基于無人機(jī)航測(cè)的區(qū)域場景快速三維建模實(shí)現(xiàn)

黃文鋒 余振強(qiáng)

基于無人機(jī)航測(cè)的區(qū)域場景快速三維建模實(shí)現(xiàn)

黃文鋒1余振強(qiáng)2

（1.河南省科學(xué)技術(shù)信息研究院，河南 鄭州 450003；2.鄭州輕工業(yè)學(xué)院計(jì)算機(jī)與通信工程學(xué)院，河南 鄭州 450002）

傳統(tǒng)的測(cè)繪方式在應(yīng)急場景中有一定的局限性，無人機(jī)航測(cè)具有靈活、高效的優(yōu)點(diǎn)，能快速獲得高分辨率的影像。本文介紹了無人機(jī)航測(cè)的技術(shù)流程，基于ArcGis平臺(tái)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(jù)地物點(diǎn)云抽取其高程數(shù)據(jù)，快速建立起地物的框架三維模型。將框架模型導(dǎo)入SketchUp進(jìn)行貼圖和格式轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)了區(qū)域三維模型的快速建立。

無人機(jī)航測(cè)；應(yīng)急場景；三維建模

1 研究背景

隨著三維建模與仿真技術(shù)的快速發(fā)展，在公共安全和突發(fā)事件應(yīng)急管理領(lǐng)域，已逐步應(yīng)用計(jì)算機(jī)模擬開展應(yīng)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(yīng)急救援和模擬演練的基礎(chǔ)。目前，通常采用航空攝影測(cè)量、依圖而建和三維激光掃描技術(shù)等進(jìn)行場景三維建模［2］。依圖而建的方法主要是根據(jù)已有的數(shù)據(jù)資料進(jìn)行建模，如地形圖、建筑物立面圖等，但由于缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，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(shù)通過高速激光掃描測(cè)量的方法，大面積高分辨率地獲取被測(cè)對(duì)象表面的三維坐標(biāo)信息，從而建立被測(cè)對(duì)象的三維模型。但是，由于應(yīng)急場景的交通等諸多不便因素導(dǎo)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(cè)站以獲取被測(cè)對(duì)象的多面點(diǎn)云數(shù)據(jù)，其工作量繁重，無法滿足應(yīng)急場景的快速建模需求。無人機(jī)航測(cè)具有機(jī)動(dòng)靈活、高效快速等特點(diǎn)，基于無人機(jī)航測(cè)的區(qū)域場景三維建模方法能快速、高效地建立場景三維模型，對(duì)提高場景直觀性、效用性具有極其重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 基于無人機(jī)航測(cè)的場景建模技術(shù)流程

應(yīng)急場景三維建模是事故發(fā)生處及周邊區(qū)域的地形、地物在虛擬現(xiàn)實(shí)中的映射，其中地形、道路、建筑物等是最為關(guān)鍵的建模信息。因此，地形數(shù)據(jù)、道路矢量數(shù)據(jù)、建筑物的平面幾何數(shù)據(jù)、三維高度數(shù)據(jù)和影像紋理數(shù)據(jù)是場景三維建模的核心數(shù)據(jù)。為快速、高效地獲取高質(zhì)量的建模數(shù)據(jù)，采用無人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)獲得影像、點(diǎn)云、DOM（Digital Orthophoto Map）和 DSM（Digital Surface Model）數(shù)據(jù)［3］。根據(jù)生成的DOM等可以獲取場景中地物的線畫圖，根據(jù)地物點(diǎn)云抽取其高程數(shù)據(jù)，快速建立起地物的框架三維模型。場景建模技術(shù)流程如圖1所示。

圖1 基于無人機(jī)航測(cè)的場景建模技術(shù)流程圖

圖2 測(cè)區(qū)的DOM成果

圖3 基于航測(cè)影像的二維線畫圖

3 場景建模的實(shí)現(xiàn)

3.1 無人機(jī)航測(cè)外業(yè)參數(shù)設(shè)定

無人機(jī)航測(cè)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(yè)學(xué)院科學(xué)校區(qū)的4.8cm分辨率的航測(cè)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(cè)區(qū)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(shù)據(jù)，對(duì)影像的地物進(jìn)行矢量化，獲得二維線畫圖（見圖3）。

對(duì)二維線畫圖進(jìn)行分類構(gòu)面，并添加注記等信息，得到基于航測(cè)影像的二維電子地圖（見圖4）。

圖4 基于航測(cè)影像的二維電子地圖

3.3 場景三維模型的制作

對(duì)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(jī)航測(cè)生成的點(diǎn)云數(shù)據(jù)的高程值匹配，利用二維電子地圖屬性的Extrusion選項(xiàng)卡選擇height字段顯示，具體實(shí)現(xiàn)過程為：①瀏覽矢量化數(shù)據(jù)，在ArcScene中瀏覽矢量化數(shù)據(jù)，右鍵屬性/Extrusion選項(xiàng)卡/選height字段顯示；②在ArcGlobe中加入影像數(shù)據(jù)，右鍵屬性/Globe Extrusion選項(xiàng)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(cè)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(tái)中進(jìn)行數(shù)據(jù)交互和轉(zhuǎn)換，本文將ArcGis生成的三維模型換至SketchUp軟件平臺(tái)，通過SketchUp ESRI插件將面圖層導(dǎo)出為skp文件格式［4］。系統(tǒng)將自動(dòng)讀出所選擇矢量要素所在的Feature Class，并且提供自動(dòng)建模選項(xiàng)。在SketchUp中貼紋理的標(biāo)準(zhǔn)單元是模型個(gè)體。可以在選中狀態(tài)下，右鍵/炸開，依次對(duì)每個(gè)面進(jìn)行貼圖。只有在SketchUp操作空間中，被選中的模型才能以獨(dú)立Multipatch要素導(dǎo)出；未被選中的模型也會(huì)被導(dǎo)出成Multipatch要素導(dǎo)出，但將作為一個(gè)整體要素存在于Multipatch圖層中。同時(shí)，SketchUp中支持模型組合功能，一旦模型被組合后，將丟失對(duì)應(yīng)矢量數(shù)據(jù)源的ID值信息，這樣就無法在后期添加原始矢量數(shù)據(jù)的屬性信息。具體操作步驟為：①選擇需要導(dǎo)出的模型，點(diǎn)擊“文件/導(dǎo)出/3D模型”；②在指定導(dǎo)出模型的保存路徑時(shí)，需選擇的文件類型為“ESRI MultiPatch(*.mdb）”；③單擊導(dǎo)出后，系統(tǒng)將彈出導(dǎo)出高級(jí)選項(xiàng)，單擊“Create”，系統(tǒng)將彈出提示對(duì)話框，提示用戶創(chuàng)建Multipatch圖層（Feature Class）。原始的空間參考將被帶入到SketchUp環(huán)境中，并且在整個(gè)過程中將延續(xù)該空間參考；④單擊“OK”后，字段添加完畢，返回到導(dǎo)出模型的初始窗口，再次點(diǎn)擊“OK”，導(dǎo)出完成。

4 結(jié)語

本文研究了應(yīng)急條件下的區(qū)域場景快速三維建模方法，利用無人機(jī)航測(cè)靈活、高效的特點(diǎn)獲取應(yīng)急場景的DOM、點(diǎn)云等數(shù)據(jù)，以ArcGis為平臺(tái)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(jù)地物點(diǎn)云抽取其高程數(shù)據(jù)，快速建立起地物的框架三維模型。但無人機(jī)航測(cè)生成的數(shù)據(jù)成果，對(duì)地物（地形）高差較大的區(qū)域會(huì)產(chǎn)生形變，需進(jìn)一步提高像控和空三的質(zhì)量，以提高區(qū)域場景的三維建模精度。

［1］袁狄平，靳學(xué)勝，張曉麗，等.基于圖像建模的滅火救援虛擬場景生成技術(shù)［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(diǎn)云的建筑物的三維建模［J］.林業(yè)調(diào)查規(guī)劃，2011（6）：29-31.

［3］史華林.無人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)在公路帶狀地形測(cè)量中的應(yīng)用［J］.測(cè)繪通報(bào)，2014（6）：60-62.

［4］黃銘，肖明虹.基于Sketchup和ArcGIS的城市3維建模技術(shù)研究［J］.測(cè)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(guān)項(xiàng)目（162102310579，162102210146）。

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