空地數(shù)據(jù)融合在建筑物精細化實景建模中的應(yīng)用

于華穎

(山東新匯建設(shè)集團有限公司,山東 東營 257091)

0 引言

建筑物精細化實景建模是當(dāng)今城市規(guī)劃和建筑設(shè)計領(lǐng)域的熱點及難點問題之一。傳統(tǒng)的傾斜攝影測量由于無人機航拍圖像分辨率較低、飛行角度受限等限制,往往會導(dǎo)致模型表面紋理特征豐富性不足、點云數(shù)據(jù)缺失等問題,使得建筑物模型無法準確地反映真實的地理環(huán)境和建筑細節(jié),制約了規(guī)劃和設(shè)計的精細化水平。然而,隨著空地數(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數(shù)據(jù)可以被高效地融合為精細化的建筑物實景模型。無人機傾斜攝影與地面近景攝影的融合原理主要通過特征點云數(shù)據(jù)匹配算法,以實現(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。這種空地數(shù)據(jù)融合技術(shù)不僅可以提供準確、真實、高精度的建筑物模型,還能夠為城市規(guī)劃和建筑設(shè)計提供全面的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持,幫助設(shè)計師和規(guī)劃者更好地理解和分析城市環(huán)境,優(yōu)化規(guī)劃設(shè)計方案,提高城市的可持續(xù)發(fā)展水平。本文結(jié)合實際工程應(yīng)用,對空地數(shù)據(jù)融合在建筑物精細化實景建模中的應(yīng)用進行論述[1-2]。

1 空地數(shù)據(jù)融合相關(guān)理論

空地融合實景三維建模是一種將空中和地面數(shù)據(jù)進行集成和融合,從而創(chuàng)建真實且精細的三維建筑物模型的方法。其實質(zhì)是通過多數(shù)據(jù)源進行建筑的三維空間數(shù)據(jù)信息采集,從而構(gòu)建實景三維模型?！翱铡焙汀暗亍狈謩e指無人機通過云臺拍攝的空中圖像和近地面非測量相機拍攝的影像數(shù)據(jù)(見圖1),這些數(shù)據(jù)提供了目標物影像數(shù)據(jù)和地理空間信息。然后利用圖像處理和計算機視覺算法,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)二者各自的互補性,通過數(shù)據(jù)融合技術(shù)將無人機航拍影像與近景影像數(shù)據(jù)進行配準和融合,生成高精度實景三維模型[3]。

圖1 傾斜攝影及近景攝影示意

2 工程應(yīng)用

2.1 測區(qū)概況

實驗測區(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市從一個古老村莊到現(xiàn)代化城市的歷史發(fā)展,因此對其建立實景三維模型具有重要意義。由于整體較為復(fù)雜,僅應(yīng)用傾斜攝影測量技術(shù)難以構(gòu)建建筑物精細化實景三維模型,因此本項目擬進行空地數(shù)據(jù)采集,空中部分應(yīng)用無人機搭載相機采集多視角影像數(shù)據(jù),地面部分應(yīng)用人工手持相機進行拍照,采集復(fù)雜區(qū)域特征細節(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算出物方空間中每個點的三維坐標,以此來重建整個測區(qū)的實景三維模型;再通過構(gòu)建TIN三角網(wǎng)生成白膜,經(jīng)過自動紋理映射后生成帶有真實色彩的三維模型[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測繪行業(yè)級無人機。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)置無人機航攝相對高度為150 m,地面分辨率為8.5 cm/px,以此獲取目標體航測影像數(shù)據(jù)。利用DJIGO4中的航點分型模式,進行環(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)用無人機搭載的同款類型相機對可能出現(xiàn)遮擋、視角盲區(qū)采集影像數(shù)據(jù),調(diào)整無人機進行3 s定時拍照,并保證與空中采集影像具有70%以上重疊。

2.4 實景三維模型重建

本文實景三維建模主要應(yīng)用的是ContextCapture三維實景建模軟件,首先將外業(yè)獲取的兩種影像數(shù)據(jù)分別進行空中三角測量計算,生成帶有地理坐標的傾斜影像與無地理坐標的近景影像稀疏點云結(jié)果;再在無人機空三結(jié)果上生成帶有地理坐標信息的初始三維模型,從初始模型上選取坐標點作為近景影像的控制點,采用手工添加連接點的方式來增加匹配點對,并對添加連接點后的數(shù)據(jù)進行空三計算,從而生成帶有坐標信息的空三計算成果;最后通過計算機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,重建出真實且精細的三維建筑物模型,整體效果如圖3所示[5-6]。

圖3 目標建筑實景三維模型

3 建模效果對比及驗證分析

3.1 整體效果對比

為驗證“空地”實景建模效果,本文還通過普通傾斜攝影測量建立實景三維模型,通過圖4畫圈部分對比可以發(fā)現(xiàn),與單體化建模相比,經(jīng)過數(shù)據(jù)融合后的模型在細節(jié)紋理處理方面更加清晰、完整,有效彌補了無人機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)融合建模生成的實景三維模型,在整體和細節(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)致的點云數(shù)據(jù)孔洞、局部模型變形等問題[7]。

3.2 精度驗證

為檢驗三維模型的數(shù)據(jù)精度是否符合規(guī)范要求,本次共選取25個校對點位進行數(shù)據(jù)的比對檢驗。將模型提取的坐標成果與后期全站儀實測結(jié)果進行對比,如表1所示[8]。

表1 校對點精度統(tǒng)計 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)中的模型評價標準,對融合后的模型進行了精度評定。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級平面中誤差不超過0.3 m和I級高程中誤差不超過0.5 m的外業(yè)精度要求。結(jié)果表明,通過空地數(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的模型效果,整體精度遠高于相關(guān)標準。

4 結(jié)語

綜上所述,本文通過結(jié)合無人機傾斜攝影和地面近景攝影的方法,針對不同的地物目標選擇了相應(yīng)的影像采集方式,將不同分辨率、不同角度的影像進行融合,以構(gòu)建實景三維模型,并對模型進行了精度評估。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節(jié)的呈現(xiàn)提供優(yōu)化方案,同時可為城市規(guī)劃、建筑設(shè)計和文化遺產(chǎn)保護等領(lǐng)域的實踐提供較好的技術(shù)支持。