淺談實景三維模型可視化方法研究

李聰聰

（北京建筑大學，北京100044）

隨著智慧城市建設的不斷發展，計算機數字可視化和通信技術的不斷升級，城市管理體系不僅需要大數據支撐體系下的數據統計和分析功能，更需要具有真實直觀效果的模擬場景。實景三維模型是智慧城市建設的數據基礎，是智能化位置服務、場景化建筑設計和應急保障服務的必備條件。本文基于應用場景，對比分析了現階段實景三維模型的構建方法，為智能化城市管理服務提供可行的參考依據。

1 實景三維模型應用場景

實景三維模型的構建和研究對于互聯網地圖的發展具有重大研究意義，為智慧城市實景地圖的可視化提供真實感強、模擬程度高的地圖服務數據。實景是基于對真實地物拍攝、數據抽象采集技術實現的可視化模擬形式。目前，國內針對實景三維模型可視化的應用主要體現在：城市實景、景點實景、實景商家、實景房產、室內全景秀及校園實景等方面，但較為成熟的服務是城市實景和景點實景。

2 實景三維模型構建方法

實景三維模型的構建主要包含幾何模型的構建和表面紋理的可視化，現階段的實景三維模型構建主要分為傳統人工建模、傾斜攝影快速建模、激光點云成像建模、深度學習場景建模，本文將基于模型構建方法和可視化場景進行對比分析。

2.1 傳統手工建模

傳統意義上的實景三維模型構建主要是通過人機交互的方法，將二維的紋理數據與三維的幾何模型進行手動匹配，以實現模型近乎真實的可視化效果。常用的手工建模方法主要是基于二維的AutoCAD 圖紙，利用三維模型構建軟件進行重構。以3dmax 為代表，以大比例尺地形圖為基礎數據，對城市景觀三維模型進行對象化的人工構建，再利用紋理采集的材質貼圖數據對模型表面進行紋理映射。這種方法構建的模型成果精度較高，且滿足智慧城市建筑物單體化的GIS 操作和應用，每一個模型對象成果和其它實體對象是分離開的。現階段隨著高精度的建筑信息模型BIM的發展和應用，運用該模型構建的實景三維模型更加具備建筑物全要素數據的構建和存儲，對于消防應急領域、房屋管道設計、建筑室內導航等應用廣泛。

2.2 傾斜攝影快速建模

隨著無人機設備的不斷發展與升級，五鏡頭攝影范圍及多視角拍攝的廣泛應用，顛覆了以往正射影像只能從垂直角度拍攝的局限，利用傾斜攝影搜集地物場景影像數據并快速建模成為大面積實景三維模型構建的關鍵技術。無人機傾斜影像快速建模是利用多視角且高重疊度的影像數據，通過空三密集點云處理技術，根據影像中物體的像點坐標與相機焦點坐標，匹配計算地物實際的物點坐標，并按照相應的地物坐標系統構建地物量測范圍內的實景三維模型。常用的傾斜攝影模型快速構建軟件有ContextCapture（原為Smart3D）、空客的街道工廠以及Skyline 的PhotoMesh 等。該方法模型構建的速度快、可視化效果直觀，但構建的模型為大區域的MESH 網，不具備地物單體化能力，適合應用在量測范圍較廣、地物可視化程度高的大區域場景中。

2.3 三維激光掃描建模

三維激光掃描建模方法主要分為空基激光掃描和地基激光掃描這兩種方法，通過采集地物實體的點云數據信息和紋理數據信息，利用點云配準、點云重建、點云分割、三維重建以及紋理映射，最終構建出地物實體的實景三維模型。近年來，三維激光掃描技術由于其高精度的測量特點，在傳統的古建筑數字化模型構建方法中得到了廣泛應用。該方法構建的實景模型較為精細，但由于工程造價成本較高，在實際應用中難以得到大量推廣使用。

2.4 SLAM快速掃描建模

視覺SLAM 是近年來新興的測繪行業即時定位與地圖構建，其最早使用在軍事化領域中，在現階段室內定位與導航應用中的研究較為廣泛。SLAM技術是利用機器人在未知環境中從一個未知位置開始移動, 在移動過程中根據位置估計和地圖進行自身定位，同時在自身定位的基礎上建造增量式地圖，實現機器人的自主定位和導航。該方法構建的實景三維模型具有較高的精度和可視化效果，但由于SLAM建模依賴于濾波器的選擇，所以對于誤差需要進行不同的檢測和改正方法。目前SLAM設備器材處于壟斷階段，具有較為昂貴的設計成本。

2.5 深度學習場景建模

利用深度學習算法進行多視角重建是近年來計算機視覺領域中三維重建新興的實景模型構建方法。其經典的方法之一是多視角立體視覺（MVS,mutiple view stereo）,主要分為區域增長和深度融合，利用CNN 模型進行多幀的立體匹配，以實現對實體地物的三維重建及可視化。該方法的精度較高，具有良好的可視化效果。

3 結論

實景三維模型作為智慧城市建設和可視化智能管理的基本地理空間地圖數據，其精度的提高和真實場景重現能力的改善是實景模型和地圖服務研究的重要領域?，F階段的實景三維模型構建方法適用于不同的應用場景，需要依據用戶實際應用需求進行定制。同時，隨著大數據和室內定位導航領域的快速發展，實景地圖作為新型的表現形式對軟硬件的要求也愈發重要，部分模型構建方法的可視化效果良好、精度高，但由于昂貴的數據采集成本，為可視化進程中的數據處理帶來了較為嚴苛的挑戰。本文列舉的現階段實景三維模型構建方法均具有一定領域和場景應用范圍內的優勢，也在不同程度上有所欠缺，如何在提高實景三維的模型精度和可視化程度的同時，兼顧便捷發展并實現廣泛的工程化應用，是今后的一個重要研究課題。