基于SuperMap iDesktop的高精度三維場(chǎng)景重建方法

施銀迪 王君杰 孫 健

(山東科技大學(xué) 測(cè)繪科學(xué)與工程學(xué)院, 山東 青島 266590)

0 引言

隨著社會(huì)的發(fā)展,科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步,測(cè)繪作為各項(xiàng)工程建設(shè)和城市建設(shè)的基礎(chǔ),為社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展提供了重要的基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)[1]。但隨著“智慧城市[2]”和“數(shù)字化城市”的提出和發(fā)展,二維數(shù)據(jù)已無法滿足時(shí)代發(fā)展的需求。三維數(shù)據(jù)由于其直觀性和立體性,已成為數(shù)字城市建設(shè)的重要基礎(chǔ)[3]。目前三維數(shù)據(jù)的獲取方式主要有低空傾斜攝影測(cè)量、三維激光掃描技術(shù)和地面近景攝影測(cè)量技術(shù)等[4]。其低空傾斜攝影測(cè)量技術(shù)由于其經(jīng)濟(jì)效益高、便捷、信息采集時(shí)間短,并且能夠通過傳感器獲取地物的多角度紋理信息,應(yīng)用范圍較廣。但在精細(xì)三維建模方面仍然存在一些不足。比如被攝物體處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài),在建模時(shí)會(huì)出現(xiàn)出現(xiàn)漏空、拉長(zhǎng)、消失等一系列現(xiàn)象。微小地物在自動(dòng)化構(gòu)建模型時(shí),由于傳感器距離地物距離較高,導(dǎo)致模型扭曲甚至消失等?？v橫交錯(cuò)的地物在自動(dòng)化建模后出現(xiàn)斷裂、扭成一團(tuán)的現(xiàn)象。

基于此,本文提出一種基于SuperMap iDesktop的攝影測(cè)量與多元數(shù)據(jù)融合的高精度三維場(chǎng)景研究方法。通過分析分類三維場(chǎng)景中的不規(guī)則模型,根據(jù)模型類別提出合適的三維建模方法,選擇合適的建模方式,最終完成大場(chǎng)景三維模型的精細(xì)建模。

1 三維模型的成模過程

傾斜攝影測(cè)量三維建模主要包括前期的數(shù)據(jù)采集和后期數(shù)據(jù)處理兩個(gè)過程,其中前期數(shù)據(jù)采集包括參數(shù)設(shè)置、航帶規(guī)劃、數(shù)據(jù)導(dǎo)出,后期數(shù)據(jù)處理主要包括空中三角測(cè)量、自動(dòng)紋理映射等步驟,最終生成三維模型。空中三角測(cè)量包括影像聯(lián)合平差和影像匹配等[5]。紋理映射又稱紋理貼圖,是對(duì)映射關(guān)系計(jì)算、紋理提取、影像均光、遮擋處理等方法結(jié)合的結(jié)果展示,很大程度上提高三維視覺效果[6]。具體流程如圖1所示。

圖1 傾斜攝影測(cè)量構(gòu)建三維模型的流程圖

傳統(tǒng)三維大場(chǎng)景中對(duì)于柱狀、曲面模型通常采用三維動(dòng)畫渲染制作軟件(3D Studio Max, 3DMAX)建模,但由于3DMAX建模存在紋理失真、且匹配性不高,制作過程中耗時(shí)耗力?；诖?本文采用低空傾斜攝影三維建模技術(shù)構(gòu)建大場(chǎng)景,影像數(shù)據(jù)不僅能夠真實(shí)地反映地物情況,而且可通過先進(jìn)的定位技術(shù),嵌入地理信息、影像信息,獲得更高的用戶體驗(yàn)[7]。

本次以青島某地區(qū)油罐區(qū)域?yàn)槔?測(cè)區(qū)航攝面積為15 km2。無人機(jī)飛行參數(shù)如表1所示(無人機(jī)及其軟件設(shè)備為自己拼裝)。但由于在測(cè)量油罐頂蓋處于上下浮動(dòng)狀態(tài),為減少內(nèi)業(yè)處理問題與時(shí)間,航飛時(shí)調(diào)整飛行時(shí)間段,選擇天氣晴朗、風(fēng)力較小的時(shí)間段完成。

表1 無人機(jī)飛行參數(shù)表

實(shí)驗(yàn)中前期大場(chǎng)景三維模型的建立應(yīng)用Smart3D軟件進(jìn)行,該軟件功能強(qiáng)大,能夠多節(jié)點(diǎn)并行運(yùn)算以提高建模運(yùn)算效率,建模效果顯著[8]。Smart3D可以集群處理空三與建模,通過將同一個(gè)區(qū)域進(jìn)行切割處理,分成多個(gè)瓦塊,能夠節(jié)約內(nèi)業(yè)處理時(shí)間。通過生成三維密集點(diǎn)云,構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)(Triangulated Irregular Network，TIN),根據(jù)TIN的最佳位置信息把對(duì)三角網(wǎng)模型進(jìn)行紋理映射,最終完成三維建模的任務(wù)[9]。

2 基于傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的柱狀模型三維重建方法

該區(qū)域范圍在三維建模后,規(guī)則的長(zhǎng)方體模型狀態(tài)良好,但是柱狀和曲面模型效果較差難以達(dá)到預(yù)期效果。對(duì)于油罐的漏洞如圖2所示,主要是由于油罐頂蓋處于移動(dòng)狀態(tài),在外業(yè)測(cè)量時(shí)難以捕捉到狀態(tài)相同位置信息。對(duì)于管道的扭曲變形主要是由于其線路錯(cuò)綜復(fù)雜,Smart3D在自動(dòng)建模時(shí)出現(xiàn)油管錯(cuò)位、扭曲現(xiàn)象。對(duì)于微小地物如消防栓等變形如圖3所示是由于其體積較小,無人機(jī)在空中測(cè)量難以捕捉到其具體信息,因此導(dǎo)致建模時(shí)所需信息不夠完全,無法完全實(shí)現(xiàn)地物的三維成模。

圖2 油罐漏洞

圖3 消防栓變形圖

雖然出現(xiàn)問題的模型都是屬于柱狀模型,但是由于其出現(xiàn)的原因不同,本文針對(duì)不同問題的模型采用不同的三維處理方法,最終融入于三維大場(chǎng)景中,完成三維重建。具體流程圖如圖4所示。

圖4 多元數(shù)據(jù)油庫(kù)精細(xì)三維模型重建方法流程圖

2.1 油罐重建方法

油罐作為油庫(kù)區(qū)域的主要構(gòu)成部分,是本文重點(diǎn)修復(fù)的三維模型?？紤]到油罐結(jié)構(gòu)的復(fù)雜多樣性和模型精確性要求較高的特點(diǎn),對(duì)于三維場(chǎng)景中的油罐漏洞和扭曲現(xiàn)象,將采用3DMAX軟件生成精細(xì)三維模型,也為后期的數(shù)據(jù)開發(fā)提供了基礎(chǔ)。

3DMAX能夠完成結(jié)構(gòu)復(fù)雜的三維建模任務(wù),構(gòu)建出的模型紋理清晰、具有真實(shí)感,對(duì)于本次實(shí)驗(yàn)區(qū)域中的油罐模型也同樣適用[10]。本文對(duì)油罐的精細(xì)建模處理過程如下:首先,使用靜態(tài)或已設(shè)置動(dòng)畫的二維對(duì)象創(chuàng)建貼花和基于文本的圖形;然后,通過刪除烘焙步驟,元素可以保持交互并鏈接到原始對(duì)象，即可使用對(duì)象作為遮罩來創(chuàng)建自定義貼花和圖形,解決三維白膜的紋理貼圖問題;最終完成單個(gè)油罐三維模型重建。

使用3DMAX對(duì)于復(fù)雜的三維模型建模,能夠極大的保存模型細(xì)節(jié),紋理真實(shí),對(duì)于后期的模型二次利用,不會(huì)造成信息損失。但是此方法也存在一些缺點(diǎn),若實(shí)驗(yàn)區(qū)域模型形態(tài)各異,則會(huì)耗費(fèi)大量時(shí)間,且增加建模難度。因此,由于本次實(shí)驗(yàn)區(qū)域所使用油罐為同一型號(hào),所以只需要建立一個(gè)模型,即可對(duì)油罐模型進(jìn)行精細(xì)建模。

2.2 管點(diǎn)、管線重建的方法

實(shí)驗(yàn)區(qū)域管線與閥門交錯(cuò)分布,管線線路不同,高低相間,導(dǎo)致管線有位置重疊但高度不一致的情況,在利用Smart3D作圖時(shí)會(huì)導(dǎo)致管道和閥門的折斷、扭曲等現(xiàn)象。對(duì)于復(fù)雜的管道三維重建采用一般的方法難以適用,因此,在本文中利用iDesktop平臺(tái),將三維模型添加到大場(chǎng)景中從而實(shí)現(xiàn)管道的單體化建模,并對(duì)其進(jìn)行信息標(biāo)注。

本次實(shí)驗(yàn)為了實(shí)現(xiàn)管線的三維模型重建,采用了內(nèi)業(yè)和外業(yè)結(jié)合的方式。外業(yè)采集管線的頂點(diǎn)、拐點(diǎn)和標(biāo)志性地物。再通過內(nèi)業(yè)處理實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)融合,最終實(shí)現(xiàn)管道的單體化和三維模型重建。具體流程如圖5所示。

圖5 管道三維重建流程圖

3 傾斜攝影技術(shù)與多元數(shù)據(jù)的融合

為了解決由于不同原因造成的三維模型問題,本文主要采用了兩種方法。這兩種方法相互獨(dú)立,需要借助iDesktop平臺(tái)將多元數(shù)據(jù)融合到同一個(gè)場(chǎng)景中。通過“紋理壓平”功能,將三維場(chǎng)景中原有的扭曲變形的油罐、管線等模型壓平,接著在將油罐三維模型以數(shù)據(jù)集的方式導(dǎo)入場(chǎng)景,最終完成油罐三維模型數(shù)據(jù)的融合。最后,在iDesktop中將管線以數(shù)據(jù)集的形式融入于場(chǎng)景中,完成多元數(shù)據(jù)融于傾斜攝影測(cè)量三維場(chǎng)景的重建。多元數(shù)據(jù)融合效果如圖6所示。

圖6 融合之后的效果圖

4 結(jié)束語

本文提出一種基于SuperMap iDesktop的攝影測(cè)量與多元數(shù)據(jù)融合的方法,不同于常規(guī)的模型修復(fù)方法,先把出現(xiàn)問題的模型形成原因具體分類,在根據(jù)模型的形狀特性選擇合適的解決方法。該方法有效地解決了模型的扭曲、變形和紋理失真等問題,在保留原有模型的真實(shí)性的前提下,提高了模型的精度,能夠更好地應(yīng)用到實(shí)際中,為實(shí)現(xiàn)“智慧城市”和“數(shù)字化城市”提供了三維基礎(chǔ)。