基于DP-Modeler的實(shí)景三維校園精細(xì)化模型構(gòu)建★

郭昕怡，劉 軍，陳毓?jié)?，胡澤?/p>

(防災(zāi)科技學(xué)院生態(tài)環(huán)境學(xué)院,河北 三河 065201)

1 概述

數(shù)字城市創(chuàng)建中,建筑物的三維建模占據(jù)了至關(guān)重要的地位?，F(xiàn)實(shí)中出現(xiàn)過的建模方式不一而足,但經(jīng)過實(shí)踐的重重檢驗(yàn),最終留下了以下幾種傳統(tǒng)建模方法:首先,以相框?yàn)榛A(chǔ)的建模方法,如使用AutoCAD,SketchUp等軟件建模;其次,以地圖為基礎(chǔ)的三維模型,通過將矢量范圍疊加到地圖上,對(duì)紋理圖像加以處理,以生成三維模型,如使用ESRI的CityEngine等工具。這些傳統(tǒng)建模方法確實(shí)在不同歷史時(shí)期起過實(shí)質(zhì)性作用,但隨著建模技術(shù)的不斷成熟,這些傳統(tǒng)建模方法的弊端也逐漸顯現(xiàn),其步驟繁雜、投入資源多且難以保障建模精度[1]。一些研究人員已經(jīng)提出了新的方法來改進(jìn)三維建模過程。如彭磊等創(chuàng)造性地在Trimble RealWorks中導(dǎo)入云數(shù)據(jù),經(jīng)過數(shù)據(jù)配準(zhǔn)、點(diǎn)云降噪、模型創(chuàng)建等一系列處理,生成了更高效、更規(guī)范的三維模型[2];周平華等基于機(jī)載LiDAR點(diǎn)云重新構(gòu)建建筑物三維模型。雖然LiDAR技術(shù)能提升建模精度,但因設(shè)備價(jià)格居高不下,且建模算法未完全成熟,因此這種三維模型目前并未得到廣泛應(yīng)用[3]。劉建程等以復(fù)合翼無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量為基礎(chǔ)構(gòu)建實(shí)景三維模型。不可否認(rèn),實(shí)景建模確實(shí)具備高精度、高效率、高還原度三大優(yōu)勢(shì)。但在建模過程中存在軟件無法處理特殊結(jié)構(gòu)建筑,需人工解決,仍需進(jìn)一步完善[4]。

DP-Modeler軟件是專門用于傾斜攝影三維建模的工具,它允許通過組合多個(gè)影像,準(zhǔn)確且快速地生成三維模型。這款軟件兼容多種影像數(shù)據(jù),同時(shí)也提供了多元化的建模工具和觀察視圖,以協(xié)助用戶構(gòu)建尺寸精準(zhǔn)、位置精確的三維模型。通過集成多種數(shù)據(jù)成果,DP-Modeler能夠提供高度可視化的環(huán)境,為用戶提供豐富多樣的建模選擇。它的交互性極佳,用戶界面簡(jiǎn)單友好。不僅可以節(jié)約時(shí)間和資源,還能有效降低三維建模的成本。在建筑設(shè)計(jì)、土地規(guī)劃、文化遺產(chǎn)保護(hù)或城市規(guī)劃等領(lǐng)域,都發(fā)揮著重要的作用。

本文以防災(zāi)科技學(xué)院北校區(qū)為研究對(duì)象,采用多旋翼無人機(jī)(Unmanned Aerial Vehicle,UAV)傾斜攝影測(cè)量手段,快速且有效地獲取了多視影像數(shù)據(jù),且提升了影視數(shù)據(jù)的分辨率,擴(kuò)大了影視數(shù)據(jù)的來源范圍?；贑ontext Capture軟件構(gòu)建三維實(shí)景模型,通過DP-Modeler軟件,進(jìn)行單體化精細(xì)建模,快速重建了校園三維精細(xì)模型。

2 無人機(jī)傾斜攝影三維建模流程

無人機(jī)傾斜攝影三維建模主要有以下關(guān)鍵步驟:一是采集外業(yè)數(shù)據(jù);二是處理內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)。在外業(yè)數(shù)據(jù)采集過程中,通過傾斜攝影測(cè)量技術(shù),執(zhí)行了校園北校區(qū)航飛計(jì)劃,以獲取北校區(qū)的航空影像。在內(nèi)部數(shù)據(jù)處理階段,我們首先借助Context Capture軟件自動(dòng)三維重建功能,構(gòu)建初始化OSGB格式粗模型。并利用DP-Modeler軟件精細(xì)化處理數(shù)據(jù)。通過單體化建模技術(shù),逐個(gè)識(shí)別和重構(gòu)各個(gè)場(chǎng)景中的物體。同時(shí),使用紋理映射技術(shù),將真實(shí)的紋理信息應(yīng)用到模型上,使其呈現(xiàn)出逼真的外觀和質(zhì)感。最終,構(gòu)建出實(shí)景三維精細(xì)化模型。

2.1 技術(shù)流程

本文研究的建模方法技術(shù)流程如圖1所示。

2.2 傾斜攝影測(cè)量數(shù)據(jù)獲取

本項(xiàng)目采用大疆Phantom4 RTK無人機(jī)執(zhí)飛,這是一款小型多旋翼高精度航測(cè)無人機(jī),專為低空攝影測(cè)量應(yīng)用而設(shè)計(jì)。它具備了厘米級(jí)精度的導(dǎo)航定位系統(tǒng)和高性能成像系統(tǒng),便攜易用,可以顯著提高航測(cè)工作的效率。在進(jìn)行實(shí)地?cái)?shù)據(jù)采集之前,我們需要設(shè)計(jì)飛行方案。本次飛行任務(wù)選用DJI GO APP進(jìn)行航線設(shè)計(jì),采用5向飛行方案,并利用千尋知寸FindCM網(wǎng)絡(luò)RTK提供的厘米級(jí)定位服務(wù),以確保航攝操作的精確性?？紤]到測(cè)區(qū)的地勢(shì)平坦,我們?cè)O(shè)定了飛行高度為120 m,航向重疊率為80%,旁向重疊率為75%,飛行速度為9.8 m/s,相機(jī)的快門速度設(shè)置為1/1 000 s,拍攝模式為等距間隔拍攝。選擇無風(fēng)晴朗天氣進(jìn)行外業(yè)航飛,最終共獲取了1 184張影像數(shù)據(jù)。無人機(jī)及遙控器見圖2。

與無人機(jī)配套的是DJI-FC6310R相機(jī),該相機(jī)參數(shù)如下:焦距為8.8 mm,像素為5 472×3 648,傳感器尺寸13.2 mm×8.8 mm,像元尺寸2.41 um,表1列出了無人機(jī)飛行器和相機(jī)主要參數(shù)。根據(jù)公式(1):

(1)

表1 無人飛行器及相機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)

其中,f為鏡頭焦距;a為像元尺寸;d為地面分辨率;計(jì)算出航高為120 m,地面分辨率為3.29 cm/pix。

2.3 校園三維場(chǎng)景自動(dòng)化建模

實(shí)景三維建模的核心技術(shù)步驟如下:預(yù)處理數(shù)據(jù)、傾斜影像區(qū)域網(wǎng)聯(lián)合平差、點(diǎn)云密集匹配、構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)、紋理映射、構(gòu)建三維模型[5]。

2.3.1 預(yù)處理

利用Context Capture軟件進(jìn)行傾斜數(shù)據(jù)處理時(shí),需要準(zhǔn)備的數(shù)據(jù)包括原始影像、POS數(shù)據(jù)、相機(jī)參數(shù)(焦距、像素大小等)。在三維建模前,需要對(duì)以上數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查,首先,檢查影像數(shù)據(jù)的覆蓋情況,確保其重疊度達(dá)到要求,排除云層遮擋的情況。并對(duì)原始影像進(jìn)行照片重命名,以便更好地管理數(shù)據(jù)。同時(shí),要確保POS數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)的相互對(duì)應(yīng),確保數(shù)據(jù)無缺失、無冗余,確保相機(jī)參數(shù)的完整性和準(zhǔn)確性[6]。

2.3.2 空中三角測(cè)量

傾斜攝影測(cè)量數(shù)據(jù)建模的核心步驟是空中三角測(cè)量。使用高分辨率的多角度航拍圖像,結(jié)合Context Capture軟件和共線條件方程的理論,選取多視角區(qū)域網(wǎng)法進(jìn)行空中三角測(cè)量,不僅可以保障信息數(shù)據(jù)的隱蔽性和安全性,還可以準(zhǔn)確計(jì)算在物理空間中目標(biāo)點(diǎn)的坐標(biāo),進(jìn)而確定影像的方位元素[7]。

2.3.3 三維模型自動(dòng)生成

通過從多視圖影像中提取同名點(diǎn)坐標(biāo),能夠生成高密度、高精度的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。點(diǎn)云數(shù)據(jù)被用于構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)。通過分析三角形平面在TIN網(wǎng)中所處的空間位置,可以確定視點(diǎn)圖像的最佳紋理。借助自動(dòng)紋理映射技術(shù)在三維模型中導(dǎo)入這些紋理,構(gòu)建完整化的三維場(chǎng)景[8],如圖3所示。在這個(gè)過程中,需確保傾斜影像貼圖結(jié)果的色調(diào)、分辨率和原始色調(diào)、原始分辨率并無二致,也要確保紋理不會(huì)出現(xiàn)變形,同時(shí)要確保紋理和模型的高度適配。利用Context Capture軟件生成OSGB和OBJ格式的三維模型,為在DP-Modeler軟件下精細(xì)化修飾三維模型準(zhǔn)備數(shù)據(jù)。

2.4 三維模型精細(xì)化構(gòu)建

盡管Context Capture在重建三維場(chǎng)景方面起著不可替代的重要作用。但基于Context Capture的模型數(shù)據(jù)存在一些缺陷:1)生成的三維場(chǎng)景呈整體形式,難以對(duì)單個(gè)建筑物進(jìn)行屬性賦值、入庫等單體化操作,從而給后續(xù)的部署和管理帶來了一定限制;2)三維模型包含大量數(shù)據(jù),在加載和預(yù)覽三維場(chǎng)景時(shí)可能產(chǎn)生許多不便;3)三維模型精度相對(duì)較低,部分模型表面模糊不清,甚至存在紋理缺失和大量懸浮物等問題。由于照片是在空中拍攝的,建筑密集區(qū)和屋檐下的植被可能導(dǎo)致信息缺失。為了獲得更為清晰、更具廣泛應(yīng)用性的實(shí)景三維模型,有必要進(jìn)行精細(xì)化的三維模型構(gòu)建,通過模型修飾和單體化等操作來優(yōu)化模型效果[6]。

2.4.1 單體模型構(gòu)建

單體化建模分為三種類型:切割單體化、ID單體化和模型重建單體化,而DP-Modeler屬于模型重建單體化的一種方法。對(duì)于那些建模效果不佳的重要建筑物,DP-Modeler通過重新繪制已有模型來改善建筑物的外觀和細(xì)節(jié),同時(shí)對(duì)其表面進(jìn)行紋理映射,使其更接近實(shí)際建筑物的外觀。為了確保建筑物的準(zhǔn)確性,DP-Modeler利用高程信息,通過地形和地理數(shù)據(jù)對(duì)建筑物進(jìn)行拉伸,以創(chuàng)建建筑物的基本模型。然后,根據(jù)模型坐標(biāo)信息和傾斜攝影圖像進(jìn)行的空三解算,選擇最適合的紋理映射到建筑物的表面,來提高建筑物模型的質(zhì)量和準(zhǔn)確性。

實(shí)際上,校園中的建筑物可將它們分為兩大類:簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)建筑和復(fù)雜結(jié)構(gòu)建筑群。簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)建筑包括單獨(dú)的教學(xué)樓、宿舍樓、餐廳等,而復(fù)雜結(jié)構(gòu)建筑群則由多個(gè)簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)建筑組成,通常形成教學(xué)區(qū)或宿舍區(qū)等整體建筑群?？梢罁?jù)構(gòu)件和功能差異,將單個(gè)模型細(xì)分為如樓體、陽臺(tái)、樓梯、女兒墻、雨檐、欄桿、連廊等多個(gè)建筑構(gòu)件。每個(gè)構(gòu)件都有其獨(dú)特的功能和特征。在創(chuàng)建這些模型時(shí),可使用選擇對(duì)象、繪制多線段、創(chuàng)建柱體、創(chuàng)建面、內(nèi)偏移和外擴(kuò)、復(fù)制、面切割等多種工具,以捕捉建筑物的輪廓線和各個(gè)構(gòu)件的細(xì)節(jié)。整體建筑應(yīng)該避免出現(xiàn)空洞表面和重疊表面,也不應(yīng)該出現(xiàn)體積交叉,以確保建筑物在三維模型中呈現(xiàn)出準(zhǔn)確且連貫的外觀。

以防災(zāi)科技學(xué)院北校區(qū)的天儀樓為例,通過俯視圖模式、透視圖模式相互切換,勾勒模型輪廓,由于最終構(gòu)建的模型以影像為準(zhǔn),并進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整讓其與影像吻合,圖4,圖5分別為天儀樓的正側(cè)線框模型和后側(cè)線框模型。

對(duì)于臺(tái)階等復(fù)雜的建筑部件的創(chuàng)建,需“創(chuàng)建多邊形”后進(jìn)行平分,再利用“擠出柱體”工具將樓底等高面設(shè)置為基準(zhǔn)面,后選擇“擠出到基準(zhǔn)面”選項(xiàng),單擊樓頂輪廓面創(chuàng)建柱體,圖6為天儀樓臺(tái)階局部圖。

對(duì)于連廊、欄桿的制作,天儀樓二層的連廊下部有八根圓形廊柱支撐,需在地面上設(shè)置基準(zhǔn)面,使用“擠出柱體”工具定位連廊的高度,創(chuàng)建多邊形,并使用內(nèi)偏移、外擴(kuò)工具向內(nèi)偏移出一個(gè)等距的多邊形,再根據(jù)影像通過“擠出柱體”工具創(chuàng)建欄桿,完成連廊和欄桿建筑部件,圖7為連廊和廊柱局部圖。

對(duì)于窗戶的制作,使用面切割工具可切割出窗戶的形狀,根據(jù)mesh影像使用推拉工具將窗戶向內(nèi)推拉出一定厚度,做出建筑物的凹凸結(jié)構(gòu)[9]。向內(nèi)推拉的過程中,選擇將出現(xiàn)的多余面刪掉,圖8為天儀樓窗戶局部圖。

構(gòu)建完作業(yè)區(qū)范圍內(nèi)全部單體模型后,可通過“錯(cuò)面檢查”,檢測(cè)并刪除面積為0的面。

2.4.2 紋理映射

紋理貼圖時(shí),選用自動(dòng)紋理映射技術(shù),將三維模型實(shí)體化,如圖9所示。接著,通過手動(dòng)紋理貼圖技術(shù)精細(xì)化處理。以保證紋理貼圖外觀的清晰性、整潔性和自然性,以便于紋理能準(zhǔn)確映射建筑物特征。

如果在某個(gè)矩形區(qū)域發(fā)現(xiàn)有部分被遮擋的情況,則需要手動(dòng)貼圖處理紋理,以提升模型的紋理質(zhì)量,如圖10所示。通常,會(huì)出現(xiàn)樹木或其他建筑物等遮擋物體。可以通過切換至未受遮擋部分的影像來解決這個(gè)問題。這個(gè)過程允許手動(dòng)編輯和替換受遮擋區(qū)域的紋理,以確保最終的紋理貼圖達(dá)到最佳質(zhì)量。這種方法有助于保證模型的外觀在視覺上更加真實(shí)和自然。

若沒有未被遮擋的可用影像,就需依賴Photoshop軟件手動(dòng)貼圖,以進(jìn)行交互式紋理編輯[10]。

2.4.3 單體化場(chǎng)景集成

在進(jìn)行模型的單體化處理后,需要確保整個(gè)場(chǎng)景和單體建筑恰如其分地融合在一起,以保障建筑物和周邊環(huán)境的統(tǒng)一性、和諧性。具體整合步驟如下:區(qū)域踏平、立體刪除、批量重建。如圖11所示,在區(qū)域踏平中需要標(biāo)識(shí)并清除需要踏平的建筑部分,同時(shí)對(duì)地面拼接、貼圖,讓已刪除部分的地面不至于顯得突兀,確保已刪除部分和未刪除部分能不著痕跡地連接。接下來,在DP-Modeler軟件中導(dǎo)入地面場(chǎng)景、單體建筑,進(jìn)行有效整合。在DP-Modeler Mesh場(chǎng)景模式下,選中場(chǎng)景中懸浮樹木、電線桿等多余物體,利用立體刪除功能將其刪除,如圖12,圖13所示。最終達(dá)成單體建筑與整個(gè)場(chǎng)景和諧融合的視覺效果,圖14為單體與場(chǎng)景融合效果圖。

3 結(jié)論

本文基于無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù),結(jié)合Context Capture,DP-Modeler等軟件,以及傳統(tǒng)建模技術(shù)的優(yōu)點(diǎn),創(chuàng)建防災(zāi)科技學(xué)院北校區(qū)的實(shí)景三維模型。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在處理傾斜模型的獨(dú)特組織結(jié)構(gòu)和龐大數(shù)據(jù)量時(shí),采用單體化處理方法具有多重優(yōu)勢(shì)。

首先,單體化處理能極大地減少整個(gè)三維模型所需的存儲(chǔ)空間。其次,單體結(jié)構(gòu)為后續(xù)應(yīng)用提供了便捷的處理方式,使得在進(jìn)行進(jìn)一步的編輯、分析或應(yīng)用時(shí)更加方便、清晰和美觀,并確保模型的細(xì)節(jié)和質(zhì)量得到保持與提升。

DP-Modeler的一鍵貼圖映射技術(shù)在建筑物模型上的應(yīng)用,通過將真實(shí)紋理與RGB渲染相結(jié)合,極大地提升了建筑物模型的視覺逼真度,并凸顯了其細(xì)節(jié)特征,填補(bǔ)了Context Capture自動(dòng)三維重建中可能存在的精度不足問題。這項(xiàng)技術(shù)有望在實(shí)景三維建模領(lǐng)域大放異彩,隨著科技的不斷進(jìn)步,它的應(yīng)用前景將不斷擴(kuò)展。它不僅可以為政府規(guī)劃決策提供更加精準(zhǔn)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),還有助于實(shí)現(xiàn)測(cè)繪成果與管線、交通等信息的無縫整合,推動(dòng)數(shù)字化發(fā)展取得更為顯著的成果。

此外,實(shí)景三維建模技術(shù)的廣泛應(yīng)用還可以推動(dòng)數(shù)字化發(fā)展。通過將不同數(shù)據(jù)源整合到建筑物模型中,可以實(shí)現(xiàn)更全面的城市信息管理,提高城市基礎(chǔ)設(shè)施的效率和可持續(xù)性。這有助于城市更好地適應(yīng)不斷變化的需求和挑戰(zhàn),推動(dòng)城市數(shù)字化轉(zhuǎn)型。