高精度智慧城市實(shí)景三維模型構(gòu)建的關(guān)鍵技術(shù)

李國(guó)斌 LI Guo-bin；李佳維 LI Jia-wei

（遼寧建筑職業(yè)學(xué)院，遼陽(yáng) 111000）

0 引言

智慧城市的建設(shè)是當(dāng)前城市建設(shè)的主要發(fā)展趨勢(shì)，本質(zhì)為通過(guò)一系列的信息化技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)城市的智能化管理與服務(wù)，提高城市的運(yùn)行效率，提升城市居民的生活質(zhì)量[1]。而實(shí)景三維模型，作為一種新型的城市空間數(shù)據(jù)模型，能夠直觀地展現(xiàn)城市的地理形態(tài)、建筑風(fēng)貌、基礎(chǔ)設(shè)施等要素，為城市規(guī)劃、管理、運(yùn)營(yíng)提供有力的支持[2]。因此，構(gòu)建高精度智慧城市實(shí)景三維模型是智慧城市建設(shè)的重要基礎(chǔ)。目前，實(shí)景三維模型的發(fā)展已經(jīng)進(jìn)入到了一個(gè)新的階段。隨著航空攝影、激光雷達(dá)、傾斜攝影等新興技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)景三維模型的精度和范圍得到了大幅提升[3]。高精度智慧城市實(shí)景三維模型的構(gòu)建涉及多個(gè)關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域，包括航空攝影技術(shù)、傾斜攝影技術(shù)、數(shù)據(jù)處理與管理技術(shù)等[4]，本研究以具體工程項(xiàng)目為例，分析了高精度智慧城市實(shí)景三維模型構(gòu)建的關(guān)鍵技術(shù)。

1 工程項(xiàng)目及技術(shù)路線

2021 年，智慧城市發(fā)展下，為更好地采集沈陽(yáng)市某地實(shí)地現(xiàn)場(chǎng)，獲取該地區(qū)空間規(guī)劃必需的規(guī)劃元素，需要對(duì)其構(gòu)建實(shí)景三維模型，項(xiàng)目總區(qū)域?yàn)?6 平方公里，目標(biāo)區(qū)域地勢(shì)較為平坦，但內(nèi)部高層建筑數(shù)量較多。

高精度智慧城市實(shí)景三維模型構(gòu)建的基本原理為利用獲取的數(shù)據(jù)生成點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過(guò)點(diǎn)云數(shù)據(jù)構(gòu)建TIN 三角網(wǎng)，最終對(duì)其貼膜處理[5]。數(shù)據(jù)獲取方式包括傾斜攝影技術(shù)與地面激光雷達(dá)技術(shù)，即通過(guò)無(wú)人機(jī)影像生成的稀疏點(diǎn)云與激光雷達(dá)點(diǎn)云相融合，最終生成高精度智慧城市實(shí)景三維模型，具體技術(shù)路線見(jiàn)圖1。

圖1 技術(shù)路線

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)采集

航線設(shè)計(jì)是無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)采集的重要環(huán)節(jié)，其主要目標(biāo)是確保無(wú)人機(jī)在飛行過(guò)程中能夠高效地覆蓋目標(biāo)區(qū)域并獲取所需的數(shù)據(jù)。在飛行高度設(shè)計(jì)上，一般而言，飛行高度越低，地面分辨率越高，但需要根據(jù)城市規(guī)模、地形和無(wú)人機(jī)的性能，確定合適的飛行高度。綜合考慮下，采用下述公式進(jìn)行飛行高度h 計(jì)算：

式中，f 為鏡頭主距，本工程采用大疆M300 多旋翼無(wú)人機(jī)，搭載睿博5 鏡頭傾斜相機(jī)，相機(jī)焦距正射22mm，傾斜55mm；a 為像元尺寸，3.9μm；GSD 為地面分辨率，本工程按照最小焦距，根據(jù)工程要求，地面分辨率應(yīng)超過(guò)5cm，經(jīng)計(jì)算，當(dāng)相機(jī)正射地面時(shí)，求得h 為≤282m。在實(shí)際作業(yè)中，需要根據(jù)實(shí)際建筑分布合理進(jìn)行航線高度調(diào)整，并選擇合適的飛行速度，以保證無(wú)人機(jī)能夠穩(wěn)定飛行并獲取高質(zhì)量的圖像。

航線布設(shè)是指將設(shè)計(jì)的航線轉(zhuǎn)化為實(shí)際的飛行路徑。在這個(gè)過(guò)程中，需要將無(wú)人機(jī)與相應(yīng)的導(dǎo)航系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和傳感器進(jìn)行集成，以確保無(wú)人機(jī)能夠按照設(shè)計(jì)的航線進(jìn)行飛行。為了實(shí)現(xiàn)精確的航線布設(shè)，需要使用全球定位系統(tǒng)（GPS）和慣性測(cè)量單元（IMU）等設(shè)備來(lái)對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行精確的定位和導(dǎo)航。同時(shí)，還需要在無(wú)人機(jī)上安裝高精度的傳感器，如激光雷達(dá)（LiDAR）和高清攝像頭等，以獲取高質(zhì)量的地理信息和圖像數(shù)據(jù)。根據(jù)工程要求，航向與旁向重疊度分別設(shè)定為80%和70%，像片傾角控制在7°內(nèi)，當(dāng)不受風(fēng)向干擾時(shí)基本在5°內(nèi)，像片旋角控制在15°內(nèi)，二者不會(huì)出現(xiàn)同時(shí)處于最大角度的情況。根據(jù)飛行高度，采用45°傾角進(jìn)行計(jì)算，按照1:1 的比例對(duì)航區(qū)外擴(kuò)范圍進(jìn)行外擴(kuò)。無(wú)人機(jī)采取等距間隔拍照模式，間隔時(shí)間為0.6s，同時(shí)，補(bǔ)充手動(dòng)拍攝模式，相機(jī)朝向與主航線保持平行，具體見(jiàn)圖2。

圖2 無(wú)人機(jī)拍攝模式

像控點(diǎn)布設(shè)過(guò)程中，需要在無(wú)人機(jī)上安裝高精度的GPS 和IMU設(shè)備，以確保拍攝的圖像能夠精確定位并映射到地理坐標(biāo)系中。為了實(shí)現(xiàn)精確的像控點(diǎn)布設(shè)，還需要在目標(biāo)區(qū)域中選擇一些特定的點(diǎn)作為像控點(diǎn)。這些點(diǎn)需要在整個(gè)區(qū)域范圍內(nèi)分布均勻，并且容易識(shí)別。像控點(diǎn)通常會(huì)選擇一些明顯的建筑物、交叉路口或者地標(biāo)等。在拍攝過(guò)程中，無(wú)人機(jī)需要飛越這些像控點(diǎn)并記錄其地理坐標(biāo)，以便將拍攝的圖像與地理坐標(biāo)系進(jìn)行精確匹配。根據(jù)工程要求，本工程綜合運(yùn)用POS 數(shù)據(jù)與空中三角測(cè)量數(shù)據(jù)，該方法可以有效降低像控點(diǎn)布設(shè)工作量，在航線中部與兩端分別布設(shè)2 個(gè)以上的平面控制點(diǎn)，區(qū)域四角與中部附近布設(shè)1 個(gè)像控點(diǎn)，其他區(qū)域按照相隔160m 進(jìn)行像控點(diǎn)布設(shè)。

2.2 地面激光雷達(dá)數(shù)據(jù)采集

工程通過(guò)徠卡BLK360 激光儀獲取地面激光雷達(dá)數(shù)據(jù)，實(shí)地作業(yè)時(shí)需要率先確定測(cè)區(qū)，測(cè)區(qū)可根據(jù)對(duì)稀疏點(diǎn)云構(gòu)建的初步三維模型進(jìn)行精度分析，從而獲取到激光雷達(dá)測(cè)區(qū)，之后進(jìn)行測(cè)站布設(shè)。該儀器的掃描范圍為0.6～60m，一般而言，點(diǎn)云精度與測(cè)距精度會(huì)隨著掃描距離的增加而降低，根據(jù)工程精度要求，測(cè)站的實(shí)際掃描距離設(shè)定為25m，可根據(jù)實(shí)際建筑分布情況進(jìn)行微調(diào)。同時(shí)，便于后續(xù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拼接，兩個(gè)相鄰的測(cè)站間在掃描范圍上會(huì)有一定重合。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 多源數(shù)據(jù)融合

三維實(shí)景中多源數(shù)據(jù)的應(yīng)用，需要解決相應(yīng)的空間融合問(wèn)題，為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)空間融合應(yīng)將所有數(shù)據(jù)統(tǒng)一匹配到相同的空間參考基準(zhǔn)上，從而實(shí)現(xiàn)空間位置配準(zhǔn)。在實(shí)際處理應(yīng)用中應(yīng)將像素坐標(biāo)，圖像坐標(biāo)與絕對(duì)坐標(biāo)系進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)范，在模型構(gòu)建中可通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件等輔助工具完成多源數(shù)據(jù)處理操作。

3.2 點(diǎn)云配準(zhǔn)

智慧城市實(shí)景三維模型構(gòu)建中的點(diǎn)云配準(zhǔn)技術(shù)實(shí)際上屬于異質(zhì)數(shù)據(jù)，此類型數(shù)據(jù)實(shí)質(zhì)上是經(jīng)過(guò)濾波后的點(diǎn)云與影像密集匹配生成的點(diǎn)云配準(zhǔn)。應(yīng)用將需要將點(diǎn)云三維坐標(biāo)、立面信息與RGB 色彩紋理進(jìn)行融合，從而滿足模型反映建筑細(xì)節(jié)特征的基本要求，為后續(xù)紋理映射提供數(shù)據(jù)支撐。點(diǎn)云配準(zhǔn)中需要分別完成粗配準(zhǔn)與精配準(zhǔn)。

點(diǎn)云粗配準(zhǔn)中需要通過(guò)初始估計(jì)值減少迭代計(jì)算時(shí)間，提高整體效率。目前常用的粗配準(zhǔn)方式有精密設(shè)備點(diǎn)云配準(zhǔn)、人機(jī)交互點(diǎn)云配準(zhǔn)、主成分分析點(diǎn)云配準(zhǔn)和模糊幾何特征點(diǎn)云配準(zhǔn)。模型構(gòu)建中選擇采用人機(jī)交互點(diǎn)云配準(zhǔn)方式，通過(guò)選取相同特征點(diǎn)，計(jì)算分析影像點(diǎn)云與激光點(diǎn)云的近似旋轉(zhuǎn)平移矩陣。在同名特征選取中，可通過(guò)手工選取方式進(jìn)行點(diǎn)云配準(zhǔn)，也可以通過(guò)數(shù)據(jù)獲取預(yù)先布設(shè)標(biāo)靶方式進(jìn)行點(diǎn)云配準(zhǔn)。人機(jī)交互下基于同名特征的點(diǎn)云配準(zhǔn)方式的表達(dá)式如下：

式中，Pt和Ps表示目標(biāo)點(diǎn)云與源點(diǎn)云中的對(duì)應(yīng)點(diǎn)；R和T 分別為求解兩個(gè)點(diǎn)云的旋轉(zhuǎn)與平移矩陣。

此外，點(diǎn)云精配準(zhǔn)可有效提升其精度，目前常用的點(diǎn)云精配準(zhǔn)方法有迭代最近點(diǎn)法，其在應(yīng)用中通過(guò)計(jì)算兩個(gè)點(diǎn)云之間最近對(duì)應(yīng)點(diǎn)獲得相應(yīng)的變換矩陣，具體應(yīng)用步驟如下：

步驟1：進(jìn)行點(diǎn)云預(yù)處理操作。將所有獲取到的點(diǎn)云經(jīng)過(guò)濾波處理，剔除其中的噪點(diǎn)與無(wú)用類別信息。

步驟2：計(jì)算最近點(diǎn)。計(jì)算點(diǎn)集Si中相應(yīng)的點(diǎn)集P 的最近點(diǎn)。

步驟3：計(jì)算得出參數(shù)向量Xk+1，并通過(guò)點(diǎn)集與相應(yīng)的配準(zhǔn)過(guò)程得到相應(yīng)的數(shù)值，計(jì)算獲得相應(yīng)的距離平方與值dk。

步驟4：在點(diǎn)集P 的基礎(chǔ)上獲得相應(yīng)的參數(shù)向量Xk+1，并通過(guò)相應(yīng)的變化得到新的點(diǎn)集Pk+1，在此基礎(chǔ)上，重復(fù)步驟1 的計(jì)算內(nèi)容。

步驟5：計(jì)算過(guò)程中當(dāng)dk小于預(yù)設(shè)的數(shù)值時(shí)，停止迭代。

3.3 紋理貼圖

采用Context Capture 三維建模軟件進(jìn)行最終的多源融合建模，將經(jīng)過(guò)點(diǎn)云配準(zhǔn)處理的激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)與傾斜影像數(shù)據(jù)導(dǎo)入軟件中，并在軟件中進(jìn)行空中三角測(cè)量，完成三維模型構(gòu)建。該過(guò)程中紋理貼圖非常重要，其關(guān)鍵在于如何短時(shí)間內(nèi)選取目標(biāo)物不同方向的最優(yōu)影像紋理信息，工程設(shè)定的紋理拼圖流程如下：

①構(gòu)建索引數(shù)據(jù)：通過(guò)對(duì)激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)與傾斜影像數(shù)據(jù)的處理可以獲取到目標(biāo)物結(jié)構(gòu)，對(duì)其進(jìn)行提取建立白膜后，逐一進(jìn)行編號(hào)，并將其與對(duì)應(yīng)單體影像信息進(jìn)行一一關(guān)聯(lián)，形成索引機(jī)制。

②單體影像集分類：按照影像朝向，可以將單體影像集分成下視、前視、左視、右視、后視五類，通過(guò)分類可以快速對(duì)已獲取的單體影像朝向進(jìn)行判斷。

③目標(biāo)物側(cè)面紋理獲?。嚎芍苯油ㄟ^(guò)下視圖獲得頂面紋理，而其他方向紋理則需要通過(guò)中心點(diǎn)投影的方式計(jì)算出其在地平面的向量，即目標(biāo)物面中心與影像攝影中心投影到地平面，并測(cè)出與目標(biāo)物面法向量夾角，一般而言，其夾角越小，影像朝向越佳，即需要找到最接近正射角度得到影像集合。

④目標(biāo)物紋理優(yōu)化：在獲取到所有面的紋理集合以后，可以通過(guò)計(jì)算所有影像集中影像到目標(biāo)物的向量值獲取到最優(yōu)目標(biāo)物影像，該影像越貼近目標(biāo)物立面信息，說(shuō)明目標(biāo)物紋理效果越好。

4 三維模型精度評(píng)估

當(dāng)前，學(xué)術(shù)界在三維模型精度評(píng)估中并未形成統(tǒng)一技術(shù)規(guī)范，本文主要參考張?zhí)柕牡热岁P(guān)于傾斜攝影三維模型質(zhì)量評(píng)價(jià)的內(nèi)容方法，在質(zhì)量檢查元素與權(quán)重基礎(chǔ)上進(jìn)行了擴(kuò)充與深化，最終從空間參考系、位置精度、模型質(zhì)量、邏輯性、場(chǎng)景效果與附件質(zhì)量六個(gè)層面進(jìn)行了賦權(quán)處理與分析，具體內(nèi)容如表1 所示。

表1 三維模型精度評(píng)估質(zhì)量檢查元素與權(quán)重

結(jié)合上述三維模型檢查元素，可確定該融合模型的空間參考坐標(biāo)系為WGS84，由此確定空間參考系符合實(shí)際要求。根據(jù)三角測(cè)量質(zhì)量結(jié)果，可確定模型的平面精度為0.038m，同時(shí)，參考價(jià)奧經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ瞳@取高程精度，可確定其精度為平面精度的三倍左右，基本為0.116 左右。此外，在模型質(zhì)量上，初步模型中建筑結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了不同程度的變形與扭曲，嚴(yán)重情況下出現(xiàn)了空洞。但在融合模型應(yīng)用下，有效解決了建筑結(jié)構(gòu)中的變形問(wèn)題，同時(shí)使得建筑結(jié)構(gòu)與紋理得到了有效改善。在邏輯性上，參考精度評(píng)估質(zhì)量檢查中的格式一致性與文件可讀性元素，發(fā)現(xiàn)其均符合模型要求，具有較好的應(yīng)用效果。最后，三維模型精度的場(chǎng)景效果整體表現(xiàn)較好，所展示的場(chǎng)景效果能夠較好的與實(shí)際地物狀況相互契合，同時(shí)附件質(zhì)量中的技術(shù)文檔的完整性與準(zhǔn)確性較高，能夠滿足模型應(yīng)用要求。

5 結(jié)語(yǔ)

本文基于智慧城市與三維模型基礎(chǔ)上，對(duì)高精度智慧城市實(shí)景三維模型重構(gòu)進(jìn)行了深入分析，其中探討了實(shí)景三維模型構(gòu)建的關(guān)鍵技術(shù)內(nèi)容，通過(guò)多源數(shù)據(jù)融合、點(diǎn)云配準(zhǔn)與紋理貼圖技術(shù)介紹，結(jié)合建筑項(xiàng)目提出了模型建設(shè)應(yīng)用方案，在具體工程實(shí)例應(yīng)用上進(jìn)行了全面分析，為智慧城市實(shí)景三維模型建設(shè)與發(fā)展提供的技術(shù)支持與內(nèi)容參考。