基于Web3D的傾斜三維實景模型漫游系統(tǒng)實現(xiàn)

范香香

(蚌埠市勘測設計研究院，安徽 蚌埠 233000)

1 引 言

隨著計算機技術和高效率測繪技術的發(fā)展以及市場的迫切需求，高逼真、快速、高效地建立三維實景場景已經(jīng)成為測繪地理信息領域的研究熱點。傾斜航空攝影在同一平臺上搭載多臺相機，從多個角度同時采集影像數(shù)據(jù)，通過軟件處理，利用傾斜航空攝影航片生成三維模型，這種三維模型能夠精準表達三維場景的地形和地表覆蓋。傾斜攝影三維建模技術具有大場景、高精度、高效率等特點，在城市規(guī)劃、交通建設等測繪中被廣泛應用[1，2]。傾斜攝影三維模型的可視化技術是影響其應用范圍的關鍵。

目前，傾斜三維實景模型漫游主要采用專業(yè)軟件平臺或者自行開發(fā)的桌面版可視化軟件來實現(xiàn)，這種方法的優(yōu)點是顯示效果好、漫游過程流暢、可拓展功能強大，但是仍存在一些問題，需要客戶安裝特定的軟件、只能局限在本機中瀏覽特定存儲的場景、三維場景更新速度慢等問題[3]。為了解決以上問題，本文探索了一種基于Web3D方式瀏覽傾斜三維實景模型的方法，免去用戶安裝軟件、消耗大量時間下載完整三維場景的過程。

2 傾斜攝影數(shù)據(jù)采集與實景三維快速重建

2.1 傾斜攝影數(shù)據(jù)的快速采集

傾斜攝影測量[3～5]是在一架飛機上搭載多個不同角度的相機(一般1個垂直、4個傾斜共5個相機)，可以在較為相似的拍攝條件下獲取不同角度的照片(如建筑物頂部、側部的特征和紋理信息)，增強數(shù)據(jù)的相關性，更能基于圖像自動化生成三維模型。通過傾斜攝影測量不僅可以生成精度較高的三維模型，還能獲取建筑物表面紋理信息，大大提高了測繪的效率，降低了三維建模的成本。本文以安徽財經(jīng)大學作為試驗區(qū)域，采用YS-8無人機搭載QX5.0傾斜攝影相機對安徽財經(jīng)大學進行拍攝，為了保證后期傾斜攝影數(shù)據(jù)質量，航向重疊率、旁向重疊率一般設在75%以上，最終獲取地面目標高分辨率多視影像數(shù)據(jù)。

2.2 實景三維快速建模

傳統(tǒng)大場景三維建模成本高、效率低，建立的模型也是簡單模型，逼真度較低。而傾斜攝影測量獲取的三維場景模型，通過多視角匹配，再進行整體聯(lián)合平差，最后通過空三解算求出測區(qū)所有影像的相片參數(shù)，平面和高程精度能滿足建立三維模型的要求。

圖1 傾斜三維實景模型快速構建流程

在野外利用無人機采集完實驗區(qū)域的相片之后，需要利用影像數(shù)據(jù)構建三維模型，本文采用Smart3D Capture軟件進行處理。首先將采集的足夠重疊度的影像數(shù)據(jù)和定位POS數(shù)據(jù)導入到軟件中進行空三加密，軟件會自動提取每張影像中的特征點，并對不同影像中同名特征點進行匹配，恢復影像的空間位置與姿態(tài)，生成高密度點云數(shù)據(jù)，然后在點云的基礎上構建地物TIN模型，再根據(jù)TIN模型形狀及位置進行模型自動紋理映射，最后進一步對模型進行整飾、編輯、質量檢查，修正建筑物畸變和部分紋理缺失等問題，得到具有高逼真的三維實景模型[6，7]，如圖1所示。利用傾斜攝影技術經(jīng)自動紋理映射之后得到的三維實景模型，如圖2所示。

同時為了后續(xù)更好轉換成Web3D三維模型格式，最后模型輸出OBJ格式的模型。OBJ文件格式是一種采用文本格式存儲的標準三維模型文件格式，就有較好的通用性，并支持模型三角面數(shù)據(jù)和材質信息，其中OBJ文件存儲如頂點、貼圖、法線等三維幾何信息，MTL文件存儲貼圖材質信息索引。

圖2 傾斜三維實景模型

3 基于Web的漫游系統(tǒng)的實現(xiàn)

3.1 Web3D場景可視化關鍵技術

三維場景往往數(shù)據(jù)量巨大，一般系統(tǒng)難以平滑瀏覽，需要采用一些數(shù)據(jù)處理和可視化技術才能保證三維場景的流暢漫游，而Web技術更是難以一次性承載大量的三維實景模型，所以如何解決海量三維實景模型流暢漫游問題是基于Web3D的三維場景可視化的關鍵技術。傾斜三維場景中包含大量三角網(wǎng)格和紋理貼圖，其數(shù)據(jù)量巨大，往往 1 km2的數(shù)據(jù)就能達到1GB左右。而基于Web的三維場景可視化不僅僅可以加載如此大數(shù)據(jù)量的三維模型[8]，還需具備三維場景的平移、旋轉、縮放、查詢等一系列功能，所以要滿足海量三維數(shù)據(jù)Web顯示，就需要通過地理分塊、多細節(jié)層次等功能上進行優(yōu)化。

為了更好滿足Web3D場景可視化關鍵技術的要求，本文采用Cesium來實現(xiàn)傾斜攝影數(shù)據(jù)的Web可視化。Cesium是一個基于JavaScript編寫的使用WebGL的地圖引擎[9，10]，用來渲染3D地球、2D區(qū)域地圖和多種GIS要素，不需要安裝任何插件就能在支持最新HTML5標準的瀏覽器上運行，支持WebGL硬件加速，非常適合動態(tài)數(shù)據(jù)在GIS圖層上的展示平臺。

Cesium為了保證web瀏覽器能穩(wěn)定加載海量傾斜模型數(shù)據(jù)，為批量模型加載添加一個快速索引和數(shù)據(jù)集的整體性描述，從而減少渲染循環(huán)中需要處理的實體數(shù)據(jù)量，最終實現(xiàn)三維模型加載效率的提升。

3.2 基于Web3D的傾斜三維實景模型漫游系統(tǒng)實現(xiàn)流程

正是Cesium已經(jīng)具備上述功能和優(yōu)點，本文采用Ceiusm平臺建立安徽財經(jīng)大學三維實景漫游系統(tǒng)，主要實現(xiàn)三維可視化漫游以及模型、屬性查詢兩大功能，具體流程如圖3所示：

圖3 基于cesium的傾斜三維實景系統(tǒng)建立技術流程圖

(1)構建的傾斜三維模型格式為OBJ格式，但是Cesium所加載的三維實景模型格式是3Dtiles，所以需要將安徽財經(jīng)大學OBJ格式的傾斜模型轉化為后綴為b3dm的3DTiles格式。3DTiles瓦片數(shù)據(jù)集是用樹形空間數(shù)據(jù)結構組織的瓦片集合，每個瓦片都有一個包圍盒完全相應的三維數(shù)據(jù)，并分塊渲染，可以大量減輕瀏覽器和GPU的負擔。同時，每一個分塊的元數(shù)據(jù)屬性以JSON格式定義，分別定義了所包圍的地理區(qū)域(boundingVolume)、屏幕視點到三維模型的距離(geometricError)、節(jié)點屬性(refine)、分塊數(shù)據(jù)的元數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)的地址(content)等內容(如圖4所示)。

本文基于NodeJs環(huán)境開發(fā)的objTo3d-tiles腳本將OBJ文件中三維幾何信息轉換成適合高效的流媒體傳輸?shù)腷3dm文件，再根據(jù)每個三維數(shù)據(jù)的元數(shù)據(jù)、顯示范圍生成JSON屬性文件，并與模型文件放在同一文件夾中，以便Cesium檢索動態(tài)加載模型。

圖4 3DTile分塊JSON數(shù)據(jù)格式[11]

(2)加入各建(構)筑物、道路、雕像等模型的空間信息和屬性信息，用于漫游系統(tǒng)中三維模型查詢、高亮顯示、疊加分析等各種空間分析功能。

(3)在Cesium的啟動頁面index.html中創(chuàng)建新的Cesium3DTileset，并加入已經(jīng)轉換好格式的安徽財經(jīng)大學三維模型路徑，即可在打開網(wǎng)頁時加載顯示傾斜三維模型。為了更好體現(xiàn)三維模型與周邊環(huán)境之間的位置關系，以bing的遙感衛(wèi)星影像為模型的底圖。

同時為了實現(xiàn)用鼠標點擊就可以查詢Cesium三維模型對象功能，首先在Cesium代碼中Viewer類options參數(shù)開啟infoBox控件，infoBox主要作為信息顯示的載體，然后編寫一個鼠標點擊觸發(fā)事件，當鼠標點擊待查詢建筑物時即可彈出相應的介紹信息。

(4)在服務器安裝和設置IIS服務，將已經(jīng)配置完成的Cesium代碼放入相應的Web目錄中，打開相應的網(wǎng)址即可利用瀏覽器漫游傾斜實景模型以及屬性的查詢，三維實景漫游系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 基于Cesium的傾斜三維實景漫游系統(tǒng)

3.3 漫游系統(tǒng)的性能測試分析

為了測試基于Cesium的傾斜漫游平臺的性能，本文在CPU為 3.3 GHz、內存為 16 G的電腦中以Chrome瀏覽器分別對不同大小的模型加載時間進行了分析，如表1所示。

不同模型大小的加載時間 表1

經(jīng)對不同大小的三維模型進行測試，基于Cesium的傾斜漫游平臺可以流暢瀏覽不同大小的傾斜三維模型，無明顯卡頓，可以滿足用戶瀏覽查詢的需求。如表1所示，加載一個180M的傾斜三維模型需要 2.33 s，而隨著模型大小的增大，加載時間線性增大，當加載 6.95 GB的模型的時間，需要耗時 8.99 s。

4 結 論

傾斜攝影三維建模具有建模效率高、真三維、全自動等特點，給三維城市模型建設帶來了新的契機，隨著傾斜自動化建模生產(chǎn)工藝的日漸成熟，傾斜三維實景模型快速高效地展示成為研究的重點。針對目前傾斜三維實景模型常需要安裝特定的軟件、只能局限在本機中瀏覽特定存儲的場景、三維場景更新速度慢等問題，在分析三維實景可視化關鍵技術的基礎上，本文建立一種基于Web3D的傾斜三維實景模型漫游系統(tǒng)，將傾斜攝影測量采集并重建的安徽財經(jīng)大學三維實景模型，利用開源地圖引擎Cesium通過瀏覽器顯示，實現(xiàn)了傾斜三維實景模型的漫游和信息查詢功能。基于Web3D的傾斜三維實景模型漫游系統(tǒng)構建簡單，更新維護成本低，用戶瀏覽查詢方便，提高了三維數(shù)據(jù)模型的使用率，將在以后的測繪成果展示和空間信息服務中扮演非常重要的角色。