試論三維航測(cè)及建模技術(shù)

李 凡 廖基強(qiáng)

（經(jīng)通空間技術(shù)（河源）有限公司，廣東河源 517000）

在現(xiàn)代化社會(huì)中，三維建模在數(shù)字化城市規(guī)劃發(fā)展中具有無限潛力，促使該技術(shù)逐漸成為學(xué)術(shù)界高度關(guān)注的重要話題，通過模擬三維構(gòu)筑物形象，強(qiáng)化大眾的視覺體驗(yàn)。此次研究對(duì)以航測(cè)法為基礎(chǔ)的三維建模技術(shù)進(jìn)行研究，通過此次研究提升三維建模的工作效率。

1 航測(cè)法建模流程

三維建模前需要做好事前準(zhǔn)備工作，明確建模的具體內(nèi)容、收集充足的建模數(shù)據(jù)、整理建模需要的各種軟件等相關(guān)事。大批量構(gòu)建各種影像資料，借助影像模型矢量測(cè)圖，在此基礎(chǔ)上提出三維模型，對(duì)模型進(jìn)行完善優(yōu)化，提交模型。

（1）根據(jù)待測(cè)建筑工程所在的區(qū)域，獲取航測(cè)區(qū)域，根據(jù)航洲區(qū)域生成折線形飛行航線，設(shè)置航飛參數(shù)，獲得每條航線的絕對(duì)航高。

（2）利用無人機(jī)航測(cè)獲取航測(cè)數(shù)據(jù)，通過空中三角解析法進(jìn)行圖像解析，將系列二維航拍圖像轉(zhuǎn)換為所述待測(cè)建筑工程的三維密集點(diǎn)云，處理數(shù)據(jù)，獲得所述待利建筑工程的數(shù)字線劃地圖和數(shù)字表面模型，得到實(shí)景三維模型。

（3）剔除實(shí)景三維模型上的干擾物，利用模型消除干擾物后遺留的孔隙周圍的高程擬合曲面，利用所述曲面填充孔隙，基于修復(fù)后的實(shí)景三維模型生成真實(shí)地表點(diǎn)云。

（4）基于所述實(shí)景三維模型及真實(shí)地表點(diǎn)云進(jìn)行所述待測(cè)建筑工程實(shí)景巡查，得到所述待測(cè)建筑工程的相關(guān)施工執(zhí)行數(shù)據(jù)。

（5）基于所述待測(cè)建筑工程的三維規(guī)劃設(shè)計(jì)和施工執(zhí)行數(shù)據(jù)的比對(duì)，研究井下達(dá)施工調(diào)度指令，對(duì)調(diào)度指令執(zhí)行效果進(jìn)行檢查和糾偏。

三維航測(cè)技術(shù)的主要目的是提高強(qiáng)化建模效率，降低建模成本。

2 三維航測(cè)建模技術(shù)

2.1 前期準(zhǔn)備

（1）準(zhǔn)備充足的建模數(shù)據(jù)。

①原始影像：無人機(jī)航拍建設(shè)區(qū)域獲取各種影像資料。

②控制資料：涉及構(gòu)建物的建筑標(biāo)高以及水平位置的影像資料。

③相機(jī)參數(shù)：對(duì)照相機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)。

④其他資料：航拍略圖能夠有效判斷影像資料是否需要進(jìn)行旋轉(zhuǎn)處理。

（2）建模軟件準(zhǔn)備工作。

建模軟件準(zhǔn)備工作包括矢量測(cè)量工具、攝像檢測(cè)工具、構(gòu)筑物三維建模工具、模型編輯工具、模型紋理處理工具、模型操作工具。

2.2 三維建模方法

（1）結(jié)合工程項(xiàng)目的實(shí)際作業(yè)場(chǎng)所，明確航拍的具體范圍，清晰指出航拍的路線，合理設(shè)置航拍的相關(guān)參數(shù)，獲取無人機(jī)航拍的標(biāo)高。

（2）記錄無人機(jī)獲取各種數(shù)據(jù)信息，借助三角解析法構(gòu)建項(xiàng)目的三維密集點(diǎn)云，對(duì)航拍數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)處理，獲取實(shí)體化的三維模型。

（3）將實(shí)體三維模型中的各種雜物、干擾物全部消除，借助模型中遺留的各種空隙構(gòu)建曲面，使用構(gòu)建的曲面填充模型匯總的空隙。

（4）結(jié)合三維模型與密集點(diǎn)云，對(duì)建設(shè)工程的實(shí)際情況進(jìn)行核查，獲取施工的各種數(shù)據(jù)。

（5）對(duì)施工數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，檢查施工的實(shí)際效果，對(duì)偏差進(jìn)行糾正。

（6）獲得無人機(jī)在航拍范圍內(nèi)的相位控制點(diǎn)與檢測(cè)點(diǎn)，相位控制點(diǎn)應(yīng)在整個(gè)測(cè)量區(qū)域內(nèi)均勻分布，保證控制點(diǎn)的分布與檢測(cè)區(qū)域的邊緣保持合適的距離。檢測(cè)點(diǎn)應(yīng)在測(cè)量區(qū)域內(nèi)均勻分布，針對(duì)關(guān)鍵性檢測(cè)區(qū)域必須設(shè)置檢測(cè)點(diǎn)。

（7）三維建模應(yīng)以實(shí)際場(chǎng)景作為參考進(jìn)行建模，在建模的過程中利用目視方式辨別模型中可能產(chǎn)生干擾的干擾物，將模型中的干擾物全部刪除。干擾物刪除后模型會(huì)存在一部分空隙，應(yīng)利用控制附近的高程模擬一個(gè)曲面，使用模擬的曲面完成對(duì)空隙的填充，構(gòu)建一個(gè)嶄新的三角網(wǎng)，模型具備一個(gè)新的結(jié)構(gòu)。

（8）將上一個(gè)環(huán)節(jié)中構(gòu)建的新機(jī)構(gòu)三維模型作為依據(jù)進(jìn)行裝飾模型的紋理映射，能夠獲取一個(gè)經(jīng)過修復(fù)的實(shí)體三維模型。

（9）結(jié)合修復(fù)后的三維模型，建立能夠有效計(jì)量數(shù)據(jù)信息的密集點(diǎn)云數(shù)據(jù)。在航拍范圍內(nèi)最少舉行五次不同航線的飛行，必須保證至少一次路線以垂直角度進(jìn)行拍攝。

（10）借助前期無人機(jī)航拍獲取的各種數(shù)據(jù)信息，如正射影像、高程數(shù)據(jù)、pos數(shù)據(jù)、坐標(biāo)系數(shù)據(jù)等，處理三角網(wǎng)測(cè)量工作，生成一種未出現(xiàn)變形的圖像，該圖像能夠有效為后期的控制點(diǎn)提供便利。對(duì)前期所分布的控制點(diǎn)進(jìn)行匹配，完成空中三角網(wǎng)解析，獲取具有較高精準(zhǔn)度的密集點(diǎn)云。

（11）獲取工程項(xiàng)目的密集點(diǎn)云數(shù)據(jù)后，應(yīng)利用數(shù)據(jù)庫對(duì)項(xiàng)目的等高線自動(dòng)進(jìn)行處理，對(duì)檢測(cè)區(qū)域內(nèi)部分位置的截面進(jìn)行繪圖并補(bǔ)充，獲取數(shù)字化地圖。

（12）在獲取工程項(xiàng)目的密集點(diǎn)云數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建需要檢測(cè)的數(shù)字模型，對(duì)模型的局部進(jìn)行優(yōu)化，構(gòu)建一個(gè)完善的實(shí)體化三維模型，結(jié)合獲取的數(shù)字化信息對(duì)三維模型進(jìn)行規(guī)劃與設(shè)計(jì)。

3 三維建模應(yīng)用及分析

此次研究主要以校園內(nèi)的建筑物為研究對(duì)象，在實(shí)際分析過程中，主要對(duì)三種建模技術(shù)進(jìn)行研究。

3.1 基于AutoCAD的人機(jī)交互式建模

針對(duì)幾何形狀、物體外觀形狀比較規(guī)則的建筑物，一般使用全站儀對(duì)建筑物的構(gòu)件特征進(jìn)行測(cè)量。此次針對(duì)建筑物的數(shù)據(jù)收集活動(dòng)，使用“四位編碼法”對(duì)建筑物的特征進(jìn)行編碼，結(jié)合建筑物的構(gòu)件類型合理進(jìn)行存儲(chǔ)。

在實(shí)際繪圖的過程中，應(yīng)結(jié)合編碼的特點(diǎn)以及繪圖的順序，在繪圖軟件中完成建筑物自動(dòng)展點(diǎn)與線路生成。以同濟(jì)大學(xué)某學(xué)生住宿樓為研究對(duì)象，在繪圖軟件中完成連線，獲取線框圖中的多個(gè)特征點(diǎn)信息，特點(diǎn)信息都處于圖像的豎直面中。三維繪圖過程不是簡(jiǎn)單的點(diǎn)位測(cè)量或點(diǎn)位連接，應(yīng)結(jié)合實(shí)際檢測(cè)點(diǎn)情況對(duì)建筑物的變形、施工、標(biāo)高進(jìn)行分析，采用多元化的方法來對(duì)線框圖進(jìn)行合理處理，構(gòu)建一個(gè)完善的三維模型。

3.2 基于掃描點(diǎn)云的建模

（1）獲得點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

實(shí)際試驗(yàn)的過程中，使用LeicaC10完成對(duì)學(xué)生住宿樓的測(cè)量工作，能夠有效檢測(cè)建筑物的外觀輪廓，實(shí)際檢測(cè)時(shí)總計(jì)設(shè)置16站。

（2）對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

為了保證后期獲取較精準(zhǔn)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，需要對(duì)初始化的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，例如拼接、消除噪聲、采集等。點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理較簡(jiǎn)單，直接通過幾何算法即可實(shí)現(xiàn)，還可以借助掃描儀等輔助性工具完成。點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)非常重要，會(huì)直接對(duì)后期的數(shù)據(jù)質(zhì)量造成決定性影響。

（3）點(diǎn)云數(shù)據(jù)建模。

①獲取建筑物的邊界信息，將建筑物的特征作為三維模型的約束條件。

②直接對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)格化處理，生成一種拓?fù)潢P(guān)聯(lián)，對(duì)模型的表層進(jìn)行優(yōu)化。此次試驗(yàn)通過點(diǎn)云數(shù)據(jù)分割處理、曲面擬合的方式完成三維建模的目標(biāo)。

③對(duì)大批量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分割處理，分割數(shù)據(jù)的目的是為下一步精細(xì)化處理奠定基礎(chǔ)；借助先進(jìn)的工具提取點(diǎn)云數(shù)據(jù)的特征，并作為擬合模型的約束條件，構(gòu)建一個(gè)三角網(wǎng)格；結(jié)合模型特征連接相鄰模型，對(duì)拼接后公共部分的三角網(wǎng)格進(jìn)行優(yōu)化。

3.3 基于近景攝影測(cè)量的建模

（1）影像采集。

以多站點(diǎn)環(huán)繞拍攝的方式對(duì)建筑物進(jìn)行拍攝，共計(jì)設(shè)置8個(gè)拍攝點(diǎn)。全站儀獲取坐標(biāo)數(shù)碼相機(jī)并獲取圖片→將圖像導(dǎo)入處理軟件→圖像裁剪→結(jié)合特征點(diǎn)對(duì)圖像進(jìn)行糾正→對(duì)糾正后的圖像進(jìn)行矢量化→獲得古建筑的立面圖。

（2）坐標(biāo)解算。

將已經(jīng)加入像素點(diǎn)坐標(biāo)的直線性坐標(biāo)點(diǎn)作為圖片中隨意一點(diǎn)的坐標(biāo)，其中共存在11個(gè)變換參數(shù)。

（3）繪制實(shí)體。

在圖像中提取具有一定密度特征的坐標(biāo)點(diǎn)，結(jié)算該坐標(biāo)點(diǎn)的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，在三維模型中投影具體位置，修補(bǔ)模型中的遺漏點(diǎn)，利用建模軟件構(gòu)建一個(gè)實(shí)體三維模型[1]。

3.4 三維建模方法效果分析

三維激光掃描技術(shù)較適合使用在建筑物外形不規(guī)則的場(chǎng)景中。三維激光掃描技術(shù)相對(duì)于傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集方式，其自身的優(yōu)勢(shì)更突出，能夠有效強(qiáng)化數(shù)據(jù)采集的精準(zhǔn)性與采集效率，獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)信息的規(guī)模量得到大幅度提升，點(diǎn)云數(shù)據(jù)的內(nèi)容更豐富，涉及顏色、強(qiáng)度以及空間方面的信息。利用幾何算法能夠快速處理建筑物的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，構(gòu)建三維模型。相較于其他方法，三維激光掃描方法自動(dòng)化程度更高，數(shù)字建模的精準(zhǔn)度較高，附帶更多的細(xì)節(jié)信息，但在激光掃描的過程中易出現(xiàn)漏洞。

4 結(jié)語

綜上所述，在實(shí)際構(gòu)建三維模型時(shí)，建模的方法與建模技術(shù)的選擇至關(guān)重要，建模方法與技術(shù)的選擇應(yīng)結(jié)合建筑物的實(shí)際情況確定。結(jié)合實(shí)際情況，不應(yīng)局限于某一個(gè)建模方法或技術(shù)，應(yīng)結(jié)合工程項(xiàng)目自身的實(shí)際情況進(jìn)行選擇。通常情況下，針對(duì)緊急拍攝、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、建筑物外形規(guī)則的對(duì)象進(jìn)行建模時(shí)，可以考慮使用激光掃描方式進(jìn)行建模。若在實(shí)際建模時(shí)面臨不規(guī)則的建筑物時(shí)，應(yīng)選擇不同的數(shù)據(jù)收集技術(shù)或其他合理的建模工具。