三精度，拍攝時(shí)連續(xù)的建筑影像之間必須具有重疊，重疊度須達(dá)到80%以上，不連續(xù)的建筑群之間應(yīng)進(jìn)行影像分組，建筑拐彎處盡量多拍攝照片，確?？杖@取盡可能多的同名點(diǎn)。

圖2 近地面影像采集

3 影像空三加密

3.1 航空影像空三加密

將傾斜攝影采集的影像數(shù)據(jù)和精密解算的GPS數(shù)據(jù)導(dǎo)入PhotoScan空三軟件，自動(dòng)化對(duì)影像進(jìn)行幾何校正、同名點(diǎn)匹配、多視影像聯(lián)合平差，最后將平差后的外方位元素賦予每張傾斜影像，獲取下視影像和傾斜影像的精確的外方位元素，即全部影像具有在虛擬三維空間中的精確位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了傾斜攝影實(shí)時(shí)量測，得到每張影像精確的外方位元素及消除畸變差的影像，以供后續(xù)三維重建使用。

3.2 近景影像空三

TBOX基于攝影測量、計(jì)算機(jī)視覺與計(jì)算幾何算法進(jìn)行地面影像的空三計(jì)算。

通過導(dǎo)入地面影像和相機(jī)POS信息，然后對(duì)已有控制點(diǎn)進(jìn)行刺點(diǎn)，通過空三解算，可獲取每張影像上的每個(gè)像素對(duì)應(yīng)的真實(shí)地理坐標(biāo)位置。

圖3 地面影像空三加密

4 傾斜攝影實(shí)景建模

4.1 密集點(diǎn)云生成

根據(jù)空三加密成果，使用空三加密軟件高效提取影像特征點(diǎn)，生成高密度點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

4.2 構(gòu)建TIN網(wǎng)模型

模型制作的計(jì)算任務(wù)量較大，為提高數(shù)據(jù)處理速度，處理過程中將攝區(qū)分割成N個(gè)模型小塊進(jìn)行處理。對(duì)每個(gè)區(qū)塊內(nèi)模型精細(xì)構(gòu)網(wǎng)，可以快速生成TIN網(wǎng)模型。

4.3 自動(dòng)紋理映射

對(duì)TIN網(wǎng)模型自動(dòng)紋理映射，可以根據(jù) TIN 網(wǎng)中每個(gè)三角形的空間位置，找到每個(gè)三角形面在紋理影像中對(duì)應(yīng)的實(shí)際紋理區(qū)域，實(shí)現(xiàn)三維TIN模型與紋理圖像的配準(zhǔn)。把配準(zhǔn)的紋理圖像反投影到對(duì)應(yīng)的三角面片上，以便隨時(shí)對(duì)模型進(jìn)行真實(shí)感的繪制，實(shí)現(xiàn)紋理貼附[6]，自動(dòng)映射最佳視角的影像作為模型紋理，以此生成基于真實(shí)影像位紋理的高分辨率實(shí)景真三維模型，實(shí)景真三維模型是對(duì)真實(shí)場景的高度還原。

圖4 實(shí)景三維模型

5 單體化建模

5.1 建模準(zhǔn)備

將實(shí)景三維模型、空三加密后的航空傾斜影像、近景影像及其對(duì)應(yīng)的空三成果導(dǎo)入DP-Modeler中建立三維建模工程，實(shí)現(xiàn)實(shí)景三維模型、航空傾斜影像、近景影像的多源數(shù)據(jù)的匹配融合，在融合后的DP-Modeler輔助建模工程中就可以作白模并進(jìn)行模型的貼圖。

5.2 白模制作

模型的輪廓及高度基于空三加密后的三維實(shí)景模型和傾斜影像成果，利用傾斜攝影可實(shí)現(xiàn)單張影像測量的原理, 在DP-Modeler建模軟件環(huán)境下在實(shí)景模型上進(jìn)行采集，在垂直影像上獲取頂部結(jié)構(gòu), 從四周傾斜影像上獲取房屋立面結(jié)構(gòu)信息, 然后對(duì)其進(jìn)行推拉、編輯、調(diào)整得到最終模型[7]，即白模。在采集中除了利用DP-Modeler建模軟件提供的基本模型創(chuàng)建工具, 對(duì)于異形或復(fù)雜的建筑物還可調(diào)用3Dmax進(jìn)行編輯[8]。

5.3 紋理自動(dòng)映射

通過傾斜影像及空三加密成果，模型貼圖自動(dòng)從傾斜影像中映射，自動(dòng)進(jìn)行白模貼圖。它是用傾斜影像貼圖的方法來表現(xiàn)建筑的紋理，把建筑中該有的結(jié)構(gòu)通過模型和貼圖表現(xiàn)出來。

5.4 手工貼圖修飾

對(duì)紋理自動(dòng)映射后的模型進(jìn)行貼圖手工編輯，單張貼圖存在色差或者遮擋時(shí)，編輯紋理去掉色差或遮擋。利用傾斜影像后的模型紋理真實(shí)性高，更符合實(shí)景數(shù)字城市要求。

5.5 地面紋理處理

由于后期獲取的地面補(bǔ)拍影像存在非建筑元素的遮擋及影像顏色亮度、因鏡頭影像畸變及拍攝角度產(chǎn)生角度偏差等問題無法直接使用，需要經(jīng)過處理后才能用于地面紋理替換?？梢圆捎肞hotoshop圖片處理軟件進(jìn)對(duì)獲取的地面拍攝影像進(jìn)行畸變糾正、亮度對(duì)比度調(diào)整以及非建筑元素的去除。通過畸變糾正后的影像能夠真實(shí)反映建筑的垂直水平關(guān)系，無角度、扭曲現(xiàn)象；部分圖片由于拍攝時(shí)光線太強(qiáng)或較暗，需要對(duì)其亮度、對(duì)比度等指標(biāo)進(jìn)行調(diào)整；另外還要去掉影像中遮擋建筑的樹木、車輛、人等非建筑元素。

5.6 地面紋理替換

地面紋理處理后就可以根據(jù)模型位置選擇相應(yīng)的地面影像對(duì)模型進(jìn)行底商替換,依照傾斜影像反映的建筑底部細(xì)節(jié)表現(xiàn)來替換原有的傾斜影像。

地面紋理替換時(shí)首先選擇建筑物及對(duì)應(yīng)的地面影像，然后根據(jù)地面影像拍攝范圍的大小決定是否需要對(duì)建筑面進(jìn)行分割，選擇需要貼圖的面，按照貼圖面對(duì)地面影像進(jìn)行微調(diào)后貼圖，這樣就完成該面的貼圖替換，其余面以此類推。注意建筑物面分割時(shí)需要盡可能的選擇較大的面貼圖，可以大大提升替換的效率高，另外可以防止貼圖之間的錯(cuò)位。

地面拍攝的近地面和建筑側(cè)面要素?cái)?shù)據(jù)完整、細(xì)節(jié)清晰, 是傾斜攝影獲取的影像數(shù)據(jù)的補(bǔ)測, 能夠很好地修復(fù)傾斜攝影在近地面和建筑側(cè)面的數(shù)據(jù)失真現(xiàn)象[9]，另一方面航空傾斜影像貼圖為地面補(bǔ)拍影像貼圖提供了參考依據(jù)，確保在地面補(bǔ)拍影像貼圖過程中模型及紋理的精度。

圖5 模型底商替換

圖6 三維單體化模型

6 結(jié) 語

本建模方法充分利用了實(shí)景模型成果, 而且作業(yè)人員無需借助輔助設(shè)備, 即可人工基于Mesh模型還原的現(xiàn)實(shí)世界完成單體化建模[10]，該方法一方面實(shí)現(xiàn)了三維模型的單體化，得到了高精度、高分辨率、高真實(shí)度的單體三維模型，更重要的是它實(shí)現(xiàn)了大城市實(shí)景建模中由于航攝航高較高而出現(xiàn)的底商紋理不夠清晰的問題；另外通過高精度地面近景攝影，使得近地面紋理具備了高精度POS信息，通過空三加密的成果將模型與地面影像一體化，使得地面紋理替換更加方便和智能，大大減少了人工工作量。這種空地一體單體化三維建模的技術(shù)方法在類似項(xiàng)目中具有很好的推廣和借鑒意義。