基于ContextCapture實(shí)景建模及應(yīng)用

李偉哲

(陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院測(cè)繪分院,西安 710002)

0 前 言

傾斜攝影是采用傾斜相機(jī)搭載在航空飛行器上獲取地物信息的一種新型的航空攝影方法。傾斜攝影航拍與傳統(tǒng)的垂直于地面的航空攝影方式不同，傾斜攝影技術(shù)一般情況下采用5個(gè)航拍鏡頭不同角度的組合設(shè)備，同時(shí)采集下、前、后、左、右5個(gè)方向航拍影像數(shù)據(jù)，配合航空飛行器的慣導(dǎo)系統(tǒng)獲取具有較高的位置以及姿態(tài)數(shù)據(jù)，通過(guò)專門的影像數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行空中三角測(cè)量(空三)處理，將所有拍攝的影像解算至統(tǒng)一的坐標(biāo)系，通過(guò)在線分發(fā)，使用者可在線從不同的角度對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行瀏覽和量測(cè)，在信息快速獲取方面優(yōu)勢(shì)明顯。

航空器采用大疆創(chuàng)新公司的“悟”Inspire 1 Pro，其為專業(yè)的航拍飛行器，標(biāo)配含有15 mm鏡頭，擁有三軸增穩(wěn)云臺(tái)、定點(diǎn)環(huán)繞等功能，設(shè)備采用的新一代大疆自己研制的Lightbridge高清視頻無(wú)線傳輸技術(shù)。所有數(shù)碼相機(jī)和無(wú)人機(jī)的飛控參數(shù)可以完全通過(guò)移動(dòng)設(shè)備安裝的軟件來(lái)設(shè)置調(diào)整，同時(shí)其支持一鍵起飛。無(wú)人機(jī)除了擁有基于GPS在室外的導(dǎo)航系統(tǒng)外，還擁有一定條件下的視覺(jué)定位系統(tǒng)，可以在沒(méi)有外部GPS信號(hào)的條件下實(shí)現(xiàn)其自主懸停，保證無(wú)人機(jī)的安全。

采集的影像數(shù)據(jù)處理軟件采用Bentley公司的實(shí)景建模軟件：Context Capture(原名Smart 3D Capture)，可使用各種數(shù)碼相機(jī)所拍攝的影像資料，為所需環(huán)境輕松生成具有高分辨率的實(shí)景三維模型。為使用者生成可用于導(dǎo)航的三維模型產(chǎn)品，而此實(shí)景三維模型擁有逼真的細(xì)節(jié)、清晰的邊緣和精確的幾何特性。可以按照自己的工作需要，采用任何尺寸或分辨率來(lái)創(chuàng)建所需三維模型。擁有數(shù)碼照片紋理的、并且按照地理位置采用坐標(biāo)系統(tǒng)定位的三維模型，這些模型產(chǎn)品都直接從影像資料中解算生產(chǎn)。

1 數(shù)據(jù)采集

測(cè)區(qū)是以龍首壩壩址為中心的矩形區(qū)域，區(qū)域長(zhǎng)約500 m、寬500 m，共0.25 km2，相控點(diǎn)布設(shè)較密，其間距約為80 m，相控點(diǎn)采用RTK動(dòng)態(tài)采集。無(wú)人機(jī)航拍采用DJI“悟” Inspire 1 Pro拍攝，掛載相機(jī)ZENMUSE X5，鏡頭焦距15 mm，傳感器尺寸M4/3，有效像素1 600萬(wàn)。傾斜影像獲取采用正射及前后左右傾斜30°共5個(gè)方向獲取，測(cè)區(qū)設(shè)置航向重疊度80%，設(shè)置旁向重疊度70%，航拍相對(duì)航高大約200 m，地面分辨率約為5 cm，飛行架次5次，采集照片數(shù)量356張，共2.16 GB。經(jīng)確認(rèn)，影像完整，相控點(diǎn)清晰可見(jiàn)，可以使用,即完成外業(yè)的航測(cè)數(shù)據(jù)采集工作。

2 數(shù)據(jù)處理

通過(guò)新建工程，設(shè)置工程目錄，填寫必要的備注信息，即可成功創(chuàng)建一個(gè)工程。在空白工程的新區(qū)塊導(dǎo)入影像數(shù)據(jù)后，如圖1。

圖1 ContextCapture導(dǎo)入影像信息界面圖

圖2 航拍點(diǎn)及連接點(diǎn)概略3D視圖

根據(jù)測(cè)區(qū)實(shí)際情況選擇投影坐標(biāo)系并導(dǎo)入相控點(diǎn)，對(duì)每個(gè)架次的影像進(jìn)行刺點(diǎn)操作。無(wú)人機(jī)航拍時(shí)自帶GPS定位系統(tǒng)，并將拍照時(shí)的概略位置信息實(shí)時(shí)寫入了照片的EXIF信息內(nèi)，故無(wú)需再次將位置數(shù)據(jù)導(dǎo)入其中。但是因?yàn)檎掌胁](méi)有包含姿態(tài)數(shù)據(jù)，所以在導(dǎo)入照片以后，圖1中提示“影像信息不完整”，需要通過(guò)第一步的空三處理來(lái)獲得每一幅參與解算影像的精確位置信息及角元素信息。同時(shí)，輸出了擁有連接點(diǎn)的概略3D視圖模型，如圖2，根據(jù)該連接點(diǎn)模型，查看空三結(jié)果是否正確，同時(shí)檢查空三后相控點(diǎn)的精度結(jié)果，避免因模型分層、影像位置信息錯(cuò)誤、匹配漂移、相控點(diǎn)刺點(diǎn)錯(cuò)誤等原因使得空三結(jié)果不滿足要求，造成后期的返工，確保處理工作順利進(jìn)行。

當(dāng)完成所有解算影像的匹配，即具有了完整且精確的位置信息及角元素信息，相控點(diǎn)的匹配精度也滿足要求，就是完成了初步空三解算[1]。

3 成果輸出及應(yīng)用

在完成初步空三解算基礎(chǔ)上提交新的生產(chǎn)項(xiàng)目，就可以使用ContextCapture生產(chǎn)各種不同格式的產(chǎn)品成果，其中包括三維網(wǎng)格(如圖3)、點(diǎn)云、正射影像等多種類型?？梢詫?dǎo)入各種各樣軟件進(jìn)行瀏覽編輯，甚至直接參與勘察設(shè)計(jì)。

圖3 ContextCapture生成三維網(wǎng)格模型圖

3.1 3MX、S3C文件格式

這兩種格式都是ContextCapture自帶的三維模型數(shù)據(jù)格式，其中S3C格式是原軟件未被Bentley收購(gòu)之前叫做Smart3D時(shí)使用的模型格式，可以手動(dòng)配置S3C索引文件來(lái)合并傾斜模型數(shù)據(jù)，但模型接邊高程有較小的差值。3MX格式是可以在Bentley軟件中使用的通用格式，可以在Bentley Microstation[2]進(jìn)行模型參照，如圖4，在Bentley Descartes中對(duì)模型進(jìn)行一定的修改?；贐entley公司強(qiáng)大的Microstation系列軟件可以多種操作，可以完成多種設(shè)計(jì)，規(guī)劃等工作。

圖4 3MX文件導(dǎo)入Microstation作為參照?qǐng)D

3.2 OSG等通用文件格式

圖5 在清華山維EPS中提取OSGB的元素信息圖

OSG(OSGB)是目前應(yīng)用最廣且開源的通用文件格式[3]，OSG支持骨骼動(dòng)畫、關(guān)鍵幀動(dòng)畫等各種流行的動(dòng)畫，它可以將3DStudio Max創(chuàng)建的模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成為OSG格式，導(dǎo)入數(shù)據(jù)到項(xiàng)目中進(jìn)行操作，osgAnimation庫(kù)里擁有大量的動(dòng)畫實(shí)用類。而在OSG相關(guān)的擴(kuò)展中，最引人注意的是osgEarth、VPB和osgOcean，它們可以幫助開發(fā)者制作一個(gè)功能強(qiáng)大并且完善的三維地形數(shù)據(jù)展示系統(tǒng)，osgEarth的功能與GoogleEarth類似,且地形的生成效率可與GoogleEarth媲美。osgOcean是OSG的海洋擴(kuò)展模塊，其特點(diǎn)是可以非常逼真地仿真大面積水域，同時(shí)還可以在此基礎(chǔ)上做二次開發(fā)，做更多的功能應(yīng)用。

清華山維的EPS作為與南方CASS類似功能的軟件，無(wú)需基于AutoCAD就可以獨(dú)立使用，它可以導(dǎo)入OSGB格式的三維模型文件，如圖5。通過(guò)軟件內(nèi)置的編輯功能可以提取三維模型中的點(diǎn)、線、面等元素信息[4]，具有與南方CASS同樣的繪圖功能，但由于用戶普及率較低，與用戶的交互性相對(duì)較弱。由于EPS可以進(jìn)行二次開發(fā)，不同格式和編碼的轉(zhuǎn)化、批量化操作等都可以通過(guò)腳本來(lái)完成[5]。

3.3 OBJ文件格式

OBJ文件格式是Wavefront軟件公司為它的3D建模和動(dòng)畫軟件“Advanced Visualizer”開發(fā)的一種標(biāo)準(zhǔn)三維模型文件數(shù)據(jù)格式，很適合用于3D軟件模型之間的互相轉(zhuǎn)換。OBJ文件是一種采用文本格式存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)文件，可以直接用寫字板等的文本編輯軟件打開進(jìn)行查看和編輯修改[6]。

現(xiàn)在幾乎所有著名的3D應(yīng)用軟件都支持對(duì)OBJ格式文件的讀寫，如：3D Studio Max、Autodesk Maya、Geomagic等。在建模軟件中無(wú)法直接編輯其生產(chǎn)的產(chǎn)品，通過(guò)在這些軟件中的編輯等操作，可以解決建模成果一些無(wú)法自動(dòng)識(shí)別的誤差及錯(cuò)誤，可以通過(guò)ContextCapture中的“導(dǎo)入修飾模型”功能，將修改之后的模型導(dǎo)入工程文件，更新產(chǎn)品模型，生產(chǎn)更加符合要求、且更精細(xì)的模型產(chǎn)品。

3.4 STL文件格式

STL文件格式是最多快速原型系統(tǒng)所應(yīng)用的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)文件類型。STL是采用三角網(wǎng)格來(lái)展現(xiàn)三維模型。STL文件格式簡(jiǎn)練，其只描述三維物體的幾何位置信息，并不支持顏色及材質(zhì)等數(shù)據(jù)信息，它是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)處理、數(shù)字幾何處理、數(shù)字幾何工業(yè)應(yīng)用支持的最常見(jiàn)文件格式。

使用模塊化的CATIA提供產(chǎn)品的風(fēng)格和外型設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)、設(shè)備與系統(tǒng)工程、管理數(shù)字樣機(jī)、機(jī)械加工、分析和模擬等。CATIA軟件基于開放式可擴(kuò)展的V5架構(gòu)。

通過(guò)導(dǎo)入STL文件，不包含紋理信息，只需要將模型中影響因素剔除掉，替代了原有的加載數(shù)字線畫圖形式，可以在白膜的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)加載建筑等BIM模型[7]，如圖6，使得設(shè)計(jì)工作更加準(zhǔn)確、直觀。

圖6 STL文件與設(shè)計(jì)文件疊加在CATIA圖

3.5 Google Earth KML文件格式

Google Earth KML是一種可以導(dǎo)入谷歌地球軟件用于展示的三維模型格式，在谷歌地球軟件應(yīng)用廣泛的前提下，它也可以作為瀏覽器快速地、方便地瀏覽三維模型，如圖7。但是由于谷歌地球軟件所使用高程數(shù)據(jù)即為SRTM3，精度90 m，所以在導(dǎo)入模型內(nèi)插時(shí)，位置信息及高程信息并不準(zhǔn)確，僅可以用作展示。Google Earth軟件具有良好的開放性且多樣化，高分辨率衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)不斷累積，可以通過(guò)人工，提高模型精度，必然會(huì)改變未來(lái)勘察設(shè)計(jì)應(yīng)用及作業(yè)模式，有力推動(dòng)三維模型的發(fā)展應(yīng)用[8]。

圖7 Google Earth KML疊加在軟件中展示圖

3.6 正射影像、DSM

現(xiàn)在基本上空三解算軟件都可以生產(chǎn)正射影像及DSM的產(chǎn)品，利用行業(yè)所熟知的ArcGIS導(dǎo)入該產(chǎn)品，在ArcScene中將正射影像與DSM疊加展示，形成可視的三維模型，也可以在其中提取所需要的元素信息[9]，例如點(diǎn)、線、面、坡度等元素。也可以單獨(dú)將正射影像導(dǎo)入CAD軟件中，作為底圖，提取影像上所需要的地物類信息，方便快捷。

3.7 三維點(diǎn)云

三維激光掃描技術(shù)又稱之為實(shí)景復(fù)制技術(shù)，是測(cè)繪學(xué)領(lǐng)域繼GNSS技術(shù)之后的再一次技術(shù)創(chuàng)新革命，具有效率高、精度高等的優(yōu)勢(shì)。三維激光掃描技術(shù)能掃描物體表面的三維模型點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過(guò)該技術(shù)獲取的地形圖，精度可靠、作業(yè)效率高。對(duì)于布設(shè)在岸坡陡峭且植被稀少地形中的水電樞紐等工程，其應(yīng)用優(yōu)勢(shì)尤為明顯[10]。

三維點(diǎn)云是其產(chǎn)品成果，在技術(shù)不斷更新的情況下，ContextCapture已經(jīng)支持點(diǎn)云與傾斜攝影配合的建模方法，具有更高的精度。編輯軟件也是多種多樣，諸如LP360、Terrasolid、CATIA、MicroStation、AutoCAD等，為點(diǎn)云的應(yīng)用提供多樣的方案。

4 實(shí)景建模存在問(wèn)題的分析

雖然傾斜攝影技術(shù)基本上能夠全面地展示實(shí)際情況，新的技術(shù)也逐漸得到開發(fā)及應(yīng)用。但是該技術(shù)目前仍然存在一定的問(wèn)題需要改進(jìn)。

(1) 無(wú)人機(jī)航拍幾乎成為傾斜影像數(shù)據(jù)采集的應(yīng)用基礎(chǔ)，靈活的作業(yè)方式、方便的采集手段、較高的采集精度都是無(wú)人機(jī)的優(yōu)勢(shì)。但是它的續(xù)航是數(shù)據(jù)采集效率的短板，續(xù)航能力成為其推廣的制約條件，研發(fā)體積小、重量輕、容量大的能源載體迫在眉睫。

(2) 在后期計(jì)算時(shí)，航攝比例尺不一致、分辨率不統(tǒng)一、地表物體遮擋等原因?qū)е聰?shù)據(jù)存在一定的粗差，影響后期影像空三計(jì)算結(jié)果的精度。應(yīng)加強(qiáng)對(duì)傾斜攝影大量冗余的合理利用，提高匹配精度、減少影響。

(3) 在傾斜攝影的產(chǎn)品生產(chǎn)中，某些區(qū)域存在模型缺失或產(chǎn)品失真等問(wèn)題，無(wú)法完整清晰表達(dá)，是由影像數(shù)據(jù)不完整或地物遮擋所導(dǎo)致。需要通過(guò)再次航拍補(bǔ)測(cè)、人工相機(jī)拍攝或車載近景攝影測(cè)量將缺失數(shù)據(jù)補(bǔ)全。

(4) 激光雷達(dá)技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入我們的視野，在無(wú)人機(jī)和車載技術(shù)的支持下，可以用它得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)將地表的植被、構(gòu)筑物、移動(dòng)物體等數(shù)據(jù)信息分類提取應(yīng)用，且激光雷達(dá)技術(shù)擁有較高的數(shù)據(jù)精度，將其加入數(shù)據(jù)處理的原始數(shù)據(jù)中，與傾斜攝影相結(jié)合，可以提高空三計(jì)算的效率、三維模型數(shù)據(jù)精度、傾斜實(shí)際產(chǎn)品效果等。在進(jìn)行修模作業(yè)時(shí)，大大減少了人工修改、構(gòu)筑物分類、單體化分類的工作量。雖然目前采集成本較高，但是優(yōu)勢(shì)明顯，必將得到廣泛應(yīng)用。

(5) 計(jì)算機(jī)技術(shù)成為模型產(chǎn)品生產(chǎn)的基礎(chǔ)，單機(jī)的低效率同樣制約模型的生產(chǎn)效率。近些年通過(guò)對(duì)計(jì)算機(jī)的硬件性能提升、軟件算法的改進(jìn)優(yōu)化、增加多節(jié)點(diǎn)并行計(jì)算的功能，已經(jīng)很大程度上改善的生產(chǎn)效率問(wèn)題，將僅僅由計(jì)算機(jī)參與的生產(chǎn)時(shí)間壓縮到較短的范圍。

5 結(jié) 語(yǔ)

基于ContextCapture實(shí)景建模及應(yīng)用技術(shù)，改變了傳統(tǒng)的測(cè)繪行業(yè)作業(yè)方式，并且大幅提升了測(cè)繪作業(yè)效率，節(jié)約大量外業(yè)工作時(shí)間，同時(shí)協(xié)助設(shè)計(jì)工作從簡(jiǎn)單的平面畫圖為基礎(chǔ)轉(zhuǎn)變到了以三維模型為基礎(chǔ)，大大增加了設(shè)計(jì)的直觀性和三維模型的適用范圍，可以滿足不同的工程需要。傾斜攝影實(shí)景建模技術(shù)具有高效率、高還原度、以及快速獲得海量地理信息數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，傾斜攝影技術(shù)日趨成熟，不斷發(fā)展，應(yīng)用將更加廣泛。三維技術(shù)不斷向高科技和數(shù)字化的方向發(fā)展，未來(lái)必將成為測(cè)繪的核心技術(shù)，成為數(shù)字城市的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。