實景三維建模中的建筑物mesh模型立面修整

楊永林,劉 東,劉 洋,石 現,王雙雨,譚 鈿

(機械工業勘察設計研究院有限公司,陜西 西安 710043)

隨著現代地理信息產業的高速發展,地理信息行業的數據成果由原來的二維化正在向三維化、可視化、精細化轉變。2015年國務院批復同意的《全國基礎測繪中長期規劃綱要(2015—2030年)》,指出要加快推進新型基礎測繪體系建設[1]。2020年全國國土測繪工作會議提出新時期測繪工作“兩服務、兩支撐”的根本定位,明確要求大力推動新型基礎測繪體系建設,構建實景三維中國。2022年2月25日,國家自然資源部發布了《關于全面推進實景三維中國建設的通知》,標志著“實景三維中國”將加速全面鋪開建設[2]。

實景三維模型作為實景三維中國建設中的數據底座,其質量好壞直接影響著實景三維中國的建設進程。建筑物mesh模型作為實景三維模型應用最廣泛的模型單元,其質量好壞直接影響著實景三維模型的使用效果,如何高質量完成建筑物mesh模型的構建,一直是地理信息行業人員研究的熱點。其中,文獻[3]首先對實景三維模型的三角網進行重拓撲,利用模型構建的有向圖和交互式選取的立面角點獲取立面的輪廓線,然后基于輪廓線擬合生成平整的建筑物各立面,得到了不錯的效果。目前,工作中常用第三方軟件進行單個建筑物單個立面平整修復,作業效率低下且對作業人員的技術水平要求較高,難以滿足實景三維中國的快速發展。

本文結合實際工程經驗,對作業軟件進行研究,提出一種批量化的建筑物mesh模型立面修整方法,以期快速、高效地完成建筑物mesh模型的立面修整,為實景三維中國建設提供有力地技術支撐。

1 建筑物mesh模型立面修整

1.1 總體技術流程

建筑物mesh模型立面修整方法具有操作簡單、效率高效、精確度高等特點,通過少量的人機交互即可完成批量化的建筑物mesh模型立面修整。該方法以ContextCapture軟件自動生成的實景三維模型為基礎,借助操作簡單、采集精確度高的CASS 3D測繪軟件進行裸眼采集,獲取建筑物的矢量輪廓線。把實景三維模型和建筑物矢量輪廓線同時導入參數化建模軟件Houdini中,開發建筑物mesh模型立面平整模塊,批量生成平整的建筑物三維矢量面,自動完成建筑物立面到三維矢量面的吸附,達到建筑物立面結構平整的效果。以平整后的建筑物mesh模型為參考,導入ContextCapture軟件中進行自動紋理映射,以快速完成建筑物mesh模型的修整。總體技術流程如圖1所示。

圖1 總體技術流程

1.2 實景三維模型

采用ContextCapture軟件進行實景三維模型的生產[4]。首先,在軟件中導入無人機航拍照片及對應的POS數據,設置傳感器尺寸信息;其次,設置輸出坐標系,導入像控點數據進行刺點及區域網平差,完成空三加密工作[5-6];然后,設置模型坐標原點并確定構建模型的范圍,選擇模型的分塊方式為平面規則化分塊,根據計算機屬性設置相應的分塊邊長;最后,選擇需要的模型格式,提交生產,軟件會自動進行密集匹配[7-8]、三角網的生成及紋理映射,最終完成實景三維模型的制作[9]。

1.3 建筑物輪廓線

CASS 3D軟件具有操作簡單,采集精確度高的特點,已廣泛應用于數字線劃圖的生產[10]。把生成好的實景三維模型加載到測繪軟件CASS 3D中進行建筑物輪廓線采集。利用軟件的二三維聯動功能使作業者能夠清晰地查看建筑物質量,同時使用軟件的建筑物直角繪圖功能,對建筑物各個立面進行輪廓線采集,完成建筑物輪廓線的生成。不同于文獻[11—15]中建筑物輪廓線自動提取,利用專業化軟件進行采集的建筑物輪廓線能規避掉許多測量誤差。建筑物輪廓線作為建筑物mesh模型立面平整的基礎,本文選擇人為采集的方式獲得。

1.4 建筑物mesh模型批處理

本文的批量化建筑物mesh模型立面修整包含了模型的結構處理及紋理處理,分別采用參數化建模軟件Houdini及攝影測量軟件ContextCapture完成。

(1)建筑物mesh模型立面結構平整。把含有建筑物mesh模型的瓦片和建筑物矢量輪廓線導入Houdini軟件中,對參數化建模軟件Houdini進行研究,開發了立面平整功能模塊。該模塊可以根據建筑物mesh模型的位置及高度對建筑物矢量輪廓線進行自適應處理,生成和建筑物高度相同的平整建筑物三維矢量面。以建筑物三維矢量面為基礎,自動批量完成建筑物mesh模型各立面到三維矢量面的吸附,達到立面平整的效果,然后批量導出含有建筑物mesh模型的瓦片。

(2)建筑物mesh模型立面紋理映射。把立面平整好的含有建筑物mesh模型的瓦片作為參考模型導入ContextCapture軟件中,設置參考模型的坐標系和坐標原點,與原工程保持一致。ContextCapture軟件根據原有的空三加密結果選擇最佳角度的航拍照片,對建筑物mesh模型各立面進行紋理映射,自動批量完成建筑物mesh模型立面紋理修整。

2 實例分析

2.1 應用實例

選用多層建筑區和高層建筑區兩種試驗場景對本文提及的批量化建筑物mesh模型立面修整方法進行驗證。

選用大疆M300 RTK多旋翼無人機搭載睿鉑DG4M五鏡頭相機對試驗測區進行像控點測量,內業處理采用ContextCapture軟件,生成實景三維模型。其中,多層建筑區有26棟樓,高層建筑區有19棟樓。模型成果如圖2所示。

圖2 試驗區實景三維模型

以生成的實景三維模型為基礎,導入CASS 3D測繪軟件中進行建筑物輪廓線的快速采集,獲取高精度的建筑物矢量輪廓線,如圖3所示。

圖3 試驗區建筑物輪廓線

把含有建筑物mesh模型的瓦片和建筑物矢量輪廓線導入參數化建模軟件Houdini中,利用開發的立面平整功能模塊進行處理,使建筑物輪廓線套合建筑物mesh模型,如圖4所示,并生成平整的建筑物三維矢量面,如圖5所示。一鍵操作完成建筑物mesh模型各立面到三維矢量面的吸附,平整各個立面結構,同時導出修復好的含有建筑物mesh模型的瓦片。處理效果如圖6所示。

圖4 建筑物輪廓線套合建筑物mesh模型

圖5 建筑物三維矢量面生成

圖6 建筑物mesh模型立面平整

把立面平整好的含有建筑物mesh模型的瓦片作為參考模型導入ContextCapture軟件中,設置與原工程一致的坐標系和坐標原點,提交模型生產,批量完成建筑物mesh模型的立面紋理映射,最終實現建筑物mesh模型的批量修整。處理效果如圖7所示。

圖7 建筑物mesh模型立面修整前后對比

2.2 結果分析

3名技術水平不一的作業人員在各自的計算機上分別采用本文方法和傳統的第三方修模軟件對以上兩個試驗場景進行對比測試,完成建筑物mesh模型各立面結構平整及紋理映射工作,所花費的時間見表1。不同作業人員因其技術水平的不同在完成試驗區建筑物mesh模型立面修整的時間是不同的。綜合比較,采用本文方法的工作效率是傳統第三方軟件工作效率的1.5～2倍。

3 結 語

本文基于實景三維模型的發展現狀,提出了一種批量化的建筑物mesh模型立面修整方法。該方法以人工采集建筑物矢量輪廓線為基礎數據,進行批量化的建筑物mesh模型立面修整,提高了模型修復的工作效率。同時,該方法作業門檻低,操作簡單,為實景三維中國的快速發展提供了有力的技術支撐。