基于分層展示的傾斜攝影城市三維建模研究

趙曉玉

摘要：近年來，隨著智慧城市的發(fā)展，三維空間數(shù)據(jù)成為社會發(fā)展所必需的一種新的直觀的數(shù)據(jù)表達方式，而傳統(tǒng)的既費力又耗時、周期長的手工建模方式和傳統(tǒng)的非接觸式僅從垂直方向獲取建模影像數(shù)據(jù)的攝影測量技術(shù)已難以滿足智慧城市三維建模的復雜要求，傾斜攝影測量技術(shù)的出現(xiàn)顛覆了原有的建模拍攝角度的局限，提供了自動化、低成本、高效率和高精度的建模流程。同時基于傾斜攝影測量技術(shù)對吉林省某市三維建模數(shù)據(jù)采集技術(shù)流程進行詳細設(shè)計，使用飛機搭載五鏡頭航攝儀與固定翼無人機作業(yè)平臺對建模區(qū)域進行傾斜攝影三維建模數(shù)據(jù)采集，并采用建模軟件實現(xiàn)自動批量建模、實現(xiàn)三維模型的單體化。

關(guān)鍵詞：三維建模?傾斜攝影測量?智慧城市?單體化?分層展示

中圖分類號：P231

Research?on?Oblique?Photographic?3D?City?Modeling?Based?on?Layered?Display

ZHAO?Xiaoyu

（School?of?Geomatics?and?Urban?Spatial?Informatics，?Beijing?University?of?Civil?Engineering?and?Architecture，?Beijing，?102616?China）

Abstract：?In?recent?years，?with?the?development?of?intelligent?cities，?3D?spatial?data?has?become?a?new?and?intuitive?way?of?data?expression?that?is?necessary?for?social?development，?and?the?traditional?manual?modeling?method?which?is?laborious，?time-consuming?and?long-term?and?the?traditional?non-contact?photogrammetry?technology?which?only?obtains?modeling?image?data?from?the?vertical?direction?can?no?longer?meet?the?complex?requirements?of?the?3D?modeling?of?smart?cities.?The?emergence?of?the?oblique?photogrammetry?technology?has?overturned?the?limitations?of?the?original?modeling?shooting?angle，?and?provided?an?automatic，?low-cost，?high-efficiency?and?high-precision?modeling?process.?Based?on?the?oblique?photogrammetry?technology，?this?paper?designs?the?process?of?3D?modeling?data?collection?technology?in?a?city?in?Jilin?Province?in?detail，?collects?the?oblique?photographic?3D?modeling?data?of?the?modeling?area?by?the?aircraft?equipped?with?a?five-len?aerial?camera?and?a?fixed-wing?UAV?operating?platform，?and?realizes?automatic?batch?modeling?and?the?monomerization?of?the?3D?model?by?modeling?software.

Key?Words：?3D?modeling;?Oblique?photogrammetry;?Intelligent?city;?Monomerization;?Layered?display

近年來，城市三維模型（3D?City?Model，3DCM）生產(chǎn)日益成為測繪生產(chǎn)單位的一項重要地理信息數(shù)據(jù)生產(chǎn)任務(wù)。目前，傳統(tǒng)非接觸式攝影測量技術(shù)已難以滿足數(shù)字城市三維建模的復雜要求，傳統(tǒng)航攝影像以接近垂直角度進行拍攝，正射影像數(shù)據(jù)可快速獲取城市建筑的頸部結(jié)構(gòu)與紋理信息，然而建筑物的側(cè)面結(jié)構(gòu)與紋理卻無法從中提取[1]。傾斜攝影測量技術(shù)的出現(xiàn)有效地解決了這個問題，它通過將多臺傳感器搭載在同一個飛行平臺上，同時從4個傾斜、1個垂直的角度來進行拍攝，為建模提供了全面的數(shù)據(jù)，并且顛覆了低效率、高成本的手工建模人機交互建模等傳統(tǒng)方式[2]，大大縮短了作業(yè)時間，簡化了建模流程，降低了建模成本。本文主要以傾斜攝影測量技術(shù)為基礎(chǔ)，以吉林省某市為例，對其三維建模數(shù)據(jù)采集技術(shù)流程進行設(shè)計。

1?測區(qū)與設(shè)備介紹

測區(qū)位于吉林省某市，總面積為1?460?km2，東西橫跨距離約144?km，南北縱向距離約107?km。本項目所使用的軟硬件配置如表1所示。

2?設(shè)計內(nèi)容

2.1?測繪基準

平面坐標系統(tǒng)采用CGCS2000坐標，高程系統(tǒng)采用1985國家高程基準，成圖比例尺為1∶1000，影像分辨率為10?cm。

2.2?技術(shù)流程

技術(shù)流程如圖1所示，具體流程為：（1）對城市的地理環(huán)境地形地貌、氣候條件、空域條件以及人文環(huán)境進行充分的了解，對需要航飛的區(qū)域申請空域；（2）對主城區(qū)進行詳細的傾斜攝影航線設(shè)計，測區(qū)為兩個面積較小的建成區(qū)和一個大面積的中心城市區(qū)，所以測區(qū)分為3個測區(qū)，即a、b、c測區(qū)，如圖2所示，本次傾斜攝影a和c測區(qū)使用翼飛閃電F-26固定翼無人機搭載翼飛W5五鏡頭相機來獲取影像，b測區(qū)較大使用運5飛機搭載SWDC5航攝儀分區(qū)進行數(shù)據(jù)采集，各攝區(qū)的主要航飛參數(shù)如表2所示；（3）數(shù)據(jù)采集完成后，對像控點進行分區(qū)布設(shè)并采用GPS在野外進行測量；（4）將影像數(shù)據(jù)、相機的POS數(shù)據(jù)導入PIX4D建模軟件并刺好像控點進行空三加密與批量建模；（5）對生成的三維模型進行單體化便于對建筑物等的查詢；（6）對標志性建筑物進行傾斜攝影在建模軟件里建立單體化模型，對傾斜攝影無法采集到的遮擋的紋理數(shù)據(jù)進行補充采集；（7）將正射影像和數(shù)字高程模型進行融合建立地表模型；（8）將地表模型、建筑物單體化模型實現(xiàn)分層展示。

2.3?控制點布設(shè)

主城區(qū)像控點布設(shè)密度依據(jù)規(guī)范要求，按每個航攝分區(qū)8個平高點、1～2個檢查點，檢查點宜布設(shè)在像主點附近，不參與平高點區(qū)域網(wǎng)平差，只用于檢查加密成果的可靠性。采用區(qū)域網(wǎng)經(jīng)典布點方案，像控點采用GPS-RTK方法進行測量，由于GPS測量結(jié)果是WGS84坐標系統(tǒng)，本設(shè)計采用CGCS2000坐標系，所以在測量之前先進行坐標系的轉(zhuǎn)換[3]。

2.4?批量自動建模

首先啟動pix4d軟件新建項目，導入影像數(shù)據(jù)并編輯圖片屬性，選擇圖像坐標系及POS數(shù)據(jù)坐標系，默認是WGS84（經(jīng)緯度）坐標系，導入POS文件并編輯相機參數(shù)[4]。點擊next，彈出選擇輸出坐標系窗口，基準面選擇China?2000，坐標系選擇CGCS2000。然后選擇處理選項模板3D?Maps，可生成正射影像圖，點云和3D紋理，然后點擊finish完成創(chuàng)建。

2.5?三維模型單體化

通過空三加密和傾斜攝影自動化建模處理后所得到的OBJ或者OSGB等三維模型是一個連續(xù)的TIN數(shù)據(jù)，而GIS平臺并不能對其中特定的地物進行選擇和查詢。但是能對地物進行單獨的選中，賦予并查詢屬性，進行空間分析等操作是最基本的功能要求，因此需要對傾斜攝影模型進行拆分及單體化處理。在目前的攝影測量行業(yè)當中一般有3種方式進行單體化，分別為切割單體化、ID單體化和動態(tài)單體化[5]。本設(shè)計使用超圖的桌面軟件進行攝影測量數(shù)據(jù)模型的單體化。

2.6?標志性建筑物單體化建模

對單個高層建筑物利用多旋翼無人機飛馬D2000進行傾斜攝影來獲取影像數(shù)據(jù)，其中航線規(guī)劃采用手機軟件Altizure，然后對傾斜攝影無法拍攝到的建筑紋理數(shù)據(jù)進行補充采集，確保得到的紋理數(shù)據(jù)充足，再通過建模軟件Context?Capture來建模。

2.7?地表模型建立

地表模型實際上是數(shù)字高程模型和正射影像疊加的結(jié)果，是正射影像在高程這一參數(shù)方向的拉伸顯示。操作步驟是用ArcGIS將準備好的該市的1∶1000DEM數(shù)據(jù)和正射影像圖導出為TIFF格式，然后打開TerraBuilder將兩個數(shù)據(jù)添加進去，要保證兩個數(shù)據(jù)的坐標系一致，然后點擊工具欄的“create?MPT”，在彈出的窗口中點擊“Start?MPT”，創(chuàng)建完成后點擊ok。在“View?In?3D”菜單瀏覽效果，該市地表模型如圖3所示。

2.8?三維模型分層展示

三維模型的分層展示，就是將已經(jīng)建好的城區(qū)普通模型、經(jīng)過單體化處理和紋理修補的模型以及地表模型加載并顯示在同一區(qū)域的顯示區(qū)。因此，首先應(yīng)該對三者進行地理位置的配準。由于ArcGIS并不能直接將OSGB文件加載進去，所以需要先利用Smart3D軟件對模型文件進行重新導出[6]，其導出格式應(yīng)為Esri?I3S標準的數(shù)據(jù)格式SLPK，然后再將三維模型加載進入ArcGIS當中。在ArcGIS當中，利用move?to工具將已經(jīng)確定好的控制點位置關(guān)系進行匹配移動，從而將三者空間位置進行正確的吻合，然后再導出該模型。最后利用Skyline?TerraExplorer?Pro對三者進行加載，以實現(xiàn)分層顯示的效果。

3?結(jié)論與展望

經(jīng)過此次設(shè)計，發(fā)現(xiàn)傾斜攝影測量技術(shù)在三維建模方面的重要作用，它使三維建模的流程更加自動化、精細化，在智慧城市的發(fā)展道路上至關(guān)重要。雖然本設(shè)計已經(jīng)實現(xiàn)了絕大部分模型的制作要求，但仍然有許多細節(jié)方面并不能做到精細到位，主要包括以下幾個方面。

（1）標志性建筑物建模不完全，本設(shè)計所包含的標志性建筑物，分布較為分散，加以現(xiàn)實狀況，并沒有找到合適的辦法對每一個標志性建筑物進行單獨的傾斜攝影。因此，所完成的標志性建筑建模并不完整。

（2）建筑物單體建模精細化不夠。在對已經(jīng)單體化的建筑物模型進行模型修補和紋理貼圖時，雖然允許在不影響建筑物真實性、幾何結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，存在部分非常精細的細節(jié)信息缺失，但是，由于數(shù)據(jù)不足的原因，對模型的修改和紋理的貼圖部分，并不能完全以實際情況進行制作，因此不可避免地存在誤差。

參考文獻

[1] 華安中，孫灝.大規(guī)模中心城區(qū)精細化建模及可視化研究[J].測繪通報，2023（12）：121-126.

[2] 羅振威，李驍，劉承承，等.利用傾斜攝影與激光掃描技術(shù)構(gòu)建城市級實景三維模型[J].測繪通報，2023（12）：116-120.

[2] 焦亞沁.?基于無人機傾斜攝影測量點云數(shù)據(jù)的河流水面三維重建技術(shù)研究[D].?連云港：江蘇海洋大學，2023.

[4] 張雪冰，韋璐，鄭湘輝，等.無人機傾斜攝影三維建模軟件對比分析[J].遼寧科技學院學報，2022，24（6）：17-21.

[5] 李俊，楊德宏，吳鋒振，等.傾斜攝影測量三維模型單體化構(gòu)建及服務(wù)共享[J].軟件，2023，44（7）：79-82.

[6] 陸士好.傾斜攝影測量實景三維模型的精細化修整[D].北京：中國礦業(yè)大學，2023.