空地?cái)?shù)據(jù)融合在建筑物精細(xì)化實(shí)景建模中的應(yīng)用

于華穎

(山東新匯建設(shè)集團(tuán)有限公司,山東 東營(yíng) 257091)

0 引言

建筑物精細(xì)化實(shí)景建模是當(dāng)今城市規(guī)劃和建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域的熱點(diǎn)及難點(diǎn)問題之一。傳統(tǒng)的傾斜攝影測(cè)量由于無人機(jī)航拍圖像分辨率較低、飛行角度受限等限制,往往會(huì)導(dǎo)致模型表面紋理特征豐富性不足、點(diǎn)云數(shù)據(jù)缺失等問題,使得建筑物模型無法準(zhǔn)確地反映真實(shí)的地理環(huán)境和建筑細(xì)節(jié),制約了規(guī)劃和設(shè)計(jì)的精細(xì)化水平。然而,隨著空地?cái)?shù)據(jù)融合技術(shù)的快速發(fā)展,以航空影像、激光掃描、近景影像等方式獲取的空地?cái)?shù)據(jù)可以被高效地融合為精細(xì)化的建筑物實(shí)景模型。無人機(jī)傾斜攝影與地面近景攝影的融合原理主要通過特征點(diǎn)云數(shù)據(jù)匹配算法,以實(shí)現(xiàn)多源數(shù)據(jù)的精確融合,生成具有豐富紋理的三維模型。這種空地?cái)?shù)據(jù)融合技術(shù)不僅可以提供準(zhǔn)確、真實(shí)、高精度的建筑物模型,還能夠?yàn)槌鞘幸?guī)劃和建筑設(shè)計(jì)提供全面的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持,幫助設(shè)計(jì)師和規(guī)劃者更好地理解和分析城市環(huán)境,優(yōu)化規(guī)劃設(shè)計(jì)方案,提高城市的可持續(xù)發(fā)展水平。本文結(jié)合實(shí)際工程應(yīng)用,對(duì)空地?cái)?shù)據(jù)融合在建筑物精細(xì)化實(shí)景建模中的應(yīng)用進(jìn)行論述[1-2]。

1 空地?cái)?shù)據(jù)融合相關(guān)理論

空地融合實(shí)景三維建模是一種將空中和地面數(shù)據(jù)進(jìn)行集成和融合,從而創(chuàng)建真實(shí)且精細(xì)的三維建筑物模型的方法。其實(shí)質(zhì)是通過多數(shù)據(jù)源進(jìn)行建筑的三維空間數(shù)據(jù)信息采集,從而構(gòu)建實(shí)景三維模型?！翱铡焙汀暗亍狈謩e指無人機(jī)通過云臺(tái)拍攝的空中圖像和近地面非測(cè)量相機(jī)拍攝的影像數(shù)據(jù)(見圖1),這些數(shù)據(jù)提供了目標(biāo)物影像數(shù)據(jù)和地理空間信息。然后利用圖像處理和計(jì)算機(jī)視覺算法,從影像和掃描數(shù)據(jù)中提取出建筑物的邊界線、輪廓和紋理等特征。最后根據(jù)二者各自的互補(bǔ)性,通過數(shù)據(jù)融合技術(shù)將無人機(jī)航拍影像與近景影像數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)和融合,生成高精度實(shí)景三維模型[3]。

圖1 傾斜攝影及近景攝影示意

2 工程應(yīng)用

2.1 測(cè)區(qū)概況

實(shí)驗(yàn)測(cè)區(qū)位于D市的一座歷史文化古城門,建于明代中期(公元1368—1644年)的明成化年間,修于明隆慶年間。門樓建筑為重檐歇山式,高約15 m,深約8 m,門框由花崗石打造,整體建筑氣勢(shì)雄偉,造型復(fù)雜,古樸典雅。作為D市的歷史遺產(chǎn),該建筑見證了D市從一個(gè)古老村莊到現(xiàn)代化城市的歷史發(fā)展,因此對(duì)其建立實(shí)景三維模型具有重要意義。由于整體較為復(fù)雜,僅應(yīng)用傾斜攝影測(cè)量技術(shù)難以構(gòu)建建筑物精細(xì)化實(shí)景三維模型,因此本項(xiàng)目擬進(jìn)行空地?cái)?shù)據(jù)采集,空中部分應(yīng)用無人機(jī)搭載相機(jī)采集多視角影像數(shù)據(jù),地面部分應(yīng)用人工手持相機(jī)進(jìn)行拍照,采集復(fù)雜區(qū)域特征細(xì)節(jié)數(shù)據(jù)。

2.2 整體技術(shù)流程分析

本文整體技術(shù)路線如圖2所示,首先,需要獲取空中圖像數(shù)據(jù)和地面數(shù)據(jù)?？罩袌D像數(shù)據(jù)可以通過無人機(jī)拍攝的影像數(shù)據(jù)以及地面人工近景拍攝的數(shù)據(jù)獲得,這些數(shù)據(jù)源提供了建筑物的外部形狀和地理空間信息;主要在空三結(jié)果的基礎(chǔ)上通過多視密集匹配算法計(jì)算出物方空間中每個(gè)點(diǎn)的三維坐標(biāo),以此來重建整個(gè)測(cè)區(qū)的實(shí)景三維模型;再通過構(gòu)建TIN三角網(wǎng)生成白膜,經(jīng)過自動(dòng)紋理映射后生成帶有真實(shí)色彩的三維模型[3-4]。

圖2 整體技術(shù)路線

2.3 外業(yè)影像數(shù)據(jù)采集

為空中采集目標(biāo)建筑影像數(shù)據(jù),外業(yè)應(yīng)用的是大疆(DJI)經(jīng)緯M300 RTK測(cè)繪行業(yè)級(jí)無人機(jī)。鏡頭傾斜角設(shè)置為90°,與主航線方向平行,航線重疊設(shè)置為80%,旁向重疊設(shè)置為70%,設(shè)置無人機(jī)航攝相對(duì)高度為150 m,地面分辨率為8.5 cm/px,以此獲取目標(biāo)體航測(cè)影像數(shù)據(jù)。利用DJIGO4中的航點(diǎn)分型模式,進(jìn)行環(huán)繞飛行,飛行高度從150 m到10 m。近景影像數(shù)據(jù)采集應(yīng)用無人機(jī)搭載的同款類型相機(jī)對(duì)可能出現(xiàn)遮擋、視角盲區(qū)采集影像數(shù)據(jù),調(diào)整無人機(jī)進(jìn)行3 s定時(shí)拍照,并保證與空中采集影像具有70%以上重疊。

2.4 實(shí)景三維模型重建

本文實(shí)景三維建模主要應(yīng)用的是ContextCapture三維實(shí)景建模軟件,首先將外業(yè)獲取的兩種影像數(shù)據(jù)分別進(jìn)行空中三角測(cè)量計(jì)算,生成帶有地理坐標(biāo)的傾斜影像與無地理坐標(biāo)的近景影像稀疏點(diǎn)云結(jié)果;再在無人機(jī)空三結(jié)果上生成帶有地理坐標(biāo)信息的初始三維模型,從初始模型上選取坐標(biāo)點(diǎn)作為近景影像的控制點(diǎn),采用手工添加連接點(diǎn)的方式來增加匹配點(diǎn)對(duì),并對(duì)添加連接點(diǎn)后的數(shù)據(jù)進(jìn)行空三計(jì)算,從而生成帶有坐標(biāo)信息的空三計(jì)算成果;最后通過計(jì)算機(jī)視覺和圖像處理算法,從影像數(shù)據(jù)中提取建筑物的輪廓線、紋理信息等,并利用地面數(shù)據(jù)提供的地形高程信息,重建出真實(shí)且精細(xì)的三維建筑物模型,整體效果如圖3所示[5-6]。

圖3 目標(biāo)建筑實(shí)景三維模型

3 建模效果對(duì)比及驗(yàn)證分析

3.1 整體效果對(duì)比

為驗(yàn)證“空地”實(shí)景建模效果,本文還通過普通傾斜攝影測(cè)量建立實(shí)景三維模型,通過圖4畫圈部分對(duì)比可以發(fā)現(xiàn),與單體化建模相比,經(jīng)過數(shù)據(jù)融合后的模型在細(xì)節(jié)紋理處理方面更加清晰、完整,有效彌補(bǔ)了無人機(jī)傾斜攝影中拍攝角度單一和獲取影像分辨率低的缺陷。通過數(shù)據(jù)融合建模生成的實(shí)景三維模型,在整體和細(xì)節(jié)上都有顯著改善,有效解決了建筑物自身遮擋和光照因素所導(dǎo)致的點(diǎn)云數(shù)據(jù)孔洞、局部模型變形等問題[7]。

3.2 精度驗(yàn)證

為檢驗(yàn)三維模型的數(shù)據(jù)精度是否符合規(guī)范要求,本次共選取25個(gè)校對(duì)點(diǎn)位進(jìn)行數(shù)據(jù)的比對(duì)檢驗(yàn)。將模型提取的坐標(biāo)成果與后期全站儀實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,如表1所示[8]。

表1 校對(duì)點(diǎn)精度統(tǒng)計(jì) 單位:m

根據(jù)《三維地理信息模型數(shù)據(jù)產(chǎn)品規(guī)范》(CH/T 9015—2012)中的模型評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),對(duì)融合后的模型進(jìn)行了精度評(píng)定。結(jié)果顯示,融合后模型的平面中誤差均不超過10 cm,高程中誤差為10.3 cm。這符合I級(jí)平面中誤差不超過0.3 m和I級(jí)高程中誤差不超過0.5 m的外業(yè)精度要求。結(jié)果表明,通過空地?cái)?shù)據(jù)融合建模能夠在保證模型精度的前提下獲得更真實(shí)的模型效果,整體精度遠(yuǎn)高于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述,本文通過結(jié)合無人機(jī)傾斜攝影和地面近景攝影的方法,針對(duì)不同的地物目標(biāo)選擇了相應(yīng)的影像采集方式,將不同分辨率、不同角度的影像進(jìn)行融合,以構(gòu)建實(shí)景三維模型,并對(duì)模型進(jìn)行了精度評(píng)估。研究結(jié)果表明,傾斜攝影和近景攝影的融合能提高模型質(zhì)量,可為復(fù)雜建筑的紋理特征和局部細(xì)節(jié)的呈現(xiàn)提供優(yōu)化方案,同時(shí)可為城市規(guī)劃、建筑設(shè)計(jì)和文化遺產(chǎn)保護(hù)等領(lǐng)域的實(shí)踐提供較好的技術(shù)支持。