室內(nèi)外一體化三維建模技術(shù)探索與實現(xiàn)

柯元英 沈洋 段云飛 李豪 山威

收稿日期：2023-06-20

基金項目：自然資源部第三大地測量隊科技支撐項目（2022KJ01，2023KJ02）

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2024.04.027

摘? 要：針對建筑物室內(nèi)外建模的不同特點及室內(nèi)外一體化建模的需求，綜合考慮建模效率、精度、成本等因素，開展了基于無人機傾斜攝影測量的大場景三維建模技術(shù)及基于設(shè)計圖的區(qū)域室內(nèi)建模技術(shù)探索，實現(xiàn)了無像控點的高精度室外三維模型快速構(gòu)建，并基于SketchUp構(gòu)建了具備動態(tài)交互效果的室內(nèi)三維模型，打通了室內(nèi)外三維建模技術(shù)流程，可為三維模型建設(shè)及相關(guān)應(yīng)用提供技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞：三維建模；傾斜攝影測量；動態(tài)交互；室內(nèi)外一體化

中圖分類號：TP79；P231? 文獻標識碼：A? 文章編號：2096-4706（2024）04-0127-05

Exploration and Implementation of Indoor and Outdoor Integrated 3D Modeling Technology

KE Yuanying， SHEN Yang， DUAN Yunfei， LI Hao， SHAN Wei

（The Third Geodetic Team of Ministry of Natural Resources， Chengdu? 610100， China）

Abstract： According to the different characteristics of indoor and outdoor modeling and the demand for indoor and outdoor integrated modeling， and comprehensive consideration of the factors such as modeling efficiency， accuracy， and cost， this paper explores large scene 3D modeling technology based on UAV oblique photogrammetry and regional indoor modeling technology based on design drawings， and realizes the rapid construction of high-precision outdoor 3D models without image control points. And based on SketchUp， it constructs the indoor 3D model with dynamic interactive effects， and completes the process of indoor and outdoor 3D modeling technology， which can provide technical reference for 3D model construction and related application.

Keywords： 3D modeling; oblique photogrammetry; dynamic interaction; indoor and outdoor integration

0? 引? 言

隨著數(shù)字城市、智慧城市的快速發(fā)展，傳統(tǒng)二維地圖已不能滿足人們的需求。三維數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)量豐富、表現(xiàn)直觀，得到城市規(guī)劃、建筑設(shè)計、工業(yè)測量、文物考古、災(zāi)害監(jiān)測等社會各行的重視和認可[1，2]。實景三維作為真實、立體、時序化反映人類生產(chǎn)、生活和生態(tài)空間的時空信息，是數(shù)字政府、數(shù)字經(jīng)濟重要的戰(zhàn)略性數(shù)據(jù)資源和生產(chǎn)要素，是推動數(shù)字中國建設(shè)不可或缺的重要數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。自然資源部高度重視實景三維建設(shè)，印發(fā)了《實景三維中國建設(shè)技術(shù)大綱（2021版）》《實景三維中國建設(shè)總體實施方案（2022—2025年）》等文件全面推進實景三維中國建設(shè)。目前全國各省市實景三維建設(shè)也正如火如荼地開展，且隨著經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，社會對基于場景三維模型的地理信息服務(wù)需求越來越多，要求也越來越高。而人類主要生活在室內(nèi)和室外地理空間中，生活生產(chǎn)離不開與室內(nèi)外地理空間模型的交互[3]，因此，單一室外三維模型已不能滿足城市建設(shè)、管理的要求，三維建模正逐漸從室外走向室內(nèi)及室內(nèi)外一體化。如何進行室內(nèi)外一體化三維建模，已成為數(shù)字城市建設(shè)關(guān)注的新方向[4]。但目前三維建模多集中于室外三維模型數(shù)據(jù)獲取與處理、三維模型數(shù)據(jù)組織與管理及三維可視化方面，而針對室內(nèi)三維建模尚處于探索室內(nèi)空間數(shù)據(jù)獲取方法以重建三維可視化模型階段[5]。且由于室內(nèi)外空間結(jié)構(gòu)特征不同，室內(nèi)外定位定姿技術(shù)存在較大差異，導(dǎo)致室內(nèi)外三維數(shù)據(jù)獲取方式不同[3]。針對以上背景及需求，結(jié)合室內(nèi)外建模的不同特點，在試驗區(qū)域采用大疆M300無人機獲取了室外影像數(shù)據(jù)，構(gòu)建了高精度室外三維模型，并基于建筑設(shè)計圖構(gòu)建了具備動態(tài)交互效果的室內(nèi)三維模型，以期為三維模型建設(shè)及其在城市規(guī)劃及建設(shè)管理、不動產(chǎn)管理、應(yīng)急安全、文物保護、智慧城市建設(shè)等領(lǐng)域的應(yīng)用提供借鑒。

1? 理論基礎(chǔ)

當(dāng)前主流的三維建模技術(shù)有無人機傾斜攝影測量技術(shù)、三維激光掃描技術(shù)、SLAM技術(shù)等。

1.1? 傾斜攝影測量技術(shù)

近年來，基于無人機搭載多視鏡頭進行傾斜攝影測量已成為獲取大場景三維信息的主流手段。傾斜攝影測量通過搭載多個攝影相機及傳感器，同時獲得所攝對象垂直和傾斜等多個角度影像數(shù)據(jù)，經(jīng)過三維重建后生成與真實場景高度還原的實景三維模型[6]。其克服了傳統(tǒng)航攝技術(shù)只能從單一角度拍攝的局限性，通過對地物進行多角度拍攝，可獲取同一地物的多幅傾斜影像。相對于正射影像，傾斜影像能讓用戶從多個角度觀察地物，更加真實地反映地物的實際情況[7]。通過傾斜攝影測量技術(shù)可快速構(gòu)建高精度逼真的三維模型，具有數(shù)據(jù)獲取成本低、周期短，建模自動化效率高、精度高、效果好等優(yōu)勢，在室外大場景建模方面應(yīng)用廣泛。

1.2? 三維激光掃描技術(shù)

三維激光掃描技術(shù)是一種高效率、高精度、非接觸式的主動測量技術(shù)[8，9]，其通過高速發(fā)射激光即可快速獲取建筑物體的三維點云數(shù)據(jù)，進而快速建立建筑物體的三維模型。與傳統(tǒng)技術(shù)相比，基于三維激光掃描技術(shù)構(gòu)建的三維模型由于獲取了能夠反映物體三維幾何信息的大量密集點云數(shù)據(jù)，因此精度更高、細節(jié)更逼真。三維激光掃描技術(shù)也因其數(shù)據(jù)獲取速度快、實時性強、精度高、非接觸等優(yōu)點已成為三維數(shù)據(jù)信息獲取的主流手段[3]。

1.3? SLAM技術(shù)

即時定位與地圖構(gòu)建技術(shù)（Simultaneous Localization and Mapping， SLAM）結(jié)合激光掃描技術(shù)與移動測量技術(shù)的優(yōu)勢，通過運動估計和地圖匹配來解決未知環(huán)境中的定位與測圖問題，在移動過程中根據(jù)定位結(jié)果建立增量地圖，又根據(jù)已有地圖輔助進一步定位[3]，實現(xiàn)在沒有GPS的環(huán)境下，僅依靠技術(shù)設(shè)備自身的SLAM算法，即可實現(xiàn)室內(nèi)三維激光點云數(shù)據(jù)的采集[7]。SLAM技術(shù)無須GPS及慣導(dǎo)系統(tǒng)，無須換站及拼接，即可采集獲取物體完整的、連貫的點云數(shù)據(jù)，具有數(shù)據(jù)獲取速度快、精度高、操作簡單、數(shù)據(jù)處理方便等優(yōu)點[10]。

2? 總體技術(shù)路線

傾斜攝影測量因數(shù)據(jù)獲取效率高、成本低，能獲取真實的三維建模效果，是室外大場景三維建模的首選。對于室內(nèi)三維建模，由于室內(nèi)環(huán)境大多被分割成單獨的區(qū)域，各區(qū)域間的連通性非常小，且單個區(qū)域內(nèi)也充滿不確定的家具擺放，其整體場景布局十分復(fù)雜，場景之間關(guān)聯(lián)性低，通視效果差[3]，增加了建筑物室內(nèi)建模的難度。傾斜攝影測量由于受到拍攝視角和環(huán)境的影響通常適用于室外或拍攝視角良好的場景，在場景布局較為復(fù)雜的室內(nèi)環(huán)境中很難獲取重建建筑物內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息，不適合用于室內(nèi)三維建模。

三維激光掃描可以用于室內(nèi)室外的環(huán)境[11]，但在大場景三維建模及室內(nèi)建模方面需頻繁換站和拼接，存在工作效率低、誤差不易控制等不足，一般僅用于局部區(qū)域三維點云信息獲取。SLAM技術(shù)無須依賴GPS及慣導(dǎo)系統(tǒng)就可進行定位，也無須頻繁換站及拼接，數(shù)據(jù)獲取及處理簡單，加之其優(yōu)良的精度和穩(wěn)定性，使其在室內(nèi)、地下等空間內(nèi)獲取點云實現(xiàn)三維建模取得了突破性的進展，成為室內(nèi)測繪和建模的最佳方法[3]，但其成本較高。相較而言，基于建筑物設(shè)計施工圖，使用3Ds Max、SketchUp等三維建模軟件重建三維模型的方法可通過建筑設(shè)計圖獲得建筑物內(nèi)部結(jié)構(gòu)詳盡的細節(jié)信息，因此可以構(gòu)建較為精細的室內(nèi)三維模型。

經(jīng)綜合考慮，本文采用無人機傾斜攝影測量技術(shù)構(gòu)建試驗區(qū)室外三維場景模型，并基于建筑物二維設(shè)計施工圖，使用SketchUp三維建模軟件構(gòu)建室內(nèi)三維模型，總體技術(shù)路線如圖1所示。

圖1? 總體技術(shù)路線

3? 基于傾斜攝影測量的室外三維模型構(gòu)建

基于傾斜攝影測量的室外三維模型構(gòu)建包含無人機傾斜攝影數(shù)據(jù)獲取、空中三角測量、密集點云生成、TIN網(wǎng)構(gòu)建、紋理映射、模型修飾等流程。

3.1? 無人機航空攝影測量數(shù)據(jù)獲取

在進行無人機航空攝影測量前，一般需利用已有的資料對試驗區(qū)進行地形分析和實地踏勘，選定無人機起飛降落場地，設(shè)計航攝參數(shù)和航線布設(shè)方法。

本次試驗區(qū)域為單位及周邊街道，測區(qū)面積0.678 446平方千米，采用大疆M300無人機，搭載RAINPOO DG4M五鏡頭相機進行航攝作業(yè)。設(shè)計航攝分辨率0.035 m，航向重疊度80%、旁向重疊度65%，整個區(qū)域分12條航帶進行作業(yè)。由于航攝視角的影響，為解決傾斜攝影測量低樓層區(qū)域存在變形、拉花、不清晰等問題，本次額外對試驗區(qū)重點辦公樓進行了特定視角的低空繞飛、手持拍攝，共拍攝2 660張傾斜影像，每張相片都自帶高精度定位信息。由于航片獲取期間均為晴天，為盡量減小航片中陰影面積，航攝時間均選在正午，且所有影像均為同一天獲取，因此無須對影像進行勻色、銳化等預(yù)處理，只需剔除起飛和降落階段的廢片即可。

3.2? 空中三角測量

采用大勢智慧三維建模軟件——重建大師進行空中三角測量，將傾斜攝影獲取的（前、后、左、右、下）5個視角的相片、低空繞飛及手持拍攝的相片、POS數(shù)據(jù)及相機屬性信息導(dǎo)入軟件中，經(jīng)全自動的影像特征點提取后進行構(gòu)網(wǎng)平差，開展空中三角測量，結(jié)果如圖2所示。本次作業(yè)采用的大疆M300無人機配備高精度GNSS（GPS+GLONASS+BeiDou+Galileo）板卡，可支持高精度POS輔助空三。因此，本項目實現(xiàn)了免像控空中三角測量，生成的空三成果連接點重投影誤差0.865 px，滿足空三測量成果精度要求和高精度建模需求。

圖2? 傾斜攝影空中三角測量

3.3? 三維模型構(gòu)建與修飾

根據(jù)空中三角測量得到的影像精確外方位元素和連接點空間位置等空三加密成果，采用重建大師，通過多視影像聯(lián)合平差、多視影像密集匹配技術(shù)，自動生成點云數(shù)據(jù)，構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)模型（TIN），并自動完成紋理映射和貼圖。由于自動生成的三維模型存在懸浮碎片（細長型物體，如電線桿、電線等）、路面不平、拉花、紋理缺失和漏洞（尤其水面這種特征點少的地方）等情況，采用三維模型修飾軟件——ModelFun對局部三維模型進行碎片刪除、置平、補漏等修飾，確保三維模型成果滿足要求，經(jīng)修飾后的三維模型如圖3所示。

圖3? 傾斜攝影室外三維實景模型

4? 基于設(shè)計圖的室內(nèi)三維模型構(gòu)建

4.1? 數(shù)據(jù)準備

本項目室內(nèi)建模部分以某棟辦公樓為試驗區(qū)，通過收集試驗區(qū)辦公樓二維施工設(shè)計圖，根據(jù)試驗區(qū)辦公室外形結(jié)構(gòu)（較為規(guī)則），選擇使用SketchUp三維建模軟件構(gòu)建試驗區(qū)辦公樓室內(nèi)三維模型。SketchUp是一款直觀、靈活、易于使用的三維設(shè)計軟件，具有操作簡易、兼容性較好等特點，廣泛應(yīng)用于城市規(guī)劃設(shè)計、建筑設(shè)計、園林景觀設(shè)計、室內(nèi)設(shè)計等領(lǐng)域。

根據(jù)收集的施工設(shè)計圖，獲取建筑物內(nèi)部布局及結(jié)構(gòu)尺寸信息。門、窗、辦公家具、綠植等組件，以及所需的材質(zhì)等都可從3D Warehouse里直接下載，為后續(xù)三維模型建設(shè)做好準備。

4.2? 確定原點和坐標系

SketchUp也使用坐標系來輔助繪圖。原點是結(jié)合實際定義整個項目坐標系統(tǒng)相對原點，一般與設(shè)計圖坐標相對應(yīng)，以確定項目方位。坐標系的設(shè)置遵循便于精確繪圖的原則，可以直接點擊軸工具，如圖4所示。設(shè)置坐標系（確定繪圖方向），綠色的坐標軸代表“X軸”，紅色的坐標軸代表“Y軸”，藍色的坐標軸代表“Z軸”，其中實線軸為坐標軸正方向，虛線軸為坐標軸負方向。先確定X、Y軸及方向，一般XY軸所在平面與建筑物平面設(shè)計圖保持一致或平行，Z軸（正北方向）根據(jù)X、Y軸自動確定。

圖4? 軸工具

4.3? 分層構(gòu)建室內(nèi)三維模型框架

將建筑物平面設(shè)計圖導(dǎo)入SketchUp中，根據(jù)設(shè)計底圖，使用SketchUp推拉工具快速構(gòu)建墻體結(jié)構(gòu)，搭建建筑物分層三維模型框架。

4.4? 參數(shù)化組件構(gòu)建

SketchUp可通過系統(tǒng)組件庫插入組件、外部載入組件、自建組件等方式載入模型組件。SketchUp系統(tǒng)組件庫中自帶有一些門、窗等組件，也可從3D Warehouse或其他網(wǎng)站下載需要的組件，但是組件的樣式不一定符合我們的要求。為使這些組件與實際樣式保持一致或盡量接近，我們可以自己通過參數(shù)化構(gòu)建或者原有組件基礎(chǔ)上進行編輯更改，制作出滿足我們需求的組件。SketchUp具有動態(tài)組件功能，動態(tài)組件是具有允許更高級功能的特殊屬性的組件，它本質(zhì)上是由參數(shù)控制的組件。通過設(shè)置組件屬性，控制組件的大?。ㄩL、寬、高）、位置（X、Y、Z）、復(fù)制次數(shù)、旋轉(zhuǎn)角度等，進而增加動態(tài)交互效果，例如開/關(guān)門、開/關(guān)窗、開/關(guān)抽屜等。本項目試驗區(qū)門窗組件也是通過參數(shù)化構(gòu)建的三維動態(tài)組件模型，一方面可通過修改組件參數(shù)重復(fù)利用參數(shù)化組件，避免同一類型相似組件重復(fù)建模。另一方面，同一組件之間存在關(guān)聯(lián)性，當(dāng)需要修改該類組件的參數(shù)時，只需修改任何一個相關(guān)聯(lián)的組件，其他所有組件也會對應(yīng)修改。

SketchUp可以制作動態(tài)組件，并具備與動態(tài)組件互動功能，進而產(chǎn)生更豐富的建模效果。以下以本項目中涉及的動態(tài)組件門和窗為例介紹動態(tài)組件的制作方法。

4.4.1? 動態(tài)組件門的制作

制作動態(tài)組件門，需先制作一個門板組件，選中制作好的門板組件，打開動態(tài)組件工具，點擊組件屬性，添加屬性信息，包含組件信息、位置、尺寸、旋轉(zhuǎn)、行為等。其中位置屬性定義了組件相對于坐標原點的距離，尺寸屬性用于設(shè)定組件沿X、Y、Z三個方向的尺寸大小，行為屬性用于設(shè)置組件的交互行為，包括材質(zhì)、縮放、隱藏、點擊、復(fù)制等行為，其中onClick（點擊）是制作動態(tài)組件必須要設(shè)置的行為屬性。onClick函數(shù)（交互函數(shù)）用于與動態(tài)組件產(chǎn)生互動，在鼠標點擊組件后，會變化數(shù)值或產(chǎn)生動作。onClick函數(shù)中經(jīng)常使用的是animate函數(shù)，即點擊鼠標時引發(fā)動作的函數(shù)，一般表達形式為animate（a， s1， s2， …， sN），表示在0.5 s內(nèi)將名為“a”的參數(shù)值循環(huán)遍歷為s1，s2，…，sN的值。

本例中門的開關(guān)主要涉及門組件的旋轉(zhuǎn)，因此，animate函數(shù)內(nèi)添加旋轉(zhuǎn)的參數(shù)設(shè)置，旋轉(zhuǎn)范圍從0°～90°，因此onClick=animate（"RotZ"，0，90），即沿著Z（藍）軸逆時針旋轉(zhuǎn)90°，創(chuàng)建好的動態(tài)門組件如圖5所示。

圖5? 動態(tài)組件——門

4.4.2? 動態(tài)組件平推窗的制作

制作動態(tài)組件平推窗，需達到點擊玻璃窗執(zhí)行平移的效果，因此，animate函數(shù)內(nèi)添加平移的參數(shù)設(shè)置，平移值為組件相對坐標原點在某個軸上移動的距離，函數(shù)onClick=animate（"X"，0，lenx），即沿著X（紅）軸移動lenx的距離，lenx為組件在X方向上的長度，由于一個完整的窗戶由兩個可以移動的玻璃窗組成，其可以移動的最大距離為lenx。當(dāng)移動距離為0時，窗戶全部關(guān)閉，當(dāng)移動距離為lenx時，半邊窗戶全部打開。當(dāng)然，也可以在animate中增加可移動的中間距離值，如animate=（"X"，0，40，lenx），如圖6所示，為其中半扇窗戶移動距離為40 cm時的狀態(tài)。

圖6? 動態(tài)組件平推窗開40 cm效果圖

4.5? 組件放置

組件收集制作好后，根據(jù)設(shè)計圖確定的位置，將門、窗等組件準確地放置在合適位置中。組件可根據(jù)需要動態(tài)調(diào)整大小，每一類組建可設(shè)置不同的屬性標記，方便根據(jù)屬性標記實現(xiàn)對組建的分類管理。

4.6? 材質(zhì)貼圖

SketchUp軟件自帶有豐富的材質(zhì)庫，可根據(jù)需要直接使用質(zhì)庫里的材質(zhì)，也可通過拍照自制材質(zhì)，這樣與實際可最大程度保持一致，方法較為簡單，這里就不再細述。分層構(gòu)建的室內(nèi)三維模型框架將門、窗等組件放置完成后，再進行墻面、地板等材質(zhì)貼圖，并進行整體檢查修飾，至此整個建筑物室內(nèi)三維模型已基本構(gòu)建完成，如圖7和圖8所示。

圖7? 室內(nèi)分層展示效果圖

圖8? 室內(nèi)整體展示效果圖

5? 結(jié)? 論

本文針對建筑物室內(nèi)、室外的不同空間結(jié)構(gòu)特征，綜合考慮效率、精度、成本等因素，設(shè)計開展了基于無人機傾斜攝影測量的大場景室外三維建模技術(shù)和基于設(shè)計圖的區(qū)域室內(nèi)建模技術(shù)探索。在試驗區(qū)域采用大疆M300無人機獲取了室外影像數(shù)據(jù)，并針對試驗區(qū)重點辦公樓進行了特定視角的低空繞飛、手持拍攝，解決了傾斜攝影測量低樓層區(qū)域存在變形、拉花、不清晰等問題，實現(xiàn)了無須像控點的高精度室外三維模型快速構(gòu)建，室內(nèi)建模方面基于SketchUp構(gòu)建了具備動態(tài)交互效果的精細室內(nèi)三維模型，打通了室內(nèi)外三維建模技術(shù)流程，一定程度上提升了用戶體驗。但目前構(gòu)建的三維模型在語義信息、場景渲染、動態(tài)交互、三維可視化等方面還存在諸多不足，三維軟件平臺支持的數(shù)據(jù)格式不一、兼容性不友好，三維成果應(yīng)用與其他行業(yè)融合不夠深入。建議融合應(yīng)用建筑設(shè)計、虛擬現(xiàn)實、3D游戲等技術(shù)優(yōu)勢，增強三維模型的動態(tài)交互感與沉浸式體驗感，促進三維模型在數(shù)字孿生、元宇宙、智慧城市建設(shè)等更多領(lǐng)域的應(yīng)用。

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作者簡介：柯元英（1988—），女，漢族，湖北黃石人，測繪工程師，注冊測繪師，碩士研究生，研究方向：測繪科技創(chuàng)新與管理等；通訊作者：沈洋（1989—），男，土家族，湖北宜昌人，測繪工程師，碩士研究生，研究方向：攝影測量與遙感內(nèi)外業(yè)生產(chǎn)技術(shù)管理、地理信息系統(tǒng)軟件開發(fā)等。