多技術(shù)融合在城市三維建模中的應(yīng)用

楊曉玉，王彥君，王冬梅，張 偉，張懷亮

(合肥財經(jīng)職業(yè)學(xué)院，安徽 合肥 231201)

隨著數(shù)字城市、智慧城市的快速發(fā)展建設(shè)，出現(xiàn)了一種新型的智慧城市發(fā)展模式：數(shù)字孿生城市建設(shè)。數(shù)字孿生城市是在虛擬的網(wǎng)絡(luò)空間里，再造一個與城市物理世界匹配、對應(yīng)的城市，實(shí)現(xiàn)城市全要素虛擬化、數(shù)字化以及可視化[1]。數(shù)字孿生城市建設(shè)的重要空間基礎(chǔ)設(shè)施之一是高仿真的城市三維模型。如何能快速、高質(zhì)量、大面積地進(jìn)行城市三維模型建設(shè)已成為數(shù)字孿生城市建設(shè)研究的熱點(diǎn)之一。傳統(tǒng)城市三維建模是利用大比例線劃圖、影像以及實(shí)地拍照，人工建模，這種方式效率低、周期長，人力成本高[2]。近年來，利用傾斜攝影測量自動進(jìn)行城市三維建模也越來越多，但由于傾斜攝影拍攝有死角，導(dǎo)致建筑底部模型常有局部細(xì)節(jié)變形、紋理不清等問題。針對上述問題，提出了利用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)、車載激光雷達(dá)技術(shù)，結(jié)合全周期監(jiān)理檢查機(jī)制，多技術(shù)融合進(jìn)行城市三維模型建設(shè)的方法，本文詳細(xì)闡述了該方法的相關(guān)技術(shù)概述、技術(shù)路線以及三維建模的關(guān)鍵點(diǎn)，為其他城市開展相關(guān)工作提供技術(shù)參考。

1 相關(guān)技術(shù)概述

1.1 無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)

無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)是航測領(lǐng)域新興起的技術(shù)，是在無人機(jī)平臺上搭載相機(jī)，可在同一位置不同角度獲取地面影像的技術(shù)。它具有如下幾大特點(diǎn)：一是可獲取高分辨率的垂直、傾斜影像；二是可從不同角度獲得真實(shí)的地物側(cè)面紋理信息；三是可使用軟件進(jìn)行自動三維建模；四是三維建模場景逼真，可準(zhǔn)確進(jìn)行地物定位和地物細(xì)部信息表達(dá)[3]。

1.2 車載激光雷達(dá)技術(shù)

車載激光雷達(dá)技術(shù)是地面移動測量技術(shù)的一種，它利用快速定位測量和近景攝影測量信息量大等優(yōu)點(diǎn)，對地物進(jìn)行激光掃描，獲得地物的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并通過點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以快速地進(jìn)行三維模型建設(shè)。車載激光雷達(dá)技術(shù)具有如下幾大特點(diǎn):一是通過機(jī)動車搭載激光雷達(dá)掃描設(shè)備，對地物進(jìn)行反復(fù)掃描，可獲取目標(biāo)地物大量點(diǎn)云數(shù)據(jù)[4]；二是適合條形地物特征的目標(biāo)快速掃描；三是在獲得目標(biāo)地物地理位置數(shù)據(jù)和點(diǎn)云數(shù)據(jù)的同時，還可以獲得地物屬性信息。

2 技術(shù)路線

利用多技術(shù)融合實(shí)現(xiàn)城市三維建模工作技術(shù)路線包括五個核心部分：前期準(zhǔn)備、數(shù)據(jù)采集處理、三維模型建模、三維模型檢查驗收以及貫穿整個三維建模工作的全周期監(jiān)理檢測機(jī)制。技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 技術(shù)路線圖

(1)前期準(zhǔn)備，無人機(jī)傾斜攝影測量和車載LiDAR掃描相關(guān)資料收集和整理，主要包括編寫文檔、航飛和車載LiDAR準(zhǔn)備。編寫文檔包括工作技術(shù)、技術(shù)設(shè)計、作業(yè)要求和標(biāo)準(zhǔn)等內(nèi)容；航飛準(zhǔn)備包括航攝區(qū)、設(shè)備以及人員準(zhǔn)備；車載LiDAR準(zhǔn)備包括車輛、掃描設(shè)備以及人員。

(2)數(shù)據(jù)采集處理，主要包括兩方面內(nèi)容:一方面是無人機(jī)傾斜攝影；另一方面是車載LiDAR地面移動掃描。數(shù)據(jù)采集處理流程如下：一是無人機(jī)傾斜攝影航飛后獲得數(shù)碼影像、航跡線以及原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)，車載LiDAR地面移動掃描獲得車載路線以及點(diǎn)云數(shù)據(jù)；二是對無人機(jī)傾斜獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)、車載LiDAR獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理；三是進(jìn)行空三加密和精度檢查。

(3)城市三維建模，利用三維自動化建模軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行三維建模，形成城市三維實(shí)景模型，并對地物不清楚的紋理可利用車載LiDAR獲取的紋理數(shù)據(jù)進(jìn)行校對和融合，從而形成城市三維模型。

(4)城市三維模型檢查驗收，對建好的三維模型進(jìn)行質(zhì)量檢查，合格后，形成最終的城市三維模型成果。

(5)全周期監(jiān)理檢測機(jī)制，在三維建模工作整個實(shí)施過程，引入了全周期的監(jiān)理檢查機(jī)制，保障城市三維模型建模工期和城市三維模型質(zhì)量。

3 三維建模關(guān)鍵點(diǎn)

3.1 像控點(diǎn)布設(shè)

根據(jù)《低空數(shù)字航空攝影測量外業(yè)規(guī)范》要求，對像片控制點(diǎn)進(jìn)行布點(diǎn)。點(diǎn)位布設(shè)應(yīng)注意幾方面內(nèi)容:一是布設(shè)的范圍需覆蓋整個航飛區(qū)域；二是布設(shè)的點(diǎn)位需均勻分布；三是航攝范圍線凹角轉(zhuǎn)折處、凸角轉(zhuǎn)折處需布設(shè)平高點(diǎn)。本文采用的無人機(jī)具有RTK高精度定位且小面積進(jìn)行測圖可以免像控，像片控制點(diǎn)布設(shè)密度可適當(dāng)放寬，原則上相鄰像片控制點(diǎn)間距不超過300米，具體布設(shè)點(diǎn)位應(yīng)遵循道路分布情況。

3.2 點(diǎn)云處理

點(diǎn)云數(shù)據(jù)是對地物表面進(jìn)行掃描獲得的三維激光數(shù)據(jù)，主要包括兩部分:一部分是通過無人機(jī)傾斜攝影獲得;另一部分是通過車載LiDAR掃描獲得，這樣可以提高模型的精細(xì)程度。由于點(diǎn)云數(shù)據(jù)來自兩部分且點(diǎn)云在不同位置反映的地物不同，需要對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行融合、處理和分類。點(diǎn)云數(shù)據(jù)融合處理主要采用去噪濾波的方法。當(dāng)處理完畢后，會對點(diǎn)云數(shù)據(jù)自動分類，主要包括地面點(diǎn)云和非地面點(diǎn)云。自動分類后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)在經(jīng)過人工辨別后，對點(diǎn)云進(jìn)行細(xì)分，最終獲得點(diǎn)云數(shù)據(jù)成果。點(diǎn)云成果示意圖如圖2所示。

圖2 點(diǎn)云成果示意圖

3.3 空三加密

空三加密是傾斜攝影進(jìn)行城市三維建模前的重要操作，其目的是將無序影像構(gòu)建出一個與現(xiàn)實(shí)接近的空間模型。空三加密的主要步驟包括以下五步：第一，將POS數(shù)據(jù)作為參數(shù)，采用多層影像金字塔自動匹配的方法實(shí)現(xiàn)影像特征點(diǎn)的提取；第二，同名特征點(diǎn)進(jìn)行自動匹配，獲取影像連接點(diǎn)；第三，對影像控制點(diǎn)和影像連接點(diǎn)進(jìn)行整體區(qū)域網(wǎng)光束法平差，從而計算出影像加密點(diǎn)；第四，進(jìn)行影像外方位元素反算、多視角影像聯(lián)合解算操作，確保平差精度；第五，空三加密完成。空三加密流程示意圖如圖3所示。

圖3 空三加密流程示意圖

3.4 三維模型自動建模

目前，利用傾斜攝影測量進(jìn)行三維建模采用自動化建模，常用軟件有ContextCapture(Smart3d)、大疆智圖、PhotoScan以及Pix4D Mapper等[5]。本文利用ContextCapture軟件進(jìn)行三維自動化建模。三維建模主要包括六個步驟:一是利用影像范圍確定建模的范圍；二是生成密集點(diǎn)云，根據(jù)空三加密成果進(jìn)行多視角影像密集匹配，從而獲得高密度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)；三是構(gòu)建三維TIN網(wǎng)格，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的三角網(wǎng)優(yōu)化；四是根據(jù)三角形空間位置，自動化將映射最佳效果的影像作為模型紋理并貼圖，從而形成三維模型初步成果；五是對模型中存在的問題進(jìn)行修飾，如，模型變形、模型漏洞等；六是通過質(zhì)量檢查后，形成三維模型成果。三維模型自動建模流程示意圖如圖4所示，三維模型成果示意圖如圖5所示。

圖4 三維模型自動建模流程示意圖

圖5 三維模型成果示意圖

4 質(zhì)量控制

4.1 全周期三維建模監(jiān)理檢查機(jī)制

城市三維建模工作任務(wù)緊、投資大以及周期短，為保障城市三維建模工作能保質(zhì)保量完成，引入了全周期三維建模監(jiān)理檢查機(jī)制。具體流程:一是建立三維建模監(jiān)理小組，編寫三維建模監(jiān)理實(shí)施方案；二是對三維建模過程中的基礎(chǔ)工作、技術(shù)設(shè)計審查、無人機(jī)傾斜攝影、車載LiDAR掃描、外業(yè)核實(shí)、三維模型檢查等工作進(jìn)行全周期監(jiān)理；三是形成項目監(jiān)理報告，并提交給項目驗收小組，作為項目驗收材料。全周期三維建模監(jiān)理檢查流程如圖6所示。

圖6 全周期三維建模監(jiān)理檢查流程

4.2 三維模型質(zhì)檢

城市三維模型質(zhì)檢是三維建模工作中重要的一個步驟，直接關(guān)系最終三維模型的好壞。通過成立項目質(zhì)檢小組，對航飛、車載LiDAR掃描、到三維建模各道工序進(jìn)行檢查，如若發(fā)現(xiàn)質(zhì)量不合格，不能開展下一階段工作。城市三維模型質(zhì)檢包括車載LiDAR點(diǎn)云質(zhì)檢、航飛影像質(zhì)檢、空三加密質(zhì)檢、三維自動化建模質(zhì)檢、紋理質(zhì)檢以及三維模型成果質(zhì)檢[6]。三維模型成果檢查內(nèi)容示意表如表1所示。

表1 三維模型成果檢查內(nèi)容

5 結(jié)語

本文研究了利用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)、車載激光雷達(dá)技術(shù)，結(jié)合全周期監(jiān)理檢查機(jī)制，多技術(shù)融合進(jìn)行城市三維模型建設(shè)的方法，該三維模型成果較好地保證了與現(xiàn)實(shí)世界的擬真度，適合用于數(shù)字孿生城市建設(shè)的城市三維模型構(gòu)建。但也存在一定的不足:一是需要航飛和車載掃描兩次地物，且需要人工干預(yù)，三維建模成本增加；二是建模的周期較傳統(tǒng)方式增加約30%，比直接利用傾斜攝影建模的周期長。