試論三維航測及建模技術(shù)

李 凡 廖基強

（經(jīng)通空間技術(shù)（河源）有限公司，廣東河源 517000）

在現(xiàn)代化社會中，三維建模在數(shù)字化城市規(guī)劃發(fā)展中具有無限潛力，促使該技術(shù)逐漸成為學(xué)術(shù)界高度關(guān)注的重要話題，通過模擬三維構(gòu)筑物形象，強化大眾的視覺體驗。此次研究對以航測法為基礎(chǔ)的三維建模技術(shù)進行研究，通過此次研究提升三維建模的工作效率。

1 航測法建模流程

三維建模前需要做好事前準(zhǔn)備工作，明確建模的具體內(nèi)容、收集充足的建模數(shù)據(jù)、整理建模需要的各種軟件等相關(guān)事。大批量構(gòu)建各種影像資料，借助影像模型矢量測圖，在此基礎(chǔ)上提出三維模型，對模型進行完善優(yōu)化，提交模型。

（1）根據(jù)待測建筑工程所在的區(qū)域，獲取航測區(qū)域，根據(jù)航洲區(qū)域生成折線形飛行航線，設(shè)置航飛參數(shù)，獲得每條航線的絕對航高。

（2）利用無人機航測獲取航測數(shù)據(jù)，通過空中三角解析法進行圖像解析，將系列二維航拍圖像轉(zhuǎn)換為所述待測建筑工程的三維密集點云，處理數(shù)據(jù)，獲得所述待利建筑工程的數(shù)字線劃地圖和數(shù)字表面模型，得到實景三維模型。

（3）剔除實景三維模型上的干擾物，利用模型消除干擾物后遺留的孔隙周圍的高程擬合曲面，利用所述曲面填充孔隙，基于修復(fù)后的實景三維模型生成真實地表點云。

（4）基于所述實景三維模型及真實地表點云進行所述待測建筑工程實景巡查，得到所述待測建筑工程的相關(guān)施工執(zhí)行數(shù)據(jù)。

（5）基于所述待測建筑工程的三維規(guī)劃設(shè)計和施工執(zhí)行數(shù)據(jù)的比對，研究井下達施工調(diào)度指令，對調(diào)度指令執(zhí)行效果進行檢查和糾偏。

三維航測技術(shù)的主要目的是提高強化建模效率，降低建模成本。

2 三維航測建模技術(shù)

2.1 前期準(zhǔn)備

（1）準(zhǔn)備充足的建模數(shù)據(jù)。

①原始影像：無人機航拍建設(shè)區(qū)域獲取各種影像資料。

②控制資料：涉及構(gòu)建物的建筑標(biāo)高以及水平位置的影像資料。

③相機參數(shù)：對照相機的各項參數(shù)進行檢測。

④其他資料：航拍略圖能夠有效判斷影像資料是否需要進行旋轉(zhuǎn)處理。

（2）建模軟件準(zhǔn)備工作。

建模軟件準(zhǔn)備工作包括矢量測量工具、攝像檢測工具、構(gòu)筑物三維建模工具、模型編輯工具、模型紋理處理工具、模型操作工具。

2.2 三維建模方法

（1）結(jié)合工程項目的實際作業(yè)場所，明確航拍的具體范圍，清晰指出航拍的路線，合理設(shè)置航拍的相關(guān)參數(shù)，獲取無人機航拍的標(biāo)高。

（2）記錄無人機獲取各種數(shù)據(jù)信息，借助三角解析法構(gòu)建項目的三維密集點云，對航拍數(shù)據(jù)進行相應(yīng)處理，獲取實體化的三維模型。

（3）將實體三維模型中的各種雜物、干擾物全部消除，借助模型中遺留的各種空隙構(gòu)建曲面，使用構(gòu)建的曲面填充模型匯總的空隙。

（4）結(jié)合三維模型與密集點云，對建設(shè)工程的實際情況進行核查，獲取施工的各種數(shù)據(jù)。

（5）對施工數(shù)據(jù)進行對比分析，檢查施工的實際效果，對偏差進行糾正。

（6）獲得無人機在航拍范圍內(nèi)的相位控制點與檢測點，相位控制點應(yīng)在整個測量區(qū)域內(nèi)均勻分布，保證控制點的分布與檢測區(qū)域的邊緣保持合適的距離。檢測點應(yīng)在測量區(qū)域內(nèi)均勻分布，針對關(guān)鍵性檢測區(qū)域必須設(shè)置檢測點。

（7）三維建模應(yīng)以實際場景作為參考進行建模，在建模的過程中利用目視方式辨別模型中可能產(chǎn)生干擾的干擾物，將模型中的干擾物全部刪除。干擾物刪除后模型會存在一部分空隙，應(yīng)利用控制附近的高程模擬一個曲面，使用模擬的曲面完成對空隙的填充，構(gòu)建一個嶄新的三角網(wǎng)，模型具備一個新的結(jié)構(gòu)。

（8）將上一個環(huán)節(jié)中構(gòu)建的新機構(gòu)三維模型作為依據(jù)進行裝飾模型的紋理映射，能夠獲取一個經(jīng)過修復(fù)的實體三維模型。

（9）結(jié)合修復(fù)后的三維模型，建立能夠有效計量數(shù)據(jù)信息的密集點云數(shù)據(jù)。在航拍范圍內(nèi)最少舉行五次不同航線的飛行，必須保證至少一次路線以垂直角度進行拍攝。

（10）借助前期無人機航拍獲取的各種數(shù)據(jù)信息，如正射影像、高程數(shù)據(jù)、pos數(shù)據(jù)、坐標(biāo)系數(shù)據(jù)等，處理三角網(wǎng)測量工作，生成一種未出現(xiàn)變形的圖像，該圖像能夠有效為后期的控制點提供便利。對前期所分布的控制點進行匹配，完成空中三角網(wǎng)解析，獲取具有較高精準(zhǔn)度的密集點云。

（11）獲取工程項目的密集點云數(shù)據(jù)后，應(yīng)利用數(shù)據(jù)庫對項目的等高線自動進行處理，對檢測區(qū)域內(nèi)部分位置的截面進行繪圖并補充，獲取數(shù)字化地圖。

（12）在獲取工程項目的密集點云數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建需要檢測的數(shù)字模型，對模型的局部進行優(yōu)化，構(gòu)建一個完善的實體化三維模型，結(jié)合獲取的數(shù)字化信息對三維模型進行規(guī)劃與設(shè)計。

3 三維建模應(yīng)用及分析

此次研究主要以校園內(nèi)的建筑物為研究對象，在實際分析過程中，主要對三種建模技術(shù)進行研究。

3.1 基于AutoCAD的人機交互式建模

針對幾何形狀、物體外觀形狀比較規(guī)則的建筑物，一般使用全站儀對建筑物的構(gòu)件特征進行測量。此次針對建筑物的數(shù)據(jù)收集活動，使用“四位編碼法”對建筑物的特征進行編碼，結(jié)合建筑物的構(gòu)件類型合理進行存儲。

在實際繪圖的過程中，應(yīng)結(jié)合編碼的特點以及繪圖的順序，在繪圖軟件中完成建筑物自動展點與線路生成。以同濟大學(xué)某學(xué)生住宿樓為研究對象，在繪圖軟件中完成連線，獲取線框圖中的多個特征點信息，特點信息都處于圖像的豎直面中。三維繪圖過程不是簡單的點位測量或點位連接，應(yīng)結(jié)合實際檢測點情況對建筑物的變形、施工、標(biāo)高進行分析，采用多元化的方法來對線框圖進行合理處理，構(gòu)建一個完善的三維模型。

3.2 基于掃描點云的建模

（1）獲得點云數(shù)據(jù)。

實際試驗的過程中，使用LeicaC10完成對學(xué)生住宿樓的測量工作，能夠有效檢測建筑物的外觀輪廓，實際檢測時總計設(shè)置16站。

（2）對點云數(shù)據(jù)進行處理。

為了保證后期獲取較精準(zhǔn)的點云數(shù)據(jù)，需要對初始化的點云數(shù)據(jù)進行處理，例如拼接、消除噪聲、采集等。點云數(shù)據(jù)的處理較簡單，直接通過幾何算法即可實現(xiàn)，還可以借助掃描儀等輔助性工具完成。點云數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)非常重要，會直接對后期的數(shù)據(jù)質(zhì)量造成決定性影響。

（3）點云數(shù)據(jù)建模。

①獲取建筑物的邊界信息，將建筑物的特征作為三維模型的約束條件。

②直接對點云數(shù)據(jù)進行網(wǎng)格化處理，生成一種拓?fù)潢P(guān)聯(lián)，對模型的表層進行優(yōu)化。此次試驗通過點云數(shù)據(jù)分割處理、曲面擬合的方式完成三維建模的目標(biāo)。

③對大批量的點云數(shù)據(jù)進行分割處理，分割數(shù)據(jù)的目的是為下一步精細(xì)化處理奠定基礎(chǔ)；借助先進的工具提取點云數(shù)據(jù)的特征，并作為擬合模型的約束條件，構(gòu)建一個三角網(wǎng)格；結(jié)合模型特征連接相鄰模型，對拼接后公共部分的三角網(wǎng)格進行優(yōu)化。

3.3 基于近景攝影測量的建模

（1）影像采集。

以多站點環(huán)繞拍攝的方式對建筑物進行拍攝，共計設(shè)置8個拍攝點。全站儀獲取坐標(biāo)數(shù)碼相機并獲取圖片→將圖像導(dǎo)入處理軟件→圖像裁剪→結(jié)合特征點對圖像進行糾正→對糾正后的圖像進行矢量化→獲得古建筑的立面圖。

（2）坐標(biāo)解算。

將已經(jīng)加入像素點坐標(biāo)的直線性坐標(biāo)點作為圖片中隨意一點的坐標(biāo)，其中共存在11個變換參數(shù)。

（3）繪制實體。

在圖像中提取具有一定密度特征的坐標(biāo)點，結(jié)算該坐標(biāo)點的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，在三維模型中投影具體位置，修補模型中的遺漏點，利用建模軟件構(gòu)建一個實體三維模型[1]。

3.4 三維建模方法效果分析

三維激光掃描技術(shù)較適合使用在建筑物外形不規(guī)則的場景中。三維激光掃描技術(shù)相對于傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集方式，其自身的優(yōu)勢更突出，能夠有效強化數(shù)據(jù)采集的精準(zhǔn)性與采集效率，獲取點云數(shù)據(jù)信息的規(guī)模量得到大幅度提升，點云數(shù)據(jù)的內(nèi)容更豐富，涉及顏色、強度以及空間方面的信息。利用幾何算法能夠快速處理建筑物的點云數(shù)據(jù)，構(gòu)建三維模型。相較于其他方法，三維激光掃描方法自動化程度更高，數(shù)字建模的精準(zhǔn)度較高，附帶更多的細(xì)節(jié)信息，但在激光掃描的過程中易出現(xiàn)漏洞。

4 結(jié)語

綜上所述，在實際構(gòu)建三維模型時，建模的方法與建模技術(shù)的選擇至關(guān)重要，建模方法與技術(shù)的選擇應(yīng)結(jié)合建筑物的實際情況確定。結(jié)合實際情況，不應(yīng)局限于某一個建模方法或技術(shù)，應(yīng)結(jié)合工程項目自身的實際情況進行選擇。通常情況下，針對緊急拍攝、結(jié)構(gòu)簡單、建筑物外形規(guī)則的對象進行建模時，可以考慮使用激光掃描方式進行建模。若在實際建模時面臨不規(guī)則的建筑物時，應(yīng)選擇不同的數(shù)據(jù)收集技術(shù)或其他合理的建模工具。