實(shí)景三維場(chǎng)景模型建設(shè)和融合方法應(yīng)用

摘要：目前全國(guó)實(shí)景三維建設(shè)正在如火如荼展開(kāi)，文章以江蘇某市為研究區(qū)域，介紹基于無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)建設(shè)實(shí)景三維的技術(shù)流程，依托Dp-Modeler環(huán)境和實(shí)景三維場(chǎng)景模型，構(gòu)建LOD3單體化模型，同時(shí)對(duì)LOD3單體模型與三維場(chǎng)景融合方法進(jìn)行總結(jié)，闡述了3種方法的適用環(huán)境。成果顯示，像控點(diǎn)平面誤差小于0.03 m，高程誤差小于0.03 m，平面中誤差為0.119 m，高程中誤差為0.292 m，控制點(diǎn)精度良好；三維模型平面中誤差為0.156 m，高程中誤差為0.218 m，符合城市級(jí)實(shí)景三維成像要求。

關(guān)鍵詞：實(shí)景三維；單體化模型；傾斜攝影測(cè)量；激光點(diǎn)云；場(chǎng)景融合

中圖分類(lèi)號(hào)：P231 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

實(shí)景三維作為人類(lèi)生產(chǎn)生活和生態(tài)空間真實(shí)、立體、時(shí)序化反映和表達(dá)的數(shù)字虛擬空間，是新型基礎(chǔ)測(cè)繪標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品，也是國(guó)家新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重要組成部分，為經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和各部門(mén)信息化提供了統(tǒng)一的空間基底，已經(jīng)納入“十四五”自然資源保護(hù)和利用規(guī)劃［1-3］。2022年2月24日，自然資源部辦公廳發(fā)布《關(guān)于全面推進(jìn)實(shí)景三維中國(guó)建設(shè)的通知》，實(shí)景三維建設(shè)成為地理信息行業(yè)熱點(diǎn)。

“空天地一體化”理念的提出使各行各業(yè)的研究開(kāi)始轉(zhuǎn)向攝影測(cè)量領(lǐng)域。近年來(lái)，無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)水平得到了顯著提升，突破了傳統(tǒng)航測(cè)精度的局限，能夠滿(mǎn)足大尺寸比例地形圖的精度需求。這一技術(shù)不僅機(jī)動(dòng)靈活、高效快速，而且具有精細(xì)準(zhǔn)確、成本低廉、適用范圍廣泛以及生產(chǎn)周期短等優(yōu)勢(shì)，成為傳統(tǒng)航空攝影測(cè)量手段的重要補(bǔ)充。特別是在小區(qū)域和地形復(fù)雜地區(qū)，無(wú)人機(jī)的應(yīng)用降低了測(cè)繪外業(yè)工作的難度。隨著數(shù)字化技術(shù)的高速化發(fā)展和行業(yè)對(duì)可視化需求的增加，實(shí)景三維在自然資源管理和決策方面已有諸多的研究和應(yīng)用［4-8］。傳統(tǒng)的三維模型建設(shè)方式采用人工實(shí)地拍照的方法，存在工作量大、時(shí)間成本高、紋理失真、模型精度低等缺點(diǎn)，而傾斜攝影測(cè)量以?xún)A斜影像為數(shù)據(jù)源，能彌補(bǔ)數(shù)據(jù)遮擋、紋理不豐富、多余觀測(cè)不足等局限，可以獲取更豐富的地物紋理，使重建后的模型效果更加貼近現(xiàn)實(shí)［9-10］。

目前，研究人員重點(diǎn)聚焦在航飛、激光點(diǎn)云等數(shù)據(jù)的融合，進(jìn)而高效、快速、高精度地進(jìn)行三維建模［11-13］。本文依托實(shí)景三維項(xiàng)目，采用攝影測(cè)量方法，介紹城市級(jí)實(shí)景三維建設(shè)流程，闡述LOD3單體化模型和三維場(chǎng)景模型的融合方法，在一定程度上提高了模型生產(chǎn)效率，為實(shí)景三維快速高效建模提供理論支撐和應(yīng)用指導(dǎo)。

1 無(wú)人機(jī)傾斜航空攝影

無(wú)人機(jī)傾斜航空攝影是通過(guò)在同一飛行平臺(tái)上搭載多鏡頭相機(jī)，在飛行過(guò)程中從垂直、傾斜等角度同時(shí)采集影像，獲取更為完整精確的地面地物信息和高清地物紋理。航飛時(shí)，航攝高度根據(jù)所在航攝區(qū)域的建筑物高度、地面分辨率、現(xiàn)場(chǎng)周邊情況綜合考慮設(shè)計(jì)。航高計(jì)算方式如圖1所示。

a/GSD=f/h （1）

其中，h為相對(duì)飛行高度；f為鏡頭焦距；a為像元尺寸；GSD為地面分辨率。按公式（1）可求得飛行高度。根據(jù)研究區(qū)域特點(diǎn)以及模型精度要求，整個(gè)測(cè)區(qū)航飛要保證航向重疊大于80%，旁向重疊大于75%。若飛行范圍內(nèi)高層建筑物密集，則須增加影像重疊度以確保高層建筑樓頂和整體建模質(zhì)量。

根據(jù)相機(jī)傾斜角度和視場(chǎng)角的關(guān)系，航向和旁向覆蓋超出分區(qū)邊界線理論值計(jì)算公式為：

理論值= tanθ/2tan（β/2）×（1-p）（2）

其中，p為航向或旁向重疊度；θ為傾角；β為視場(chǎng)角。

在實(shí)際飛行中，由于大氣等因素影響，航向或旁向覆蓋超出邊界線的實(shí)際值一般按照基線數(shù)=理論值+2、航線數(shù)=理論值+1進(jìn)行計(jì)算。

根據(jù)公式（2）計(jì)算，考慮實(shí)際地勢(shì)變化及飛行過(guò)程中的航高保持等情況，地面分辨率優(yōu)于3 cm區(qū)域傾斜攝影設(shè)計(jì)垂直影像地面分辨率為2.6 cm，賽爾202S設(shè)計(jì)相對(duì)航高為227 m，賽爾304S PRO設(shè)計(jì)相對(duì)航高為266 m，傾斜影像中心點(diǎn)地面分辨率為2.63 cm。

1.1 相控測(cè)量

為了確保模型的絕對(duì)定位準(zhǔn)確，要對(duì)研究區(qū)域進(jìn)行控制點(diǎn)的布設(shè)，像控點(diǎn)按項(xiàng)目作業(yè)范圍劃分區(qū)域網(wǎng)布設(shè)，坐標(biāo)和高程采用基于JSCORS的網(wǎng)絡(luò)RTK方法獲取，通過(guò)江蘇似大地水準(zhǔn)面精化模型將控制點(diǎn)大地高轉(zhuǎn)化至1985高程系統(tǒng)的正常高。

1.2 空三加密

空三加密也叫解析空中三角測(cè)量，即根據(jù)像點(diǎn)坐標(biāo)和地面控制點(diǎn)，計(jì)算影像連接點(diǎn)的像點(diǎn)大地坐標(biāo)和影像的外方位元素。本文空三加密主要依托Smart3D軟件，對(duì)航拍影像提取同名特征點(diǎn)、計(jì)算同名像對(duì)，采用自由網(wǎng)平差進(jìn)行相對(duì)定位，再根據(jù)測(cè)區(qū)內(nèi)的像控點(diǎn)坐標(biāo)采用約束平差方式進(jìn)行絕對(duì)定位，計(jì)算任務(wù)區(qū)內(nèi)地物特征點(diǎn)真實(shí)的三維空間坐標(biāo)。為了提高空三加密的精度，應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要對(duì)加密區(qū)域進(jìn)行多次空三迭代計(jì)算。空中三角測(cè)量技術(shù)流程如圖2所示。

2 三維模型構(gòu)建

三維場(chǎng)景模型構(gòu)建主要采用分塊計(jì)算的方式進(jìn)行，通過(guò)不同視角上的最佳像對(duì)模型生成三維尺度的密集點(diǎn)云，根據(jù)點(diǎn)云間相關(guān)關(guān)系構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)（Triangulated Irregular Network， TIN），通過(guò)最優(yōu)解法對(duì)TIN模型進(jìn)行平滑和優(yōu)化，生成建筑物白模，最后以三維TIN的空間位置信息來(lái)獲取最佳視角影像紋理，為建筑物白模賦予真實(shí)紋理。

2.1 LOD3單體化建模

傾斜攝影測(cè)量獲取的三維模型雖然優(yōu)點(diǎn)顯著，但也有明顯的技術(shù)痛點(diǎn)——對(duì)光線的要求極高。受此因素限制，無(wú)人機(jī)必須在光線明亮的情況下進(jìn)行測(cè)量。對(duì)于樹(shù)木密集區(qū)或者橋洞下等陰暗避光處，無(wú)人機(jī)受飛行高度和方位的限制，數(shù)據(jù)采集精度較低，導(dǎo)致細(xì)小物體的建模能力不足，因此，對(duì)于歷史街區(qū)、重點(diǎn)建筑物區(qū)域，可通過(guò)重建LOD3單體的方式制作具備真實(shí)紋理和外部結(jié)構(gòu)的城市三維模型。本文主要采用天際航公司研發(fā)的DP-Modeler軟件進(jìn)行建筑物的LOD3單體化建模，根據(jù)三維場(chǎng)景模型內(nèi)建筑物的真實(shí)空間關(guān)系和紋理，采取推拉、平移、拼接等操作，構(gòu)建建筑物輪廓面，根據(jù)無(wú)人機(jī)航攝影像或現(xiàn)場(chǎng)補(bǔ)拍圖片進(jìn)行紋理自動(dòng)識(shí)別并對(duì)模型賦予真實(shí)紋理。

2.2 三維場(chǎng)景融合

三維場(chǎng)景融合的目的是將精細(xì)化程度較高的單體化模型融入實(shí)景三維地理場(chǎng)景傾斜攝影三維模型數(shù)據(jù)集，實(shí)現(xiàn)成果一致性和整體性，豐富實(shí)景三維場(chǎng)景細(xì)節(jié)表達(dá)，提高模型瀏覽效果和模型的真實(shí)性。場(chǎng)景融合處理過(guò)程主要采用踏平方式處理原始三維場(chǎng)景模型，將LOD3單體化模型根據(jù)真實(shí)空間坐標(biāo)匹配到對(duì)應(yīng)的場(chǎng)景模型中。場(chǎng)景融合方法包含平面擬合法、水面修飾法和墻面處理法。

2.2.1 平面擬合法

本文主要采用建筑物周邊相對(duì)平整的3個(gè)三維點(diǎn)坐標(biāo)，根據(jù)最小二乘法則解算線性方程組來(lái)確定一個(gè)最佳擬合的平面，將選擇的場(chǎng)景踏平到這個(gè)平面上。該方法適用于城市級(jí)實(shí)景三維場(chǎng)景中絕大多數(shù)區(qū)域踏平處理，尤其對(duì)一些被樹(shù)木遮擋的區(qū)域或者光線不好的區(qū)域踏平處理效果更好。

2.2.2 水面修飾法

根據(jù)某一個(gè)高度圈定一個(gè)范圍，設(shè)置上下需要踏平到此平面的高度，形成一個(gè)多邊形的柱形框，將柱形框內(nèi)的三維場(chǎng)景模型踏平到選定的高度平面上，此方法與平面擬合最大的區(qū)別是僅與高度Z有關(guān)，與X、Y值無(wú)關(guān)。水面修飾主要用于水面大面積空洞處的踏平和修補(bǔ)，也可用于四周空曠無(wú)遮擋的規(guī)整建筑物踏平，遇到有遮擋的建筑物，易在底部和側(cè)面連接處形成三角形空洞，增加后期處理空洞的工作量。此方法也適用于小面積空洞無(wú)法修補(bǔ)的情況，可以處理瓦塊接縫處細(xì)小空洞。

2.2.3 墻面處理

墻面處理適用于小范圍相對(duì)平整且周邊無(wú)遮擋的區(qū)域。采用此方法須要盡可能地將踏平區(qū)域往區(qū)域外部擴(kuò)，避免踏平不到位和高出地面的情況。此方法的優(yōu)點(diǎn)是能夠一步到位，無(wú)須進(jìn)行單獨(dú)的貼圖步驟和過(guò)多的處理單體化模型所覆蓋區(qū)域與其他地物相鄰的部分，亦不會(huì)像平面擬合法踏平后出現(xiàn)大面積閃面的問(wèn)題，大大提高了區(qū)域融合效率。

3 精度統(tǒng)計(jì)

本文采用上述無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)，首先通過(guò)外業(yè)布設(shè)測(cè)區(qū)像控點(diǎn)位置進(jìn)行絕對(duì)定位來(lái)計(jì)算地物點(diǎn)的真實(shí)三維坐標(biāo)，其次根據(jù)空中解析三角測(cè)量進(jìn)行三角網(wǎng)的構(gòu)建，再根據(jù)多鏡頭無(wú)人機(jī)航攝照片進(jìn)行紋理的自動(dòng)映射，形成初步的城市級(jí)三維模型，最后通過(guò)DP-Modeler軟件對(duì)特色區(qū)域進(jìn)行單體化模型構(gòu)建，以此解決由無(wú)人機(jī)局限性導(dǎo)致的重點(diǎn)區(qū)域建筑紋理模糊或模型拉花的情況，最終形成城市級(jí)實(shí)景三維成果。

為了驗(yàn)證城市級(jí)實(shí)景三維建模成果是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)精度要求，本案例根據(jù)區(qū)域特點(diǎn)和像控點(diǎn)分布情況在任務(wù)區(qū)內(nèi)選擇相應(yīng)的控制點(diǎn)和檢測(cè)點(diǎn)進(jìn)行精度檢測(cè)。一共選取660個(gè)像控點(diǎn)進(jìn)行精度檢驗(yàn)，結(jié)果顯示：像控點(diǎn)平面誤差均小于0.03 m，高程誤差均小于0.03 m，平面中誤差為0.119 m，高程中誤差為0.292 m，控制點(diǎn)精度良好。像控點(diǎn)平面誤差如圖3所示。像控點(diǎn)高程誤差如圖4所示。三維模型平面誤差如圖5所示。三維模型高程誤差如圖6所示。

本文選取122個(gè)三維模型點(diǎn)進(jìn)行精度檢驗(yàn)，模型精度成果如圖5—6所示。結(jié)果顯示，三維模型平面精度大致分布在0.03 m，高程精度大致分布在0.1 m以?xún)?nèi)，平面中誤差為0.156 m，高程中誤差為0.218 m，符合城市級(jí)實(shí)景三維成果要求。

4 結(jié)語(yǔ)

本文以江蘇某市城市級(jí)實(shí)景三維為研究案例，介紹了實(shí)景三維模型生產(chǎn)的技術(shù)流程以及模型融合的相關(guān)方法，可為實(shí)景三維的實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用積累經(jīng)驗(yàn)，為促進(jìn)三維模型的快速建立提供技術(shù)支撐。

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（編輯 王雪芬編輯）

Application of construction and fusion methods for realistic 3D scene models

XU "Dandan

（Jiangsu Provincial Basic Geographic Information Center， Nanjing 210013， China）

Abstract： "At present， the construction of realistic 3D scenes in China is in full swing. This article takes a city in Jiangsu Province as the research area and introduces the technical process of constructing realistic 3D scenes based on unmanned aerial vehicle oblique photography technology. Relying on the Dp-Modeler environment and realistic 3D scene models， a single LOD3 model is constructed. At the same time， a summary is made of the integration method of LOD3 single models and 3D scenes， and the applicable environments of the three methods are explained. The results show that the plane error of the image control points is less than 0.03 meters， the elevation error is less than 0.03 meters， the plane mean square error is 0.119 meters， and the elevation mean square error is 0.292 meters. The accuracy of the control points is good; The error in the 3D model plane is 0.156 meters， and the error in the elevation is 0.218 meters， which meets the requirements of urban level realistic 3D results.

Key words： 3D reality; monolithic models; oblique photogrammetry; laser point cloud; scene fusion