一種基于多源數(shù)據(jù)融合的文物三維建模方法

羅秋 李國(guó)柱 甘淑

摘 ?要： 針對(duì)基于單一數(shù)據(jù)源對(duì)建筑物進(jìn)行三維模型時(shí)，建模質(zhì)量、精度、完整性具有一定的局限性使得后期修模耗時(shí)、耗力、效率低下等問題，以昆明市某文物建筑為研究對(duì)象，基于多源數(shù)據(jù)融合技術(shù)，提出一種基于計(jì)算機(jī)視覺理論中的基本原理進(jìn)行多源坐標(biāo)系的統(tǒng)一、基于主成分分析進(jìn)行初始點(diǎn)云配準(zhǔn)的方法，進(jìn)而提出一種融合多種數(shù)據(jù)源對(duì)文物建筑進(jìn)行精密三維建模的方法，并比較該方法與單一數(shù)據(jù)源建模方法的優(yōu)劣。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明基于多源數(shù)據(jù)融合進(jìn)行三維建模的方法，使各種古建筑三維建模技術(shù)優(yōu)缺互補(bǔ)，規(guī)避了使用單一激光點(diǎn)云而無(wú)法滿足古建筑頂部及局部細(xì)節(jié)三維建模的問題，使建模數(shù)據(jù)采集的手段多樣化。

關(guān)鍵詞： 多源數(shù)據(jù)融合;三維激光掃描技術(shù);傾斜攝影測(cè)量;三維建模

中圖分類號(hào)： TP3 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ?DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.08.033

本文著錄格式：羅秋，李國(guó)柱，甘淑. 一種基于多源數(shù)據(jù)融合的文物三維建模方法[J]. 軟件，2020，41（08）：120-124

【Abstract】： Based on a single data source for building 3d model， the modeling quality， accuracy， integrity， has certain limitations allow late module and time-consuming， low power consumption， efficiency and other issues， a cultural relic buildings in kunming as the research object， based on multi-source data fusion technology， puts forward the basic principle based on computer vision theory to the unity of multi-source coordinate system， based on principal component analysis method for the initial point cloud registration， and then put forward a kind of fusion of a variety of data sources for historical building precision of 3d modeling method， and compares the pros and cons of this method with single data source modeling methods.Experimental results show that based on multi-source data fusion method for 3d modeling， make each modeling technology to carry on the complementary advantages， solves the oblique photography dioramas details of complementary and precise modeling， laser point cloud can't satisfy the top and detail modeling problem， enrich the modeling means of data collection， meet the needs of the project for all kinds of data accuracy.

【Key words】： Multi-source data fusion; Three-dimensional laser scanning; Oblique photogrammetry; 3D modeling

0 ?引言

文物建筑是城市歷史文化的主要載體，孕育了大量的歷史人文精神，留下了大量古建筑文化信息，是在研究我國(guó)不同時(shí)期各個(gè)方面發(fā)展的重要的實(shí)物參考資料[1]。但由于歷史悠久、長(zhǎng)期暴露在外面，受自然和人為的影響，文物不可避免的受到一定程度的損害。在旅游業(yè)蓬勃發(fā)展的今天，如何完整的保存古建筑的原始面貌，防止或減少古建筑繼續(xù)被破壞，是擺在世人面前的一個(gè)非常重要問題[2]。

目前，對(duì)于古建筑進(jìn)行三維建模的方法主要有基于三維激光掃描技術(shù)的三維建模[3-6]、基于無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的三維建模[7-8]、傳統(tǒng)的有CAD建模[9]、3ds MAX建模[10]、OpenGL建模[11]方法等。由于基于單一數(shù)據(jù)源的三維建模有很大的局限性，對(duì)于一些小范圍的三維建模能夠滿足精度需要，但隨著場(chǎng)景的增大，建筑物結(jié)構(gòu)變得更加復(fù)雜，很難準(zhǔn)確的將大場(chǎng)景建筑的模型細(xì)節(jié)完整表達(dá)出來，精度也很難達(dá)到要求。

隨著測(cè)繪技術(shù)的發(fā)展，三維建模中引進(jìn)了基于多源數(shù)據(jù)融合的三維建模方法，該方法證明數(shù)據(jù)源的多重融合能更好的根據(jù)用戶需求，對(duì)建模對(duì)象的進(jìn)行分層處理，達(dá)到最好的融合效果。目前，由于項(xiàng)目需求，基于多種數(shù)據(jù)源進(jìn)行建模，成為大規(guī)模場(chǎng)景的進(jìn)行三維建模的最主要方法。然而，如何選擇數(shù)據(jù)源種和最后將多種數(shù)據(jù)源融合成效果較好的模型是主要研究問題[12]。本文采用的多源數(shù)據(jù)是：激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)、傾斜影像數(shù)據(jù)、全景影像數(shù)據(jù)。

1 ?多源數(shù)據(jù)融合技術(shù)

多源數(shù)據(jù)融合技術(shù)是將同一目標(biāo)或?qū)ο笤诙鄠€(gè)平臺(tái)上采集的各種不同的數(shù)據(jù)源，按照選定的算法規(guī)則融合處理，得到更為精確、更為完整、更加有效的信息，用以合成包含新的時(shí)、空特點(diǎn)及光譜特征的影像，以實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)或場(chǎng)景的綜合描述[13-17]。該技術(shù)的目標(biāo)在于將基于多平臺(tái)、多數(shù)據(jù)源信息進(jìn)行融合，從而針對(duì)不同數(shù)據(jù)源的特點(diǎn)，從各個(gè)數(shù)據(jù)源中提取各自優(yōu)點(diǎn)，進(jìn)行互補(bǔ)，得出更完整、精確的數(shù)據(jù)信息。

本文的多源數(shù)據(jù)融合技術(shù)流程包含三大步驟：（1）預(yù)處理：主要針對(duì)目標(biāo)物體，不同采集方式采集的多源數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，包括坐標(biāo)統(tǒng)一、點(diǎn)云配準(zhǔn);（2）多源數(shù)據(jù)融合：包括將多源異構(gòu)的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)及傾斜攝影數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后進(jìn)行三維建模，然后進(jìn)行點(diǎn)云融合。

1.1 ?多源坐標(biāo)系的統(tǒng)一

1.3 ?多源信息數(shù)據(jù)融合及建模

多源數(shù)據(jù)主要包括地面三維激光掃描數(shù)據(jù)、無(wú)人機(jī)傾斜攝影影像數(shù)據(jù)、全景影像數(shù)據(jù)。將各種數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理達(dá)標(biāo)后，提取點(diǎn)云數(shù)據(jù)，最后進(jìn)行多源數(shù)據(jù)的融合。

2 ?項(xiàng)目案例

2.1 ?經(jīng)幢概況

地藏寺經(jīng)幢位于昆明市拓東路，幢高7.8米，由五段砂石拼成幢為方錐狀塔，共有七級(jí)，八面形石幢。其上雕刻有300尊神像，大神像高達(dá)1米，小神像5至7厘米。第一層雕刻了四大天王，第二層雕刻有四方佛等40尊角分雕四神;第三層以上雕佛像、菩薩等。第四層雕有藥師佛等物。經(jīng)幢第五層圓雕四只迦樓羅。第六層最為吸引人的地方在于，四面雕仿木構(gòu)殿堂各一座。殿內(nèi)供三世佛及佛弟子，雕刻極為精細(xì)，而且殿堂仿木構(gòu)造惟妙惟肖。第七層幢為柱形，雕刻著小佛像。

2.2 ?控制點(diǎn)布設(shè)

利用昆連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站（KMCORS），在測(cè)區(qū)（文物古建所在區(qū)域）布設(shè)CGCS2000控制點(diǎn)至少3個(gè)，采用“一點(diǎn)一方位”的方法，按照二級(jí)導(dǎo)線點(diǎn)要求計(jì)算。經(jīng)幢選取市博物館停車場(chǎng)布設(shè)控制點(diǎn)JZ01、JZ02、JZ03，如圖2所示。

3 ?數(shù)據(jù)獲取與處理

多源數(shù)據(jù)采集流程如下。

3.1 ?激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取與處理

數(shù)據(jù)獲?。褐饕杉沤ㄖ⒚纥c(diǎn)云數(shù)據(jù)。根據(jù)精度要求，采用FARO S350掃描儀采集數(shù)據(jù)。該型號(hào)設(shè)備采用閃電激光技術(shù)，將相位測(cè)距技術(shù)與脈沖測(cè)距技術(shù)結(jié)合，可以在高速掃描的同時(shí)，達(dá)到高精度和遠(yuǎn)距離的目標(biāo)，其測(cè)距精度為1 mm，測(cè)程350 m，掃描速度為976000 pts/秒，1個(gè)掃描測(cè)站只需要2至3分鐘即可完成。

激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理：針對(duì)外業(yè)獲取的激光點(diǎn)云存在數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)雜亂、噪聲點(diǎn)多等問題，因此要進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，包括多站點(diǎn)云拼接、點(diǎn)云去噪、著色等基本操作，技術(shù)流程如下：

3.2 ?傾斜影像數(shù)據(jù)獲取與處理

主要采集經(jīng)幢頂部及周圍的影像。擬用精靈4Pro進(jìn)行低空航飛采集數(shù)據(jù)，利用無(wú)人機(jī)管家智能航測(cè)助手進(jìn)行航線設(shè)計(jì)和任務(wù)執(zhí)行。設(shè)計(jì)獲取數(shù)據(jù)地面分辨率為2.5厘米，飛行參數(shù)中飛行高度設(shè)置為100米，航向重疊率設(shè)置為80%，旁向重疊率設(shè)置為80%，航線之間的距離為30米，采集過程如圖6。

數(shù)據(jù)處理：數(shù)據(jù)處理是傾斜攝影測(cè)量三維建模的核心步驟，數(shù)據(jù)精確程度影響著后續(xù)建模質(zhì)量的好壞，數(shù)據(jù)處理流程圖如圖7所示。

3.3 ?全景影像制作

全景影像數(shù)據(jù)采集主要使用高分辨率單反相機(jī)，在環(huán)境光相對(duì)均勻的陰天進(jìn)行拍攝。拍攝時(shí)采用自動(dòng)對(duì)焦模式進(jìn)行采集。建筑外光線明亮且均勻，可以直接進(jìn)行色彩采集。（1）拍攝連續(xù)性照片：由于拍攝全景圖無(wú)法一次將360度場(chǎng)景拍攝下來，應(yīng)依據(jù)事先設(shè)定的角度依次拍攝下來，并將重疊度設(shè)置為15%，記錄相機(jī)的拍照參數(shù);（2）影像縫合：使用影像處理軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)齊、變形和混合處理;（3）調(diào)整個(gè)別照片的效果：對(duì)拍攝質(zhì)量不好的照片進(jìn)行調(diào)整;（4）全景圖輸出：按照要求制作全景影像，供人瀏覽。

4 ?多源數(shù)據(jù)融合

在模型三維重建過程中，無(wú)人機(jī)傾斜影像和補(bǔ)拍的全景影像通ContextCapture進(jìn)行區(qū)域聯(lián)合平差、多視影像密集匹配等步驟生成三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，然后將地面三維激光點(diǎn)云導(dǎo)入進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，進(jìn)一步構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)TIN，再進(jìn)行紋理映射，最終生成高質(zhì)量三維模型，建模流程如圖8所示。

4.1 ?三維激光掃描數(shù)據(jù)與傾斜攝影技術(shù)的融合

由于本文三維激光掃描數(shù)據(jù)與空中傾斜攝影數(shù)據(jù)不是同一個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)，則先對(duì)空中傾斜攝影數(shù)據(jù)進(jìn)行空中三角測(cè)量，再將三維激光掃描數(shù)據(jù)直接構(gòu)建成模型，將空中傾斜攝影數(shù)據(jù)與三維激光掃描數(shù)據(jù)利用同名點(diǎn)拖到同一個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)中，繼而融合兩種數(shù)據(jù)，最后構(gòu)建出融合三維激光掃描數(shù)據(jù)和傾斜攝影數(shù)據(jù)的實(shí)景三維模型[21]。

4.2 ?傾斜攝影測(cè)量數(shù)據(jù)與全景影像數(shù)據(jù)的融合

由于本文采集的地面全景數(shù)據(jù)不具有地理坐標(biāo)，則將地面全景數(shù)據(jù)與傾斜攝影數(shù)據(jù)分別進(jìn)行空三加密，解算出每張像片拍攝時(shí)的位置及姿態(tài)信息，然后對(duì)空中傾斜攝影數(shù)據(jù)直接構(gòu)建模型，通過空中和地下的同名點(diǎn)，將地面近景數(shù)據(jù)與空中傾斜攝影數(shù)據(jù)固定在同一個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)中，再將兩種數(shù)據(jù)的空中三角測(cè)量結(jié)果融合，最后構(gòu)建出二者結(jié)合的實(shí)景三維模型[21]。

5 ?三維建模結(jié)果與精度分析

5.1 ?建模結(jié)果

根據(jù)建模流程，分別對(duì)三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)、傾斜攝影測(cè)量數(shù)據(jù)、全景影像數(shù)據(jù)以及三種數(shù)據(jù)融合分別進(jìn)行三維建模，得到單一數(shù)據(jù)源建模與多源數(shù)據(jù)融合建模效果對(duì)比圖，如下圖所示。

5.2 ?建模精度對(duì)比

（1）單一激光點(diǎn)云三維建模精度為0.000289 m。

（2）單一傾斜影像建模精度，如表1所示。

（3）多源數(shù)據(jù)融合建模精度，如表2所示。

由表可知，精度達(dá)到測(cè)圖要求。

（4）從建模外觀來看，有以下結(jié)論

①基于地面三維激光點(diǎn)云的三維建模比較精細(xì)，精度分布均勻，能夠保證建筑立面細(xì)部的完整性，可獲取整個(gè)立面的詳細(xì)點(diǎn)云信息，可以更精細(xì)地還原出細(xì)節(jié)部分的結(jié)構(gòu)，但是對(duì)建筑物進(jìn)行紋理映射時(shí)，需要大量人力。

②基于傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的三維建模，能夠獲取大量的地物立面的紋理信息和幾何信息，模型整體效果較好，無(wú)明顯漏洞，但在建筑物底部及遮擋區(qū)域出現(xiàn)了模型扭曲、粘連、紋理失真等問題。

③融合多源數(shù)據(jù)的三維模型建模較之以上兩者三維場(chǎng)景更加完整，幾何與紋理細(xì)節(jié)也更加豐富，能夠完全反映真實(shí)文物，進(jìn)行自動(dòng)化三維建模。

6 ?結(jié)論

通過實(shí)驗(yàn)證明了不同的數(shù)據(jù)源，建模效果各不相同。本文基于多源數(shù)據(jù)融合技術(shù)，結(jié)合地面三維激光掃描技術(shù)、傾斜攝影測(cè)量技術(shù)對(duì)古建筑進(jìn)行三維建模，通過各單一數(shù)據(jù)源建模以及多源數(shù)據(jù)融合的方式進(jìn)行建模比較分析，表明空-地多源數(shù)據(jù)的融合會(huì)互相取長(zhǎng)補(bǔ)短，發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)。將這些數(shù)據(jù)有效地融合可以提高模型的精度和可靠性、達(dá)到最好的效果，同時(shí)，也能減輕生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率，將會(huì)成為以后三維建模的主要方法。

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