關于近景攝影測量及三維建模探究

摘要：近景攝影測量是通過攝影和隨后的圖像處理和攝影測量處理以獲取被攝目標形狀、大小和運動狀態(tài)的一門技術。近景攝影測量是攝影測量的一個重要分支，主要研究近景物體的三維構(gòu)建，地形測量等。三維模型已成為對象表達的一種新的數(shù)據(jù)媒介，三維建模技術能對現(xiàn)實世界中的對象逼真建模和模擬再現(xiàn)。本文主要對近景攝影測量和三維建模進行了詳細的介紹和論述，僅供參考和借鑒。

關鍵詞：近景攝影測量；三維建模；方法；對比

前言

隨著科學技術的發(fā)展和社會文明的進步，對三維測量的技術要求越來越嚴格，目前三維測量技術在航空、航天、城市規(guī)劃，地質(zhì)建模，自然災害等領域都有著廣泛的應用。數(shù)字攝影測量是一種基于全數(shù)字的測量方法，不僅測量的原始資料和記錄的中間數(shù)據(jù)是數(shù)字形式，而且攝影的地圖，模型，影像圖，數(shù)據(jù)庫以及地理信息系統(tǒng)等等都是數(shù)據(jù)形式的。隨著數(shù)字采集技術的不斷發(fā)展以及數(shù)字化概念的不斷深化，人們已不再滿足于傳統(tǒng)二維手段描述的三維信息，目前三維模型已成為繼圖像、聲音和視頻之后的第四種多媒體數(shù)據(jù)類型，物體的表現(xiàn)形式也逐漸從二維表示向三維自動化建模的方向過渡。

1、近景攝影測量概述

近景攝影測量是指利用對物距不大于300米的目標物攝取的立體像對進行的攝影測量。

近景攝影測量綜合了數(shù)字圖像處理、計算機技術、模式識別、影像匹配等多學科的理論和方法；是基于攝影測量與數(shù)字影像處理的基本原理；是用數(shù)學方式將所攝影對象的幾何與物理信息提取出來的攝影測量學。

隨著攝影測量經(jīng)過模擬攝影測量、解析攝影測量的發(fā)展，數(shù)字化攝影測量已比較成熟。而數(shù)字化近攝影測量作為它的一個應用領域，在許多方面具有優(yōu)越性，據(jù)世界各國的應用情況表明，現(xiàn)幾乎找不到未使用近景攝影測量技術的行業(yè)。所以，對近景攝影測量技術進行理論和應用研究是必要的，對提高工作效率和促進國民經(jīng)濟發(fā)展具有實際意義及使用價值。

2、三維建模方法

2.1 基于AutoCAD的人機交互式建模

對于幾何形體相對規(guī)則的建筑，常規(guī)使用免棱鏡電子全站儀對建筑物構(gòu)件的三維特征點進行散點式數(shù)據(jù)采集。采集數(shù)據(jù)同時采用“四位編碼法”對特征點編碼，并按建筑構(gòu)件分類分層存儲。繪圖時根據(jù)特征點編碼結(jié)合測繪順序在CAD中編寫LISP程序?qū)ㄖ飳崿F(xiàn)自動展點和自動連線生成線框圖。

2.2 基于掃描點云的建模

對于不規(guī)則物體，全站儀則顯得無能為力了。三維激光掃描技術克服了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集方式的不足，應運而生的模型自動化重建技術愈來愈受到重視。目前基于掃描點云的建模一般流程可概括為點云的獲取、表面重建、點云的處理與建模三個階段。以某建筑為例具體實驗步驟如下：

①點云數(shù)據(jù)獲取。實驗采用Leica C10對某樓進行掃描測量，根據(jù)該樓的輪廓特征和實際掃描范圍等影響因子。

②點云數(shù)據(jù)預處理。為了給建模階段提供較理想的點云數(shù)據(jù)，需對原始點云數(shù)據(jù)進行點云拼接、去噪、采樣等預處理。點云數(shù)據(jù)預處理既可通過算法實現(xiàn)，也可以通過掃描儀配套軟件完成。這一步操作十分重要，是決定后續(xù)數(shù)據(jù)質(zhì)量好壞和執(zhí)行效率的關鍵。

③點云數(shù)據(jù)建模。目前，對建筑物點云數(shù)據(jù)模型重建的研究多數(shù)從兩個方面展開：一方面提取建筑物的邊界特征，以特征為約束構(gòu)建三維實體模型；另一方面是直接對點云數(shù)據(jù)網(wǎng)格化，建立拓撲關系，進行表面重建和優(yōu)化。本實驗采用點云數(shù)據(jù)分割、曲面擬合以及交互組合的方法來實現(xiàn)建筑物對象的三維建模。建模步驟大致可分類以下三大步：

首先是海量散亂點云數(shù)據(jù)分割，點云分割是為下階段精細建模做準備。根據(jù)空間點的鄰域關系估算點與點間的拓撲關系，將建筑模型分割為平整墻面、屋頂和附件幾大區(qū)域。其次是分割部分精細建模，自動識別提取點云數(shù)據(jù)特征，并以此特征為約束迭代擬合模型，在此基礎上構(gòu)建三角網(wǎng)格。其次是模型拼接，根據(jù)模型間的特征及法矢拼接相鄰模型，對拼接后的兩模型公共區(qū)域部分的三角網(wǎng)進行裁剪、檢查以及模型修補和優(yōu)化。

2.3 基于近景攝影測量的建模

實驗攝影采用的是非量測型相機，以某大學建筑正門為例，根據(jù)近景攝影測量原理構(gòu)建三維模型的流程步驟如下：

①影像采集。以多攝站正直環(huán)繞攝影方式用普通相機對大禮堂進行攝影，共布設8個攝站。

②坐標解算。考慮到非量測數(shù)碼相機的內(nèi)、外方位元素的初始近似值未知以及像點、攝影中心、相應地物點間的不共線，需使用加入像點坐標改正數(shù)的直接線性變換解法，建立像點坐標與相應物點空間坐標之間的線性關系。

③繪制實體。在相片上采集一定密度的特征點并解算該特征點的三維坐標，反向投影到三維空間后借助三維繪圖軟件展繪建筑上的特征點，增補遺漏點，并利用計算機視覺技術構(gòu)建一個線框和幾何實體模型。

3、三維建模方法對比分析

基于人機交互的建模、基于掃描點云和基于攝影測量的建模這三種建模方法都是基于測量的建模方式，都需要以外業(yè)采集的三維坐標數(shù)據(jù)為基礎進行建模。

基于人機交互的建模方法應用時間較長，技術路線較成熟，國內(nèi)外研發(fā)的許多控制集成建模軟件都可以利用基本的幾何元素構(gòu)建復雜的幾何場景。這種建模方法靈活，能逼真再現(xiàn)對象的幾何結(jié)構(gòu)和表面紋理信息，適合用于對建模效果和細節(jié)要求較高的對象。但對于諸如小區(qū)、城市這樣的大規(guī)模場景，如果每個模型都進行精細建模，不僅工作量大、費時費力，而且龐大的數(shù)據(jù)量也要求計算機硬件具備配套的處理能力，這也成為日后模型調(diào)用、管理的一大瓶頸。

基于點云的三維建模方法適用于不規(guī)則對象的三維建模，三維激光掃描技術克服了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集方式的不足，提高了數(shù)據(jù)采集的精度和效率，獲得的點云數(shù)據(jù)信息量大，包含三維空間信息、顏色屬性和反射強度信息，通過一定的算法對點云數(shù)據(jù)進行處理即可快速構(gòu)建被測物體的三維模型。這種方法自動化程度高，構(gòu)建的數(shù)字模型不僅精度較高還帶有豐富的細節(jié)信息。但三維激光掃描在掃描過程中容易產(chǎn)生漏洞，且龐大的點云和數(shù)據(jù)處理技術也制約了該技術的進一步發(fā)展和廣泛應用。

基于攝影測量的建模包括近景攝影和相片處理兩個過程，且兩階段可獨立進行。攝影時可根據(jù)測量精度要求選用量測攝影機或非量測攝影機；目前相片處理技術已相對成熟，許多現(xiàn)成的成熟軟件和算法可以直接使用。這種方法建模速度快、自動化程度高。但近景攝影測量也存在一定的局限性，例如獲取影像時需要布設控制網(wǎng)，這就加大了外業(yè)的工作強度；而且影像上灰度變化不明顯部位無法獲得同名點，這也就制約著三維建模的精度。

4、結(jié)束語

通過以上的對比分析不難看出，三維模型重建過程中，建模方法和技術路線的選擇尤為重要。在實際建模過程中，應從項目的實際情況出發(fā)，分析數(shù)據(jù)采集方式和數(shù)據(jù)類型，選擇合適的建模方法。一般采集特征點及近景攝影測量技術結(jié)合建模軟件構(gòu)建簡單建筑等規(guī)則對象模型，利用三維激光掃描點云對不規(guī)則物體進行精確建模。在實際應用中會遇到或規(guī)則或不規(guī)則的建筑物，需要采用不同的數(shù)據(jù)采集技術、三維建模方法和可視化工具，因此不同建模方法應相互融合使用。

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