一種基于多源數據融合的文物三維建模方法

羅秋 李國柱 甘淑

摘 ?要： 針對基于單一數據源對建筑物進行三維模型時，建模質量、精度、完整性具有一定的局限性使得后期修模耗時、耗力、效率低下等問題，以昆明市某文物建筑為研究對象，基于多源數據融合技術，提出一種基于計算機視覺理論中的基本原理進行多源坐標系的統一、基于主成分分析進行初始點云配準的方法，進而提出一種融合多種數據源對文物建筑進行精密三維建模的方法，并比較該方法與單一數據源建模方法的優劣。實驗結果證明基于多源數據融合進行三維建模的方法，使各種古建筑三維建模技術優缺互補，規避了使用單一激光點云而無法滿足古建筑頂部及局部細節三維建模的問題，使建模數據采集的手段多樣化。

關鍵詞： 多源數據融合;三維激光掃描技術;傾斜攝影測量;三維建模

中圖分類號： TP3 ? ?文獻標識碼： A ? ?DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.08.033

本文著錄格式：羅秋，李國柱，甘淑. 一種基于多源數據融合的文物三維建模方法[J]. 軟件，2020，41（08）：120-124

【Abstract】： Based on a single data source for building 3d model， the modeling quality， accuracy， integrity， has certain limitations allow late module and time-consuming， low power consumption， efficiency and other issues， a cultural relic buildings in kunming as the research object， based on multi-source data fusion technology， puts forward the basic principle based on computer vision theory to the unity of multi-source coordinate system， based on principal component analysis method for the initial point cloud registration， and then put forward a kind of fusion of a variety of data sources for historical building precision of 3d modeling method， and compares the pros and cons of this method with single data source modeling methods.Experimental results show that based on multi-source data fusion method for 3d modeling， make each modeling technology to carry on the complementary advantages， solves the oblique photography dioramas details of complementary and precise modeling， laser point cloud can't satisfy the top and detail modeling problem， enrich the modeling means of data collection， meet the needs of the project for all kinds of data accuracy.

【Key words】： Multi-source data fusion; Three-dimensional laser scanning; Oblique photogrammetry; 3D modeling

0 ?引言

文物建筑是城市歷史文化的主要載體，孕育了大量的歷史人文精神，留下了大量古建筑文化信息，是在研究我國不同時期各個方面發展的重要的實物參考資料[1]。但由于歷史悠久、長期暴露在外面，受自然和人為的影響，文物不可避免的受到一定程度的損害。在旅游業蓬勃發展的今天，如何完整的保存古建筑的原始面貌，防止或減少古建筑繼續被破壞，是擺在世人面前的一個非常重要問題[2]。

目前，對于古建筑進行三維建模的方法主要有基于三維激光掃描技術的三維建模[3-6]、基于無人機傾斜攝影測量技術的三維建模[7-8]、傳統的有CAD建模[9]、3ds MAX建模[10]、OpenGL建模[11]方法等。由于基于單一數據源的三維建模有很大的局限性，對于一些小范圍的三維建模能夠滿足精度需要，但隨著場景的增大，建筑物結構變得更加復雜，很難準確的將大場景建筑的模型細節完整表達出來，精度也很難達到要求。

隨著測繪技術的發展，三維建模中引進了基于多源數據融合的三維建模方法，該方法證明數據源的多重融合能更好的根據用戶需求，對建模對象的進行分層處理，達到最好的融合效果。目前，由于項目需求，基于多種數據源進行建模，成為大規模場景的進行三維建模的最主要方法。然而，如何選擇數據源種和最后將多種數據源融合成效果較好的模型是主要研究問題[12]。本文采用的多源數據是：激光點云數據、傾斜影像數據、全景影像數據。

1 ?多源數據融合技術

多源數據融合技術是將同一目標或對象在多個平臺上采集的各種不同的數據源，按照選定的算法規則融合處理，得到更為精確、更為完整、更加有效的信息，用以合成包含新的時、空特點及光譜特征的影像，以實現對目標或場景的綜合描述[13-17]。該技術的目標在于將基于多平臺、多數據源信息進行融合，從而針對不同數據源的特點，從各個數據源中提取各自優點，進行互補，得出更完整、精確的數據信息。

本文的多源數據融合技術流程包含三大步驟：（1）預處理：主要針對目標物體，不同采集方式采集的多源數據進行預處理，包括坐標統一、點云配準;（2）多源數據融合：包括將多源異構的激光點云數據及傾斜攝影數據進行處理后進行三維建模，然后進行點云融合。

1.1 ?多源坐標系的統一

1.3 ?多源信息數據融合及建模

多源數據主要包括地面三維激光掃描數據、無人機傾斜攝影影像數據、全景影像數據。將各種數據進行預處理達標后，提取點云數據，最后進行多源數據的融合。

2 ?項目案例

2.1 ?經幢概況

地藏寺經幢位于昆明市拓東路，幢高7.8米，由五段砂石拼成幢為方錐狀塔，共有七級，八面形石幢。其上雕刻有300尊神像，大神像高達1米，小神像5至7厘米。第一層雕刻了四大天王，第二層雕刻有四方佛等40尊角分雕四神;第三層以上雕佛像、菩薩等。第四層雕有藥師佛等物。經幢第五層圓雕四只迦樓羅。第六層最為吸引人的地方在于，四面雕仿木構殿堂各一座。殿內供三世佛及佛弟子，雕刻極為精細，而且殿堂仿木構造惟妙惟肖。第七層幢為柱形，雕刻著小佛像。

2.2 ?控制點布設

利用昆連續運行基準站（KMCORS），在測區（文物古建所在區域）布設CGCS2000控制點至少3個，采用“一點一方位”的方法，按照二級導線點要求計算。經幢選取市博物館停車場布設控制點JZ01、JZ02、JZ03，如圖2所示。

3 ?數據獲取與處理

多源數據采集流程如下。

3.1 ?激光點云數據獲取與處理

數據獲取：主要采集古建筑立面點云數據。根據精度要求，采用FARO S350掃描儀采集數據。該型號設備采用閃電激光技術，將相位測距技術與脈沖測距技術結合，可以在高速掃描的同時，達到高精度和遠距離的目標，其測距精度為1 mm，測程350 m，掃描速度為976000 pts/秒，1個掃描測站只需要2至3分鐘即可完成。

激光點云數據預處理：針對外業獲取的激光點云存在數據量大、數據雜亂、噪聲點多等問題，因此要進行數據預處理，包括多站點云拼接、點云去噪、著色等基本操作，技術流程如下：

3.2 ?傾斜影像數據獲取與處理

主要采集經幢頂部及周圍的影像。擬用精靈4Pro進行低空航飛采集數據，利用無人機管家智能航測助手進行航線設計和任務執行。設計獲取數據地面分辨率為2.5厘米，飛行參數中飛行高度設置為100米，航向重疊率設置為80%，旁向重疊率設置為80%，航線之間的距離為30米，采集過程如圖6。

數據處理：數據處理是傾斜攝影測量三維建模的核心步驟，數據精確程度影響著后續建模質量的好壞，數據處理流程圖如圖7所示。

3.3 ?全景影像制作

全景影像數據采集主要使用高分辨率單反相機，在環境光相對均勻的陰天進行拍攝。拍攝時采用自動對焦模式進行采集。建筑外光線明亮且均勻，可以直接進行色彩采集。（1）拍攝連續性照片：由于拍攝全景圖無法一次將360度場景拍攝下來，應依據事先設定的角度依次拍攝下來，并將重疊度設置為15%，記錄相機的拍照參數;（2）影像縫合：使用影像處理軟件對數據進行對齊、變形和混合處理;（3）調整個別照片的效果：對拍攝質量不好的照片進行調整;（4）全景圖輸出：按照要求制作全景影像，供人瀏覽。

4 ?多源數據融合

在模型三維重建過程中，無人機傾斜影像和補拍的全景影像通ContextCapture進行區域聯合平差、多視影像密集匹配等步驟生成三維點云數據，然后將地面三維激光點云導入進行數據融合，進一步構建不規則三角網TIN，再進行紋理映射，最終生成高質量三維模型，建模流程如圖8所示。

4.1 ?三維激光掃描數據與傾斜攝影技術的融合

由于本文三維激光掃描數據與空中傾斜攝影數據不是同一個坐標系統，則先對空中傾斜攝影數據進行空中三角測量，再將三維激光掃描數據直接構建成模型，將空中傾斜攝影數據與三維激光掃描數據利用同名點拖到同一個坐標系統中，繼而融合兩種數據，最后構建出融合三維激光掃描數據和傾斜攝影數據的實景三維模型[21]。

4.2 ?傾斜攝影測量數據與全景影像數據的融合

由于本文采集的地面全景數據不具有地理坐標，則將地面全景數據與傾斜攝影數據分別進行空三加密，解算出每張像片拍攝時的位置及姿態信息，然后對空中傾斜攝影數據直接構建模型，通過空中和地下的同名點，將地面近景數據與空中傾斜攝影數據固定在同一個坐標系統中，再將兩種數據的空中三角測量結果融合，最后構建出二者結合的實景三維模型[21]。

5 ?三維建模結果與精度分析

5.1 ?建模結果

根據建模流程，分別對三維激光點云數據、傾斜攝影測量數據、全景影像數據以及三種數據融合分別進行三維建模，得到單一數據源建模與多源數據融合建模效果對比圖，如下圖所示。

5.2 ?建模精度對比

（1）單一激光點云三維建模精度為0.000289 m。

（2）單一傾斜影像建模精度，如表1所示。

（3）多源數據融合建模精度，如表2所示。

由表可知，精度達到測圖要求。

（4）從建模外觀來看，有以下結論

①基于地面三維激光點云的三維建模比較精細，精度分布均勻，能夠保證建筑立面細部的完整性，可獲取整個立面的詳細點云信息，可以更精細地還原出細節部分的結構，但是對建筑物進行紋理映射時，需要大量人力。

②基于傾斜攝影測量技術的三維建模，能夠獲取大量的地物立面的紋理信息和幾何信息，模型整體效果較好，無明顯漏洞，但在建筑物底部及遮擋區域出現了模型扭曲、粘連、紋理失真等問題。

③融合多源數據的三維模型建模較之以上兩者三維場景更加完整，幾何與紋理細節也更加豐富，能夠完全反映真實文物，進行自動化三維建模。

6 ?結論

通過實驗證明了不同的數據源，建模效果各不相同。本文基于多源數據融合技術，結合地面三維激光掃描技術、傾斜攝影測量技術對古建筑進行三維建模，通過各單一數據源建模以及多源數據融合的方式進行建模比較分析，表明空-地多源數據的融合會互相取長補短，發揮各自優勢。將這些數據有效地融合可以提高模型的精度和可靠性、達到最好的效果，同時，也能減輕生產成本，提高生產效率，將會成為以后三維建模的主要方法。

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