一種三維實景建模技術的應用研究

牛麗娟，李立功，朱仁義，張福榮

（1.陜西鐵路工程職業技術學院，陜西 渭南 714099；2.自然資源部第一地理信息制圖院，陜西 西安 710054）

當前信息技術的高速發展推動著各行業技術以及管理水平的不斷提升。近年來，我國的大型建設項目越來越多，這些投資具有規模大、建設周期長、參建單位多、項目管理要求高以及全生命周期智能化管理等特點，因此新技術新方法在各行業中的應用已非常廣泛。例如，在三維渲染快速展示、快速算量精確提升、碰撞檢查減少返工等方面具有明顯優勢的BIM技術已廣泛應用于各工程建設項目中，通過統一的平臺，將設計、施工和運營等諸多環節聯系到一起，以統一、標準、直觀的方式向不同的用戶進行呈現，極大地解決了工程建設領域協調性差、整體性不強等問題。

信息技術的高速發展不僅提升了各行業的技術與管理水平，還進一步增強了標準化、精細化管理的需求。實現標準化、精細化的管理，實時、快速、高效地獲取數據，進行相應效果的展示應用，是各行業的必然要求。目前，三維實景建模技術在計算機圖形圖像研究、GIS等領域已成為研究熱點，在考古、交通、國土資源、建筑物復原、影視等行業都有著非常廣泛的應用[1-3]。實景建模技術包括正向建模和逆向建模兩種，就建筑物和大場景模型創建的實時性和效率而言，逆向建模方法比正向建模方法更具優勢。目前常用的實景建模軟件包括Smart3D、Geomagic Studio、PhotoScan等，綜合考慮界面設置、可擴展性、與其他圖形圖像軟件互聯互通以及人為參與等方面，本文選取Agisoft PhotoScan作為實景建模軟件進行三維實景模型創建的應用分析。

1 模型創建

通過對各行業三維實景建模需求進行對比分析發現，建筑施工階段對建筑物及其周圍場景（地面、地上及地下）三維實景建模的實時性、速度和效率要求較高，因此本文以建筑的三維實景模型為例，對三維實景建模的實時性、效率和應用進行分析，并研究了實景建模技術數據獲取與建模的效率。

目前，建筑施工領域的三維實景建模主要包括施工現場的三維展示、施工方案優化、技術交底以及施工組織方案比選等4個方面。根據建筑施工現場的規律和特點，兼顧建筑施工三維模型的時效性需求，數據獲取宜采用大范圍、方便、快速、實時性高的采集方法，如利用無人機等進行數據采集，因為大部分施工現場具有植被覆蓋率較低、場地較空曠的特點。由于本文主要研究的是三維實景建模技術的數據采集方法和建模效率，因此研究數據采用已建房屋的無人機航測數據。三維實景模型應用的研究思路如圖1所示。

圖1 三維實景模型應用研究思路

對建模物體進行連續性的數據采集后（主要是影像數據），即可導入到Agisoft PhotoScan軟件中進行建模處理，獲得三維模型。該軟件基于數學方法，結合相機的基本原理，通過對觀測物體的幾十張甚至上百張照片進行處理，將獲取的二維影像的像素打散；再根據相同的特征點進行匹配、連接，以確定觀測物體像素點的三維空間位置；然后生成格網，進而生成建模物體的點云數據；最后添加紋理材質等信息，即可獲得真實建模物體的三維模型。利用Agisoft PhotoScan軟件進行三維模型創建的過程可看作是利用相機拍攝照片的逆過程，即利用觀測物體的單幅圖像或圖像序列，根據觀測物體在這些圖像上所含有的二維信息（多幅圖像中物體的物理特征及其所對應的幾何關系、不同圖像中的視差關系等）計算物體各個點的三維幾何信息，進而反求出觀測物體的三維模型，是一種基于圖像的逆向三維重建方法[4-7]。

本文以研究對象的三維實景模型創建為例，利用無人機技術以圍繞被測物體旋轉一周拍攝影像的方式進行現場影像數據采集，采集選擇在晴天可視情況良好的時間進行，以便獲得更好的觀測數據，最大限度地減少外界觀測條件對分析結果的影響。由于相對航高越大，影像分辨率就越低，所創建的模型精度也越差，因此飛行高度設置為200 m[8]。同時，為了減小航拍產生的畸變以及周邊環境對模型創建的形狀和精度帶來的影響，分別選取建模對象上方45°和60°兩個角度分別進行數據采集（圖2），各采集68張照片。按照不同組別分別進行建模，并在兩個大組內分別對不同的影像數據進行組合、建模與分析。

圖2 影像數據采集示意圖

2 模型創建效果分析

三維實景建模技術具有高精度、高分辨率、高清晰度的特點，目前已廣泛應用于土地調查、規劃設計、應急測繪、建筑物復原、教學展示、智慧城市、古文物數字化等領域。三維實景建模技術在各行業的應用（如獲取實景模型點坐標、繪制數字線劃圖、制作數字高程模型、宣傳展示、區域規劃設計、距離與面積量算等）必須基于三維實景模型的成功創建。只有將三維實景模型創建的效率提升起來，才能更好地幫助設計人員、工程技術人員、管理使用人員提升工作效率，對模型的應用進行更廣泛的拓展。

由于建筑施工階段對建筑物及其周圍場景（地面、地上和地下）三維實景建模的實時性、速度和效率要求較高，且三維實景建模最顯著的特點之一就是實時性，為了方便研究分析，本文以建成的建筑物地面三維實景模型為例（圖3），對三維實景建模的實時性、效率和應用進行分析，進而對實景建模技術數據獲取與建模效率進行研究，以此來探索一種能快速利用采集數據對觀測物體進行三維實景建模，且能最大程度地保證模型精度和質量的方法，為三維實景建模技術的效率提升提供參考。

圖3 建筑物地面三維實景模型

本文利用無人機航測技術對研究對象進行數據采集，共采集136張影像數據；將采集數據按照攝制高度角角度分為兩組，每組包含68張影像數據；在各組內部又根據相鄰影像夾角設置不同的小組，并對各組影像數據進行選取。具體數據分組方法如表1所示。

表1 影像數據分組表

首先將表1中的影像數據導入Agisoft PhotoScan軟件進行建筑物的實景模型創建；再進行組內建模效率與模型質量的對比分析，并對三維實景建模所需影像數據的相鄰影像夾角以及影像數量與模型效果進行分析；然后對組間相同相鄰影像夾角的數據建模效果進行分析，獲取攝制高度角對實景建模效果的影響情況。各組建模效率和模型質量對比參數如表2所示。

表2 影像數據分組處理參數對比表

根據分組情況，本文利用Agisoft PhotoScan軟件分別對各組進行數據處理并創建模型。針對組內建模效果，本文選取1-1、1-2、1-3三個小組的影像數據進行建模效果對比，如圖4所示；由于傾斜攝影測量攝制角度對模型的影響需在同影像間隔的組間進行對比分析，因此選取1-1和2-1兩個小組進行組間建模效果對比，如圖5所示。

通過對比圖4、5，結合表2可以發現：利用Agisoft PhotoScan軟件進行實景模型創建時，①三維模型效果的好壞以及精細程度與點數、面數有很大關系，這是由于軟件需將二維影像數據提取為被測物體的特征點，并根據特征點形成被測物體的特征面，再生成被測物體的三維模型，因此點數和面數越多，建成的三維模型就越精細；②三維模型效果的好壞與紋理關系不大，這是由于本次建筑物的影像皆由同型號、同精度的相機獲取，單張影像精細程度相當，導致紋理效果對模型的影響差別不大；③研究選取的傾斜攝影測量的攝制角度對三維模型效果和精細程度影響不大，這與軟件根據二維影像數據提取被測物體的特征點，再根據被測物體特征點的空間位置進行三維模型創建的建模原理有關；④參與處理的影像數據越多，軟件提取相應的特征點數量、匹配時間、校準時間以及重建模型所需的時間就越多。由表2可以看出，軟件提取的特征點和面與影像數據并不成正相關關系，即當被測物體的影像數據低于一定數量時，軟件無法根據影像數據提取觀測物體的特征點和面，因而無法完成模型的創建；但當達到一定數量時，軟件根據被測物體的二維影像提取的特征點和面的數量是不會增加的，由此創建的被測物體三維模型的效果和精細程度也不會再有更大的提升。因此，考慮到計算機性能，模型處理所需的匹配、校準和重建的時間，在利用Agisoft PhotoScan軟件進行實景建模數據處理時，無需將所有的影像數據都導入軟件進行處理，只需選取合適的影像數據進行處理即可。

圖4 組內建模效果對比

圖5 組間建模效果對比

3 結 語

結合建筑施工模型創建的過程，本文利用無人機技術對建筑物進行了建模數據采集，再根據數據采集情況對數據進行了分組，然后分別對分組后的數據創建三維實景模型，最后通過對分組數據創建的模型進行對比，分析了三維實景模型創建的效果和效率。雖然傾斜攝影測量技術還不是非常成熟，但是相對于其他航測遙感技術和傳統的測量技術而言，其在實時性、高效性、性價比等方面具有非常明顯的優勢。

今后還應在以下3個方面進行深入研究：①在模型案例的選取方面，僅考慮到實時性和效率需求，研究對象比較單一，缺乏不同對象之間建模的對比性，后期還應針對不同行業的應用選取不同類型的對象進行對比研究，如古文物、城市規劃等，以獲得更可靠的技術方法；②利用無人機進行數據采集時，照片像素的高低對模型精細程度的影響如何量化以及其中的規律；③對于不同的建模對象，要達到所需的模型精度要求，需要采集的影像數據如何量化，以及影像數據的選取原則、標準等。