基于無人機航測的區域場景快速三維建模實現

黃文鋒 余振強

基于無人機航測的區域場景快速三維建模實現

黃文鋒1余振強2

（1.河南省科學技術信息研究院，河南 鄭州 450003；2.鄭州輕工業學院計算機與通信工程學院，河南 鄭州 450002）

傳統的測繪方式在應急場景中有一定的局限性，無人機航測具有靈活、高效的優點，能快速獲得高分辨率的影像。本文介紹了無人機航測的技術流程，基于ArcGis平臺利用生成的DOM等制作場景中地物的線畫圖和二維電子地圖，根據地物點云抽取其高程數據，快速建立起地物的框架三維模型。將框架模型導入SketchUp進行貼圖和格式轉換，實現了區域三維模型的快速建立。

無人機航測；應急場景；三維建模

1 研究背景

隨著三維建模與仿真技術的快速發展，在公共安全和突發事件應急管理領域，已逐步應用計算機模擬開展應急決策和處置的救援演練［1］。快速、高效地建立高逼真度的場景三維模型是開展應急救援和模擬演練的基礎。目前，通常采用航空攝影測量、依圖而建和三維激光掃描技術等進行場景三維建模［2］。依圖而建的方法主要是根據已有的數據資料進行建模，如地形圖、建筑物立面圖等，但由于缺乏統一標準，不同的需求需要采用不同算法，工作比較繁瑣。三維激光掃描技術通過高速激光掃描測量的方法，大面積高分辨率地獲取被測對象表面的三維坐標信息，從而建立被測對象的三維模型。但是，由于應急場景的交通等諸多不便因素導致車載三維激光掃描工作難以開展，而地基三維激光掃描儀仍需不斷搬至不同的測站以獲取被測對象的多面點云數據，其工作量繁重，無法滿足應急場景的快速建模需求。無人機航測具有機動靈活、高效快速等特點，基于無人機航測的區域場景三維建模方法能快速、高效地建立場景三維模型，對提高場景直觀性、效用性具有極其重要的現實意義。

2 基于無人機航測的場景建模技術流程

應急場景三維建模是事故發生處及周邊區域的地形、地物在虛擬現實中的映射，其中地形、道路、建筑物等是最為關鍵的建模信息。因此，地形數據、道路矢量數據、建筑物的平面幾何數據、三維高度數據和影像紋理數據是場景三維建模的核心數據。為快速、高效地獲取高質量的建模數據，采用無人機攝影測量技術獲得影像、點云、DOM（Digital Orthophoto Map）和 DSM（Digital Surface Model）數據［3］。根據生成的DOM等可以獲取場景中地物的線畫圖，根據地物點云抽取其高程數據，快速建立起地物的框架三維模型。場景建模技術流程如圖1所示。

圖1 基于無人機航測的場景建模技術流程圖

圖2 測區的DOM成果

圖3 基于航測影像的二維線畫圖

3 場景建模的實現

3.1 無人機航測外業參數設定

無人機航測可以靈活、快速地獲取高分辨率影像。本文利用Trimble UX5獲取了鄭州輕工業學院科學校區的4.8cm分辨率的航測影像，其中行高150m，航向重疊度為90%，旁向重疊度為80%。飛控軟件采用Aerial Imaging，影像處理軟件采用Trimble Business Center 3.0，獲取了測區的DOM（見圖2）。

3.2 基于DOM的場景二電子地圖制作

在ArcGis中加載面圖層及影像數據，對影像的地物進行矢量化，獲得二維線畫圖（見圖3）。

對二維線畫圖進行分類構面，并添加注記等信息，得到基于航測影像的二維電子地圖（見圖4）。

圖4 基于航測影像的二維電子地圖

3.3 場景三維模型的制作

對二維電子地圖中的建筑物添加高程字段值height，其中height字段的值通過無人機航測生成的點云數據的高程值匹配，利用二維電子地圖屬性的Extrusion選項卡選擇height字段顯示，具體實現過程為：①瀏覽矢量化數據，在ArcScene中瀏覽矢量化數據，右鍵屬性/Extrusion選項卡/選height字段顯示；②在ArcGlobe中加入影像數據，右鍵屬性/Globe Extrusion選項卡/選height字段顯示。

生成場景的三維白模型如圖5所示。

圖5 基于航測影像的場景的三維白模型

3.4 基于SketchUp的場景三維模型

為在多種三維模型平臺中進行數據交互和轉換，本文將ArcGis生成的三維模型換至SketchUp軟件平臺，通過SketchUp ESRI插件將面圖層導出為skp文件格式［4］。系統將自動讀出所選擇矢量要素所在的Feature Class，并且提供自動建模選項。在SketchUp中貼紋理的標準單元是模型個體。可以在選中狀態下，右鍵/炸開，依次對每個面進行貼圖。只有在SketchUp操作空間中，被選中的模型才能以獨立Multipatch要素導出；未被選中的模型也會被導出成Multipatch要素導出，但將作為一個整體要素存在于Multipatch圖層中。同時，SketchUp中支持模型組合功能，一旦模型被組合后，將丟失對應矢量數據源的ID值信息，這樣就無法在后期添加原始矢量數據的屬性信息。具體操作步驟為：①選擇需要導出的模型，點擊“文件/導出/3D模型”；②在指定導出模型的保存路徑時，需選擇的文件類型為“ESRI MultiPatch(*.mdb）”；③單擊導出后，系統將彈出導出高級選項，單擊“Create”，系統將彈出提示對話框，提示用戶創建Multipatch圖層（Feature Class）。原始的空間參考將被帶入到SketchUp環境中，并且在整個過程中將延續該空間參考；④單擊“OK”后，字段添加完畢，返回到導出模型的初始窗口，再次點擊“OK”，導出完成。

4 結語

本文研究了應急條件下的區域場景快速三維建模方法，利用無人機航測靈活、高效的特點獲取應急場景的DOM、點云等數據，以ArcGis為平臺利用生成的DOM等制作場景中地物的線畫圖和二維電子地圖，根據地物點云抽取其高程數據，快速建立起地物的框架三維模型。但無人機航測生成的數據成果，對地物（地形）高差較大的區域會產生形變，需進一步提高像控和空三的質量，以提高區域場景的三維建模精度。

［1］袁狄平，靳學勝，張曉麗，等.基于圖像建模的滅火救援虛擬場景生成技術［J］.滅火指揮與救援，2012（8）：853-856.

［2］李影，馮仲科，王海平，等.基于LIDAR點云的建筑物的三維建模［J］.林業調查規劃，2011（6）：29-31.

［3］史華林.無人機航測系統在公路帶狀地形測量中的應用［J］.測繪通報，2014（6）：60-62.

［4］黃銘，肖明虹.基于Sketchup和ArcGIS的城市3維建模技術研究［J］.測繪與空間地理信息，2012（8）：151-154.

No Regional Scene Aerial Man-machine Rapid 3D Modeling Based on

Huang Wenfeng1Yu Zhenqiang2
（1.Henan Provincial Institute of Scientific&Technical Information，Zhengzhou Henan 450003；2.College of Computer and Communication Engineering,Zhengzhou University of Light Industry，Zhengzhou Henan 450002）

The traditional surveying methods have some limitations in the emergency scene,the UAV aerial has the advantages of flexible and high efficiency,can quickly obtain high resolution images.This paper introduced the technical process of UAV aerial,ArcGis platform using the DOM features such as making scenes in the line drawing and 2D electronic map based on feature point cloud extraction according to its elevation data,quickly established 3D model frame objects.The framework was model was imported into SketchUp for mapping and format conversion,and the rapid establishment of 3D model was realized.

UAV aerial；emergency scene；3D modeling

U212.2；P231

A

1003-5168（2017）09-0024-03

2017-08-02

河南省科技攻關項目（162102310579，162102210146）。

黃文鋒（1966-），男，高級工程師，研究方向：信息管理；余振強（1993-），男，本科，研究方向：建筑物三維建模。