一種三維實(shí)景建模技術(shù)的應(yīng)用研究

牛麗娟，李立功，朱仁義，張福榮

（1.陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 渭南 714099；2.自然資源部第一地理信息制圖院，陜西 西安 710054）

當(dāng)前信息技術(shù)的高速發(fā)展推動(dòng)著各行業(yè)技術(shù)以及管理水平的不斷提升。近年來(lái)，我國(guó)的大型建設(shè)項(xiàng)目越來(lái)越多，這些投資具有規(guī)模大、建設(shè)周期長(zhǎng)、參建單位多、項(xiàng)目管理要求高以及全生命周期智能化管理等特點(diǎn)，因此新技術(shù)新方法在各行業(yè)中的應(yīng)用已非常廣泛。例如，在三維渲染快速展示、快速算量精確提升、碰撞檢查減少返工等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)的BIM技術(shù)已廣泛應(yīng)用于各工程建設(shè)項(xiàng)目中，通過(guò)統(tǒng)一的平臺(tái)，將設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營(yíng)等諸多環(huán)節(jié)聯(lián)系到一起，以統(tǒng)一、標(biāo)準(zhǔn)、直觀的方式向不同的用戶進(jìn)行呈現(xiàn)，極大地解決了工程建設(shè)領(lǐng)域協(xié)調(diào)性差、整體性不強(qiáng)等問(wèn)題。

信息技術(shù)的高速發(fā)展不僅提升了各行業(yè)的技術(shù)與管理水平，還進(jìn)一步增強(qiáng)了標(biāo)準(zhǔn)化、精細(xì)化管理的需求。實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、精細(xì)化的管理，實(shí)時(shí)、快速、高效地獲取數(shù)據(jù)，進(jìn)行相應(yīng)效果的展示應(yīng)用，是各行業(yè)的必然要求。目前，三維實(shí)景建模技術(shù)在計(jì)算機(jī)圖形圖像研究、GIS等領(lǐng)域已成為研究熱點(diǎn)，在考古、交通、國(guó)土資源、建筑物復(fù)原、影視等行業(yè)都有著非常廣泛的應(yīng)用[1-3]。實(shí)景建模技術(shù)包括正向建模和逆向建模兩種，就建筑物和大場(chǎng)景模型創(chuàng)建的實(shí)時(shí)性和效率而言，逆向建模方法比正向建模方法更具優(yōu)勢(shì)。目前常用的實(shí)景建模軟件包括Smart3D、Geomagic Studio、PhotoScan等，綜合考慮界面設(shè)置、可擴(kuò)展性、與其他圖形圖像軟件互聯(lián)互通以及人為參與等方面，本文選取Agisoft PhotoScan作為實(shí)景建模軟件進(jìn)行三維實(shí)景模型創(chuàng)建的應(yīng)用分析。

1 模型創(chuàng)建

通過(guò)對(duì)各行業(yè)三維實(shí)景建模需求進(jìn)行對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，建筑施工階段對(duì)建筑物及其周圍場(chǎng)景（地面、地上及地下）三維實(shí)景建模的實(shí)時(shí)性、速度和效率要求較高，因此本文以建筑的三維實(shí)景模型為例，對(duì)三維實(shí)景建模的實(shí)時(shí)性、效率和應(yīng)用進(jìn)行分析，并研究了實(shí)景建模技術(shù)數(shù)據(jù)獲取與建模的效率。

目前，建筑施工領(lǐng)域的三維實(shí)景建模主要包括施工現(xiàn)場(chǎng)的三維展示、施工方案優(yōu)化、技術(shù)交底以及施工組織方案比選等4個(gè)方面。根據(jù)建筑施工現(xiàn)場(chǎng)的規(guī)律和特點(diǎn)，兼顧建筑施工三維模型的時(shí)效性需求，數(shù)據(jù)獲取宜采用大范圍、方便、快速、實(shí)時(shí)性高的采集方法，如利用無(wú)人機(jī)等進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，因?yàn)榇蟛糠质┕がF(xiàn)場(chǎng)具有植被覆蓋率較低、場(chǎng)地較空曠的特點(diǎn)。由于本文主要研究的是三維實(shí)景建模技術(shù)的數(shù)據(jù)采集方法和建模效率，因此研究數(shù)據(jù)采用已建房屋的無(wú)人機(jī)航測(cè)數(shù)據(jù)。三維實(shí)景模型應(yīng)用的研究思路如圖1所示。

圖1 三維實(shí)景模型應(yīng)用研究思路

對(duì)建模物體進(jìn)行連續(xù)性的數(shù)據(jù)采集后（主要是影像數(shù)據(jù)），即可導(dǎo)入到Agisoft PhotoScan軟件中進(jìn)行建模處理，獲得三維模型。該軟件基于數(shù)學(xué)方法，結(jié)合相機(jī)的基本原理，通過(guò)對(duì)觀測(cè)物體的幾十張甚至上百?gòu)堈掌M(jìn)行處理，將獲取的二維影像的像素打散；再根據(jù)相同的特征點(diǎn)進(jìn)行匹配、連接，以確定觀測(cè)物體像素點(diǎn)的三維空間位置；然后生成格網(wǎng)，進(jìn)而生成建模物體的點(diǎn)云數(shù)據(jù)；最后添加紋理材質(zhì)等信息，即可獲得真實(shí)建模物體的三維模型。利用Agisoft PhotoScan軟件進(jìn)行三維模型創(chuàng)建的過(guò)程可看作是利用相機(jī)拍攝照片的逆過(guò)程，即利用觀測(cè)物體的單幅圖像或圖像序列，根據(jù)觀測(cè)物體在這些圖像上所含有的二維信息（多幅圖像中物體的物理特征及其所對(duì)應(yīng)的幾何關(guān)系、不同圖像中的視差關(guān)系等）計(jì)算物體各個(gè)點(diǎn)的三維幾何信息，進(jìn)而反求出觀測(cè)物體的三維模型，是一種基于圖像的逆向三維重建方法[4-7]。

本文以研究對(duì)象的三維實(shí)景模型創(chuàng)建為例，利用無(wú)人機(jī)技術(shù)以圍繞被測(cè)物體旋轉(zhuǎn)一周拍攝影像的方式進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)影像數(shù)據(jù)采集，采集選擇在晴天可視情況良好的時(shí)間進(jìn)行，以便獲得更好的觀測(cè)數(shù)據(jù)，最大限度地減少外界觀測(cè)條件對(duì)分析結(jié)果的影響。由于相對(duì)航高越大，影像分辨率就越低，所創(chuàng)建的模型精度也越差，因此飛行高度設(shè)置為200 m[8]。同時(shí)，為了減小航拍產(chǎn)生的畸變以及周邊環(huán)境對(duì)模型創(chuàng)建的形狀和精度帶來(lái)的影響，分別選取建模對(duì)象上方45°和60°兩個(gè)角度分別進(jìn)行數(shù)據(jù)采集（圖2），各采集68張照片。按照不同組別分別進(jìn)行建模，并在兩個(gè)大組內(nèi)分別對(duì)不同的影像數(shù)據(jù)進(jìn)行組合、建模與分析。

圖2 影像數(shù)據(jù)采集示意圖

2 模型創(chuàng)建效果分析

三維實(shí)景建模技術(shù)具有高精度、高分辨率、高清晰度的特點(diǎn)，目前已廣泛應(yīng)用于土地調(diào)查、規(guī)劃設(shè)計(jì)、應(yīng)急測(cè)繪、建筑物復(fù)原、教學(xué)展示、智慧城市、古文物數(shù)字化等領(lǐng)域。三維實(shí)景建模技術(shù)在各行業(yè)的應(yīng)用（如獲取實(shí)景模型點(diǎn)坐標(biāo)、繪制數(shù)字線劃圖、制作數(shù)字高程模型、宣傳展示、區(qū)域規(guī)劃設(shè)計(jì)、距離與面積量算等）必須基于三維實(shí)景模型的成功創(chuàng)建。只有將三維實(shí)景模型創(chuàng)建的效率提升起來(lái)，才能更好地幫助設(shè)計(jì)人員、工程技術(shù)人員、管理使用人員提升工作效率，對(duì)模型的應(yīng)用進(jìn)行更廣泛的拓展。

由于建筑施工階段對(duì)建筑物及其周圍場(chǎng)景（地面、地上和地下）三維實(shí)景建模的實(shí)時(shí)性、速度和效率要求較高，且三維實(shí)景建模最顯著的特點(diǎn)之一就是實(shí)時(shí)性，為了方便研究分析，本文以建成的建筑物地面三維實(shí)景模型為例（圖3），對(duì)三維實(shí)景建模的實(shí)時(shí)性、效率和應(yīng)用進(jìn)行分析，進(jìn)而對(duì)實(shí)景建模技術(shù)數(shù)據(jù)獲取與建模效率進(jìn)行研究，以此來(lái)探索一種能快速利用采集數(shù)據(jù)對(duì)觀測(cè)物體進(jìn)行三維實(shí)景建模，且能最大程度地保證模型精度和質(zhì)量的方法，為三維實(shí)景建模技術(shù)的效率提升提供參考。

圖3 建筑物地面三維實(shí)景模型

本文利用無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，共采集136張影像數(shù)據(jù)；將采集數(shù)據(jù)按照攝制高度角角度分為兩組，每組包含68張影像數(shù)據(jù)；在各組內(nèi)部又根據(jù)相鄰影像夾角設(shè)置不同的小組，并對(duì)各組影像數(shù)據(jù)進(jìn)行選取。具體數(shù)據(jù)分組方法如表1所示。

表1 影像數(shù)據(jù)分組表

首先將表1中的影像數(shù)據(jù)導(dǎo)入Agisoft PhotoScan軟件進(jìn)行建筑物的實(shí)景模型創(chuàng)建；再進(jìn)行組內(nèi)建模效率與模型質(zhì)量的對(duì)比分析，并對(duì)三維實(shí)景建模所需影像數(shù)據(jù)的相鄰影像夾角以及影像數(shù)量與模型效果進(jìn)行分析；然后對(duì)組間相同相鄰影像夾角的數(shù)據(jù)建模效果進(jìn)行分析，獲取攝制高度角對(duì)實(shí)景建模效果的影響情況。各組建模效率和模型質(zhì)量對(duì)比參數(shù)如表2所示。

表2 影像數(shù)據(jù)分組處理參數(shù)對(duì)比表

根據(jù)分組情況，本文利用Agisoft PhotoScan軟件分別對(duì)各組進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并創(chuàng)建模型。針對(duì)組內(nèi)建模效果，本文選取1-1、1-2、1-3三個(gè)小組的影像數(shù)據(jù)進(jìn)行建模效果對(duì)比，如圖4所示；由于傾斜攝影測(cè)量攝制角度對(duì)模型的影響需在同影像間隔的組間進(jìn)行對(duì)比分析，因此選取1-1和2-1兩個(gè)小組進(jìn)行組間建模效果對(duì)比，如圖5所示。

通過(guò)對(duì)比圖4、5，結(jié)合表2可以發(fā)現(xiàn)：利用Agisoft PhotoScan軟件進(jìn)行實(shí)景模型創(chuàng)建時(shí)，①三維模型效果的好壞以及精細(xì)程度與點(diǎn)數(shù)、面數(shù)有很大關(guān)系，這是由于軟件需將二維影像數(shù)據(jù)提取為被測(cè)物體的特征點(diǎn)，并根據(jù)特征點(diǎn)形成被測(cè)物體的特征面，再生成被測(cè)物體的三維模型，因此點(diǎn)數(shù)和面數(shù)越多，建成的三維模型就越精細(xì)；②三維模型效果的好壞與紋理關(guān)系不大，這是由于本次建筑物的影像皆由同型號(hào)、同精度的相機(jī)獲取，單張影像精細(xì)程度相當(dāng)，導(dǎo)致紋理效果對(duì)模型的影響差別不大；③研究選取的傾斜攝影測(cè)量的攝制角度對(duì)三維模型效果和精細(xì)程度影響不大，這與軟件根據(jù)二維影像數(shù)據(jù)提取被測(cè)物體的特征點(diǎn)，再根據(jù)被測(cè)物體特征點(diǎn)的空間位置進(jìn)行三維模型創(chuàng)建的建模原理有關(guān)；④參與處理的影像數(shù)據(jù)越多，軟件提取相應(yīng)的特征點(diǎn)數(shù)量、匹配時(shí)間、校準(zhǔn)時(shí)間以及重建模型所需的時(shí)間就越多。由表2可以看出，軟件提取的特征點(diǎn)和面與影像數(shù)據(jù)并不成正相關(guān)關(guān)系，即當(dāng)被測(cè)物體的影像數(shù)據(jù)低于一定數(shù)量時(shí)，軟件無(wú)法根據(jù)影像數(shù)據(jù)提取觀測(cè)物體的特征點(diǎn)和面，因而無(wú)法完成模型的創(chuàng)建；但當(dāng)達(dá)到一定數(shù)量時(shí)，軟件根據(jù)被測(cè)物體的二維影像提取的特征點(diǎn)和面的數(shù)量是不會(huì)增加的，由此創(chuàng)建的被測(cè)物體三維模型的效果和精細(xì)程度也不會(huì)再有更大的提升。因此，考慮到計(jì)算機(jī)性能，模型處理所需的匹配、校準(zhǔn)和重建的時(shí)間，在利用Agisoft PhotoScan軟件進(jìn)行實(shí)景建模數(shù)據(jù)處理時(shí)，無(wú)需將所有的影像數(shù)據(jù)都導(dǎo)入軟件進(jìn)行處理，只需選取合適的影像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理即可。

圖4 組內(nèi)建模效果對(duì)比

圖5 組間建模效果對(duì)比

3 結(jié) 語(yǔ)

結(jié)合建筑施工模型創(chuàng)建的過(guò)程，本文利用無(wú)人機(jī)技術(shù)對(duì)建筑物進(jìn)行了建模數(shù)據(jù)采集，再根據(jù)數(shù)據(jù)采集情況對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分組，然后分別對(duì)分組后的數(shù)據(jù)創(chuàng)建三維實(shí)景模型，最后通過(guò)對(duì)分組數(shù)據(jù)創(chuàng)建的模型進(jìn)行對(duì)比，分析了三維實(shí)景模型創(chuàng)建的效果和效率。雖然傾斜攝影測(cè)量技術(shù)還不是非常成熟，但是相對(duì)于其他航測(cè)遙感技術(shù)和傳統(tǒng)的測(cè)量技術(shù)而言，其在實(shí)時(shí)性、高效性、性價(jià)比等方面具有非常明顯的優(yōu)勢(shì)。

今后還應(yīng)在以下3個(gè)方面進(jìn)行深入研究：①在模型案例的選取方面，僅考慮到實(shí)時(shí)性和效率需求，研究對(duì)象比較單一，缺乏不同對(duì)象之間建模的對(duì)比性，后期還應(yīng)針對(duì)不同行業(yè)的應(yīng)用選取不同類型的對(duì)象進(jìn)行對(duì)比研究，如古文物、城市規(guī)劃等，以獲得更可靠的技術(shù)方法；②利用無(wú)人機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，照片像素的高低對(duì)模型精細(xì)程度的影響如何量化以及其中的規(guī)律；③對(duì)于不同的建模對(duì)象，要達(dá)到所需的模型精度要求，需要采集的影像數(shù)據(jù)如何量化，以及影像數(shù)據(jù)的選取原則、標(biāo)準(zhǔn)等。