多技術融合在城市三維建模中的應用

楊曉玉，王彥君，王冬梅，張 偉，張懷亮

(合肥財經職業學院，安徽 合肥 231201)

隨著數字城市、智慧城市的快速發展建設，出現了一種新型的智慧城市發展模式：數字孿生城市建設。數字孿生城市是在虛擬的網絡空間里，再造一個與城市物理世界匹配、對應的城市，實現城市全要素虛擬化、數字化以及可視化[1]。數字孿生城市建設的重要空間基礎設施之一是高仿真的城市三維模型。如何能快速、高質量、大面積地進行城市三維模型建設已成為數字孿生城市建設研究的熱點之一。傳統城市三維建模是利用大比例線劃圖、影像以及實地拍照，人工建模，這種方式效率低、周期長，人力成本高[2]。近年來，利用傾斜攝影測量自動進行城市三維建模也越來越多，但由于傾斜攝影拍攝有死角，導致建筑底部模型常有局部細節變形、紋理不清等問題。針對上述問題，提出了利用無人機傾斜攝影技術、車載激光雷達技術，結合全周期監理檢查機制，多技術融合進行城市三維模型建設的方法，本文詳細闡述了該方法的相關技術概述、技術路線以及三維建模的關鍵點，為其他城市開展相關工作提供技術參考。

1 相關技術概述

1.1 無人機傾斜攝影技術

無人機傾斜攝影技術是航測領域新興起的技術，是在無人機平臺上搭載相機，可在同一位置不同角度獲取地面影像的技術。它具有如下幾大特點：一是可獲取高分辨率的垂直、傾斜影像；二是可從不同角度獲得真實的地物側面紋理信息；三是可使用軟件進行自動三維建模；四是三維建模場景逼真，可準確進行地物定位和地物細部信息表達[3]。

1.2 車載激光雷達技術

車載激光雷達技術是地面移動測量技術的一種，它利用快速定位測量和近景攝影測量信息量大等優點，對地物進行激光掃描，獲得地物的點云數據，并通過點云數據可以快速地進行三維模型建設。車載激光雷達技術具有如下幾大特點:一是通過機動車搭載激光雷達掃描設備，對地物進行反復掃描，可獲取目標地物大量點云數據[4]；二是適合條形地物特征的目標快速掃描；三是在獲得目標地物地理位置數據和點云數據的同時，還可以獲得地物屬性信息。

2 技術路線

利用多技術融合實現城市三維建模工作技術路線包括五個核心部分：前期準備、數據采集處理、三維模型建模、三維模型檢查驗收以及貫穿整個三維建模工作的全周期監理檢測機制。技術路線如圖1所示。

圖1 技術路線圖

(1)前期準備，無人機傾斜攝影測量和車載LiDAR掃描相關資料收集和整理，主要包括編寫文檔、航飛和車載LiDAR準備。編寫文檔包括工作技術、技術設計、作業要求和標準等內容；航飛準備包括航攝區、設備以及人員準備；車載LiDAR準備包括車輛、掃描設備以及人員。

(2)數據采集處理，主要包括兩方面內容:一方面是無人機傾斜攝影；另一方面是車載LiDAR地面移動掃描。數據采集處理流程如下：一是無人機傾斜攝影航飛后獲得數碼影像、航跡線以及原始點云數據，車載LiDAR地面移動掃描獲得車載路線以及點云數據；二是對無人機傾斜獲取的點云數據、車載LiDAR獲取的點云數據進行融合處理；三是進行空三加密和精度檢查。

(3)城市三維建模，利用三維自動化建模軟件對數據進行三維建模，形成城市三維實景模型，并對地物不清楚的紋理可利用車載LiDAR獲取的紋理數據進行校對和融合，從而形成城市三維模型。

(4)城市三維模型檢查驗收，對建好的三維模型進行質量檢查，合格后，形成最終的城市三維模型成果。

(5)全周期監理檢測機制，在三維建模工作整個實施過程，引入了全周期的監理檢查機制，保障城市三維模型建模工期和城市三維模型質量。

3 三維建模關鍵點

3.1 像控點布設

根據《低空數字航空攝影測量外業規范》要求，對像片控制點進行布點。點位布設應注意幾方面內容:一是布設的范圍需覆蓋整個航飛區域；二是布設的點位需均勻分布；三是航攝范圍線凹角轉折處、凸角轉折處需布設平高點。本文采用的無人機具有RTK高精度定位且小面積進行測圖可以免像控，像片控制點布設密度可適當放寬，原則上相鄰像片控制點間距不超過300米，具體布設點位應遵循道路分布情況。

3.2 點云處理

點云數據是對地物表面進行掃描獲得的三維激光數據，主要包括兩部分:一部分是通過無人機傾斜攝影獲得;另一部分是通過車載LiDAR掃描獲得，這樣可以提高模型的精細程度。由于點云數據來自兩部分且點云在不同位置反映的地物不同，需要對點云數據進行融合、處理和分類。點云數據融合處理主要采用去噪濾波的方法。當處理完畢后，會對點云數據自動分類，主要包括地面點云和非地面點云。自動分類后的點云數據在經過人工辨別后，對點云進行細分，最終獲得點云數據成果。點云成果示意圖如圖2所示。

圖2 點云成果示意圖

3.3 空三加密

空三加密是傾斜攝影進行城市三維建模前的重要操作，其目的是將無序影像構建出一個與現實接近的空間模型。空三加密的主要步驟包括以下五步：第一，將POS數據作為參數，采用多層影像金字塔自動匹配的方法實現影像特征點的提取；第二，同名特征點進行自動匹配，獲取影像連接點；第三，對影像控制點和影像連接點進行整體區域網光束法平差，從而計算出影像加密點；第四，進行影像外方位元素反算、多視角影像聯合解算操作，確保平差精度；第五，空三加密完成。空三加密流程示意圖如圖3所示。

圖3 空三加密流程示意圖

3.4 三維模型自動建模

目前，利用傾斜攝影測量進行三維建模采用自動化建模，常用軟件有ContextCapture(Smart3d)、大疆智圖、PhotoScan以及Pix4D Mapper等[5]。本文利用ContextCapture軟件進行三維自動化建模。三維建模主要包括六個步驟:一是利用影像范圍確定建模的范圍；二是生成密集點云，根據空三加密成果進行多視角影像密集匹配，從而獲得高密度的點云數據；三是構建三維TIN網格，實現點云數據的三角網優化；四是根據三角形空間位置，自動化將映射最佳效果的影像作為模型紋理并貼圖，從而形成三維模型初步成果；五是對模型中存在的問題進行修飾，如，模型變形、模型漏洞等；六是通過質量檢查后，形成三維模型成果。三維模型自動建模流程示意圖如圖4所示，三維模型成果示意圖如圖5所示。

圖4 三維模型自動建模流程示意圖

圖5 三維模型成果示意圖

4 質量控制

4.1 全周期三維建模監理檢查機制

城市三維建模工作任務緊、投資大以及周期短，為保障城市三維建模工作能保質保量完成，引入了全周期三維建模監理檢查機制。具體流程:一是建立三維建模監理小組，編寫三維建模監理實施方案；二是對三維建模過程中的基礎工作、技術設計審查、無人機傾斜攝影、車載LiDAR掃描、外業核實、三維模型檢查等工作進行全周期監理；三是形成項目監理報告，并提交給項目驗收小組，作為項目驗收材料。全周期三維建模監理檢查流程如圖6所示。

圖6 全周期三維建模監理檢查流程

4.2 三維模型質檢

城市三維模型質檢是三維建模工作中重要的一個步驟，直接關系最終三維模型的好壞。通過成立項目質檢小組，對航飛、車載LiDAR掃描、到三維建模各道工序進行檢查，如若發現質量不合格，不能開展下一階段工作。城市三維模型質檢包括車載LiDAR點云質檢、航飛影像質檢、空三加密質檢、三維自動化建模質檢、紋理質檢以及三維模型成果質檢[6]。三維模型成果檢查內容示意表如表1所示。

表1 三維模型成果檢查內容

5 結語

本文研究了利用無人機傾斜攝影技術、車載激光雷達技術，結合全周期監理檢查機制，多技術融合進行城市三維模型建設的方法，該三維模型成果較好地保證了與現實世界的擬真度，適合用于數字孿生城市建設的城市三維模型構建。但也存在一定的不足:一是需要航飛和車載掃描兩次地物，且需要人工干預，三維建模成本增加；二是建模的周期較傳統方式增加約30%，比直接利用傾斜攝影建模的周期長。