基于DP-Modeler的實景三維校園精細化模型構建★

郭昕怡，劉 軍，陳毓潔，胡澤坤

(防災科技學院生態環境學院,河北 三河 065201)

1 概述

數字城市創建中,建筑物的三維建模占據了至關重要的地位。現實中出現過的建模方式不一而足,但經過實踐的重重檢驗,最終留下了以下幾種傳統建模方法:首先,以相框為基礎的建模方法,如使用AutoCAD,SketchUp等軟件建模;其次,以地圖為基礎的三維模型,通過將矢量范圍疊加到地圖上,對紋理圖像加以處理,以生成三維模型,如使用ESRI的CityEngine等工具。這些傳統建模方法確實在不同歷史時期起過實質性作用,但隨著建模技術的不斷成熟,這些傳統建模方法的弊端也逐漸顯現,其步驟繁雜、投入資源多且難以保障建模精度[1]。一些研究人員已經提出了新的方法來改進三維建模過程。如彭磊等創造性地在Trimble RealWorks中導入云數據,經過數據配準、點云降噪、模型創建等一系列處理,生成了更高效、更規范的三維模型[2];周平華等基于機載LiDAR點云重新構建建筑物三維模型。雖然LiDAR技術能提升建模精度,但因設備價格居高不下,且建模算法未完全成熟,因此這種三維模型目前并未得到廣泛應用[3]。劉建程等以復合翼無人機傾斜攝影測量為基礎構建實景三維模型。不可否認,實景建模確實具備高精度、高效率、高還原度三大優勢。但在建模過程中存在軟件無法處理特殊結構建筑,需人工解決,仍需進一步完善[4]。

DP-Modeler軟件是專門用于傾斜攝影三維建模的工具,它允許通過組合多個影像,準確且快速地生成三維模型。這款軟件兼容多種影像數據,同時也提供了多元化的建模工具和觀察視圖,以協助用戶構建尺寸精準、位置精確的三維模型。通過集成多種數據成果,DP-Modeler能夠提供高度可視化的環境,為用戶提供豐富多樣的建模選擇。它的交互性極佳,用戶界面簡單友好。不僅可以節約時間和資源,還能有效降低三維建模的成本。在建筑設計、土地規劃、文化遺產保護或城市規劃等領域,都發揮著重要的作用。

本文以防災科技學院北校區為研究對象,采用多旋翼無人機(Unmanned Aerial Vehicle,UAV)傾斜攝影測量手段,快速且有效地獲取了多視影像數據,且提升了影視數據的分辨率,擴大了影視數據的來源范圍。基于Context Capture軟件構建三維實景模型,通過DP-Modeler軟件,進行單體化精細建模,快速重建了校園三維精細模型。

2 無人機傾斜攝影三維建模流程

無人機傾斜攝影三維建模主要有以下關鍵步驟:一是采集外業數據;二是處理內業數據。在外業數據采集過程中,通過傾斜攝影測量技術,執行了校園北校區航飛計劃,以獲取北校區的航空影像。在內部數據處理階段,我們首先借助Context Capture軟件自動三維重建功能,構建初始化OSGB格式粗模型。并利用DP-Modeler軟件精細化處理數據。通過單體化建模技術,逐個識別和重構各個場景中的物體。同時,使用紋理映射技術,將真實的紋理信息應用到模型上,使其呈現出逼真的外觀和質感。最終,構建出實景三維精細化模型。

2.1 技術流程

本文研究的建模方法技術流程如圖1所示。

2.2 傾斜攝影測量數據獲取

本項目采用大疆Phantom4 RTK無人機執飛,這是一款小型多旋翼高精度航測無人機,專為低空攝影測量應用而設計。它具備了厘米級精度的導航定位系統和高性能成像系統,便攜易用,可以顯著提高航測工作的效率。在進行實地數據采集之前,我們需要設計飛行方案。本次飛行任務選用DJI GO APP進行航線設計,采用5向飛行方案,并利用千尋知寸FindCM網絡RTK提供的厘米級定位服務,以確保航攝操作的精確性。考慮到測區的地勢平坦,我們設定了飛行高度為120 m,航向重疊率為80%,旁向重疊率為75%,飛行速度為9.8 m/s,相機的快門速度設置為1/1 000 s,拍攝模式為等距間隔拍攝。選擇無風晴朗天氣進行外業航飛,最終共獲取了1 184張影像數據。無人機及遙控器見圖2。

與無人機配套的是DJI-FC6310R相機,該相機參數如下:焦距為8.8 mm,像素為5 472×3 648,傳感器尺寸13.2 mm×8.8 mm,像元尺寸2.41 um,表1列出了無人機飛行器和相機主要參數。根據公式(1):

(1)

表1 無人飛行器及相機的主要技術參數

其中,f為鏡頭焦距;a為像元尺寸;d為地面分辨率;計算出航高為120 m,地面分辨率為3.29 cm/pix。

2.3 校園三維場景自動化建模

實景三維建模的核心技術步驟如下:預處理數據、傾斜影像區域網聯合平差、點云密集匹配、構建不規則三角網、紋理映射、構建三維模型[5]。

2.3.1 預處理

利用Context Capture軟件進行傾斜數據處理時,需要準備的數據包括原始影像、POS數據、相機參數(焦距、像素大小等)。在三維建模前,需要對以上數據進行檢查,首先,檢查影像數據的覆蓋情況,確保其重疊度達到要求,排除云層遮擋的情況。并對原始影像進行照片重命名,以便更好地管理數據。同時,要確保POS數據、影像數據的相互對應,確保數據無缺失、無冗余,確保相機參數的完整性和準確性[6]。

2.3.2 空中三角測量

傾斜攝影測量數據建模的核心步驟是空中三角測量。使用高分辨率的多角度航拍圖像,結合Context Capture軟件和共線條件方程的理論,選取多視角區域網法進行空中三角測量,不僅可以保障信息數據的隱蔽性和安全性,還可以準確計算在物理空間中目標點的坐標,進而確定影像的方位元素[7]。

2.3.3 三維模型自動生成

通過從多視圖影像中提取同名點坐標,能夠生成高密度、高精度的三維點云數據。點云數據被用于構建不規則三角網(TIN)。通過分析三角形平面在TIN網中所處的空間位置,可以確定視點圖像的最佳紋理。借助自動紋理映射技術在三維模型中導入這些紋理,構建完整化的三維場景[8],如圖3所示。在這個過程中,需確保傾斜影像貼圖結果的色調、分辨率和原始色調、原始分辨率并無二致,也要確保紋理不會出現變形,同時要確保紋理和模型的高度適配。利用Context Capture軟件生成OSGB和OBJ格式的三維模型,為在DP-Modeler軟件下精細化修飾三維模型準備數據。

2.4 三維模型精細化構建

盡管Context Capture在重建三維場景方面起著不可替代的重要作用。但基于Context Capture的模型數據存在一些缺陷:1)生成的三維場景呈整體形式,難以對單個建筑物進行屬性賦值、入庫等單體化操作,從而給后續的部署和管理帶來了一定限制;2)三維模型包含大量數據,在加載和預覽三維場景時可能產生許多不便;3)三維模型精度相對較低,部分模型表面模糊不清,甚至存在紋理缺失和大量懸浮物等問題。由于照片是在空中拍攝的,建筑密集區和屋檐下的植被可能導致信息缺失。為了獲得更為清晰、更具廣泛應用性的實景三維模型,有必要進行精細化的三維模型構建,通過模型修飾和單體化等操作來優化模型效果[6]。

2.4.1 單體模型構建

單體化建模分為三種類型:切割單體化、ID單體化和模型重建單體化,而DP-Modeler屬于模型重建單體化的一種方法。對于那些建模效果不佳的重要建筑物,DP-Modeler通過重新繪制已有模型來改善建筑物的外觀和細節,同時對其表面進行紋理映射,使其更接近實際建筑物的外觀。為了確保建筑物的準確性,DP-Modeler利用高程信息,通過地形和地理數據對建筑物進行拉伸,以創建建筑物的基本模型。然后,根據模型坐標信息和傾斜攝影圖像進行的空三解算,選擇最適合的紋理映射到建筑物的表面,來提高建筑物模型的質量和準確性。

實際上,校園中的建筑物可將它們分為兩大類:簡單結構建筑和復雜結構建筑群。簡單結構建筑包括單獨的教學樓、宿舍樓、餐廳等,而復雜結構建筑群則由多個簡單結構建筑組成,通常形成教學區或宿舍區等整體建筑群。可依據構件和功能差異,將單個模型細分為如樓體、陽臺、樓梯、女兒墻、雨檐、欄桿、連廊等多個建筑構件。每個構件都有其獨特的功能和特征。在創建這些模型時,可使用選擇對象、繪制多線段、創建柱體、創建面、內偏移和外擴、復制、面切割等多種工具,以捕捉建筑物的輪廓線和各個構件的細節。整體建筑應該避免出現空洞表面和重疊表面,也不應該出現體積交叉,以確保建筑物在三維模型中呈現出準確且連貫的外觀。

以防災科技學院北校區的天儀樓為例,通過俯視圖模式、透視圖模式相互切換,勾勒模型輪廓,由于最終構建的模型以影像為準,并進行適當調整讓其與影像吻合,圖4,圖5分別為天儀樓的正側線框模型和后側線框模型。

對于臺階等復雜的建筑部件的創建,需“創建多邊形”后進行平分,再利用“擠出柱體”工具將樓底等高面設置為基準面,后選擇“擠出到基準面”選項,單擊樓頂輪廓面創建柱體,圖6為天儀樓臺階局部圖。

對于連廊、欄桿的制作,天儀樓二層的連廊下部有八根圓形廊柱支撐,需在地面上設置基準面,使用“擠出柱體”工具定位連廊的高度,創建多邊形,并使用內偏移、外擴工具向內偏移出一個等距的多邊形,再根據影像通過“擠出柱體”工具創建欄桿,完成連廊和欄桿建筑部件,圖7為連廊和廊柱局部圖。

對于窗戶的制作,使用面切割工具可切割出窗戶的形狀,根據mesh影像使用推拉工具將窗戶向內推拉出一定厚度,做出建筑物的凹凸結構[9]。向內推拉的過程中,選擇將出現的多余面刪掉,圖8為天儀樓窗戶局部圖。

構建完作業區范圍內全部單體模型后,可通過“錯面檢查”,檢測并刪除面積為0的面。

2.4.2 紋理映射

紋理貼圖時,選用自動紋理映射技術,將三維模型實體化,如圖9所示。接著,通過手動紋理貼圖技術精細化處理。以保證紋理貼圖外觀的清晰性、整潔性和自然性,以便于紋理能準確映射建筑物特征。

如果在某個矩形區域發現有部分被遮擋的情況,則需要手動貼圖處理紋理,以提升模型的紋理質量,如圖10所示。通常,會出現樹木或其他建筑物等遮擋物體。可以通過切換至未受遮擋部分的影像來解決這個問題。這個過程允許手動編輯和替換受遮擋區域的紋理,以確保最終的紋理貼圖達到最佳質量。這種方法有助于保證模型的外觀在視覺上更加真實和自然。

若沒有未被遮擋的可用影像,就需依賴Photoshop軟件手動貼圖,以進行交互式紋理編輯[10]。

2.4.3 單體化場景集成

在進行模型的單體化處理后,需要確保整個場景和單體建筑恰如其分地融合在一起,以保障建筑物和周邊環境的統一性、和諧性。具體整合步驟如下:區域踏平、立體刪除、批量重建。如圖11所示,在區域踏平中需要標識并清除需要踏平的建筑部分,同時對地面拼接、貼圖,讓已刪除部分的地面不至于顯得突兀,確保已刪除部分和未刪除部分能不著痕跡地連接。接下來,在DP-Modeler軟件中導入地面場景、單體建筑,進行有效整合。在DP-Modeler Mesh場景模式下,選中場景中懸浮樹木、電線桿等多余物體,利用立體刪除功能將其刪除,如圖12,圖13所示。最終達成單體建筑與整個場景和諧融合的視覺效果,圖14為單體與場景融合效果圖。

3 結論

本文基于無人機傾斜攝影測量技術,結合Context Capture,DP-Modeler等軟件,以及傳統建模技術的優點,創建防災科技學院北校區的實景三維模型。實驗結果表明,在處理傾斜模型的獨特組織結構和龐大數據量時,采用單體化處理方法具有多重優勢。

首先,單體化處理能極大地減少整個三維模型所需的存儲空間。其次,單體結構為后續應用提供了便捷的處理方式,使得在進行進一步的編輯、分析或應用時更加方便、清晰和美觀,并確保模型的細節和質量得到保持與提升。

DP-Modeler的一鍵貼圖映射技術在建筑物模型上的應用,通過將真實紋理與RGB渲染相結合,極大地提升了建筑物模型的視覺逼真度,并凸顯了其細節特征,填補了Context Capture自動三維重建中可能存在的精度不足問題。這項技術有望在實景三維建模領域大放異彩,隨著科技的不斷進步,它的應用前景將不斷擴展。它不僅可以為政府規劃決策提供更加精準的基礎數據,還有助于實現測繪成果與管線、交通等信息的無縫整合,推動數字化發展取得更為顯著的成果。

此外,實景三維建模技術的廣泛應用還可以推動數字化發展。通過將不同數據源整合到建筑物模型中,可以實現更全面的城市信息管理,提高城市基礎設施的效率和可持續性。這有助于城市更好地適應不斷變化的需求和挑戰,推動城市數字化轉型。