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生产级倾斜实景三维建模方法比较分析

2018/11/28    来源:《北京测绘》    作者:侯庆明  吕扬  李兵  周庆      
关键字:实景三维  单体化  三维建模  
本文系统阐述了各种建模方法的实现原理、关键环节和技术特点,以辅助生产方和应用方进行更合理的选择。

0 引言

    刘先林院士指出,为了满足社会多方面的应用需求,地理信息需向着“更精细、更精确、更广泛、更丰富、对象化”的方向发展。随着信息化、智能化城市的高速发展,快速建立与更新三模型的需求日益迫切,对三维模型构建的精度、速度也提出了更高的要求。传统基于大比例尺地形图和外业人工拍照的手工建模方式已经无法满足需求,目前,基于倾斜摄影测量技术的“实景三维”成为建模、管理、应用领域的热点。

    倾斜摄影测量和激光雷达技术的快速发展,是推进实景三维模型构建的两大技术动力。尽管“空天地一体化”、“倾斜数据与LiDAR的高精度融合与配准”、“三维自动建模”等方向仍然是目前研究领域的热点和难点,但大规模、大范围、高精细的实景三维生产已经在需求的驱动下被推上日程。在商业软件迅速发展的背景下,多种方法可以满足实景三维建模的需求,但是生产者往往很难全面了解各种方法的特点和适用性。李永泉等将建模方式分为模拟建模、半模拟建模和测量建模,并对数字摄影测量、直接依图而建、三维激光扫描三种方法进行了深入探讨,然而,当时倾斜技术还未大范围推广。关丽等论述了传统手工三维建模、三维激光扫描方式建模、倾斜摄影测量半自动建模等技术方式,然而,并没有对基于倾斜摄影技术的实景三维建模方法做深入的探讨。可见,目前缺乏相关的研究对基于倾斜摄影测量技术的“实景三维建模方法”进行系统的总结梳理,以使生产方及投资方从技术角度了解方法特点和成果特性。因此,本文的研究重点是对目前较为成熟、可大规模生产推广的倾斜实景三维建模方案进行比较分析,系统阐述各种实景三维建模方法的实现原理、生产流程、技术特点,以辅助生产方和应用方进行更合理的选择。

1 建模方法

    模型可看作由几何结构和纹理材质组成的地理对象,随着倾斜技术的发展,纹理获取以及自动贴图已经不是制约建模效率的关键所在,而几何结构构建成为建模的瓶颈。根据三维成果是否能单独管理、是否可单独编辑地物,实景三维建模可分为匹配建模和单体化建模:匹配建模以自动化计算机处理技术为特点,快速获得Mesh模型;单体化建模通过一定的人工干预,获得地物的单体化模型。

    1.1 匹配建模

    匹配建模的数据成果是具有纹理的Mesh模型,原理如图1所示。其建模过程主要包括如下几个环节:

    (1)密集点云数据的获取:基于多视影像构建金字塔、进行密集匹配、从而提取密集点云;

    (2)Mesh模型构建,基于点云构建Mesh模型几何结构:包括构建不规则三角网、三角网的优化与光滑;

    (3)纹理映射:建立三角网与纹理的相互关系,建立实景三维数据;

    (4)成果的导出。

匹配建模原理

图1 匹配建模原理

    目前,常见的匹配建模的软件有Bentley公司的ContextCapture(原法国Acute3D公司的Smart3DCapture)、AgiSoft公司的PhotoScan、瑞士Pix4D公司Pix4D mapper、Astrium公司的Street Factory、Skyline公司的PhotoMesh等。

    1.2 单体化建模

    1.2.1 基于匹配建模成果的三维建模方法

    以匹配生成的Mesh模型作为基础参考,结合地面拍摄影像,经过局部分离编辑、精细修编重建、更新合并几个环节完成单体化建模(图2)。这种建模方法充分利用了Mesh模型成果,作业人员无需借助辅助设备,即可人工基于Mesh模型还原的现实世界完成单体化建模。目前,武汉天际航信息科技股份有限公司推出的DP-Modeler倾斜摄影建模、测量系统,提供了基于这种建模方法的相关功能。据调研,广西壮族自治区测绘地理信息局、云南省测图院等单位采用该方法进行了生产探索。

基于匹配建模成果的三维建模流程

图2 基于匹配建模成果的三维建模流程

    1.2.2 基于点云数据的三维建模方法

    早期,基于点云的建模主要依赖于人工建模方法。集成于Microstation V8/V8i的Terrasolid点云处理套件是早期该方法的主要实现工具。Terrasolid具有点云可视化、编辑、建模的各项功能,Microstation具有三维数据构建、编辑、处理的强大功能,二者结合为三维模型构建提供了环境,借助不同视角的点云数据查看功能完成三维建模。

    另一种建模方法是采用高精度的激光点云作为模型Mesh网的数据源,利用激光扫描地物,通过激光测距原理获取精度较高的三维点云数据,在此基础上构建三角网模型。有研究者指出,当点云密度小于10个点/平方米时,建模的精细程度最高达到LOD2,因此,如果需要更精细的三维成果,就需要加大点云密度,例如超精细的建模点云密度需达到每平方米两百多个点。据调研,目前只有少数公司推出的建模方案实现了基于点云完成自动化程度较高的单体化,其建模流程及成果如图3、图4所示。

点云(半)自动三维建模流程

图3 点云(半)自动三维建模流程

点云(半)自动三维建模成果(北京通州)

图4 点云(半)自动三维建模成果(北京通州)

    1.2.3 基于数字摄影测量系统的三维建模方法

    数字摄影测量系统是目前大比例尺地形图生产的必备设备之一。数字摄影测量的理论核心是共线方程,所谓共线方程,是指摄影中心、像点的像片坐标(x,y)及对应的地面点三点位于同一直线上。基于共线方程原理,可以在立体环境下量测模型的必要点坐标,从而可以构建三维立体模型,其工艺流程如图5所示。其中的关键步骤是在立体环境下,对地物特征线进行采集,结合精细数字高程模型,完成地物白模的构建。

基于数字摄影测量系统的三维建模流程

图5 基于数字摄影测量系统的三维建模流程

    1.2.4 基于拟合算法的三维建模方法

    基于点云数据,结合模型库,完成模型的自动化三维建模。以建筑物为例,首先,构建建筑物模型库,接着,以模型库为基本单元,通过自动提取或人工采集的特征点获得模型间的空间变换(平移、旋转或缩放)的转换参数,最终完成场景建筑物模型的方法。

    目前,由德国virtualcitySYSTEMS公司推出的BuildingReconstruction软件采用了该方法。该软件提供了平顶、坡顶、人字顶等多种基本屋顶在内的建筑物,结合地籍数据的建筑物轮廓和点云数据,实现了LOD2级别的建筑模型的自动化生成。

2 方法比较

    匹配建模的显著优势有:建模效率高、效果逼真、成本低。建模效率高、周期短,适用于快速建模,未经过编辑的自动匹配成果能够客观地反映现实世界,自动化成都高,人力成本相对低。这与无人机效率高、成本低、操作灵活的优势契合,二者相结合的无人机倾斜三维建模,已成为目前的应用热点之一。然而,这种建模方法存在四方面的问题:

    1)匹配获得的点云数据质量不高,容易受植被的干扰,且在特殊区域会存在漏洞;

    2)成果数据量大,最终的成果由三角面片组成,对硬件的需求较高;

    3)成果为一个整体,不具有对象化、结构化的特点,后期难以进行分层、分类,不便于后期的数据管理和成果利用,目前,尽管匹配成果有切割单体化、ID单体化、动态单体化三种匹配成果的单体化思路。然而,其可视化效果、空间数据管理能力以及数据的拓扑关系都难以满足实际的应用需求;

    4)成果边缘、拐点不清晰。

    基于匹配建模成果的单体化三维建模方法可以有效利用匹配成果完成建模,作业人员可以依据Mesh模型还原的现实世界构建三维模型,降低了对作业人员经验的需求。然而,匹配成果边缘不清晰的特点,会限制作业人员对准确位置的判断,进而对结果精度造成影响。

表1 倾斜实景三维建模方法对比

倾斜实景三维建模方法对比

    早期基于点云的人工建模的方法,尽管点云数据精度高,然而,由于点云离散分布的特征,作业人员需要借助经验将离散的点云和实地地物对应,导致建模效率难以提高,其次,成果精度也与作业人员的经验紧密相关,点云精度高的特征没有充分发挥。基于点云的自动化建模方法,特点有两个:首先,自动化程度非常高,据报道可达4小时即生成1平方公里;其次,精度高,由于噪声干扰或影像特征点不明显等原因,匹配结果具有很大的不确定性、随机性,而采用激光点云作为模型TIN网构造的数据源,使得最终成果精度高于匹配成果,遗憾的是,目前使用该方法的公司并未公开其核心算法。

    基于数字摄影测量系统的单体化三维建模方法的优点是在立体环境下直接采集建筑物模型的特征点坐标,保证了三维模型的空间精度,尤其是高程精度。基于这种工艺,传统测绘单位及公司,可以充分利用自己在数字线划图生产方面积累的经验,快速升级到单体化实景三维生产。然而,从立体采集的特征线到形成三维模型,往往需要多个环节,多环节的切换往往会降低效率。詹总谦等研究了在3dsMax环境下的建筑物单体化重建方法,充分借助3dsMax已有的三维编辑功能,分简单和复杂两类建筑物进行快速三维重建。考虑到3dsMax复杂的操作,詹总谦等研究了在SketchUp软件环境下实现三维建模方法。这些采集编辑一体化方法的推出,将极大的提升作业效率。

    基于拟合算法的三维建模方法是目前单体化建模中自动化程度较高的方式,然而,目前可应用的软件仅能达到LOD2精细程度的建模,如表1所示。

3 结束语

    生产级实景三维建模方法的快速发展,为后期的广泛应用带来了机遇。目前,匹配建模是自动化程度较高的建模方式,可以快速满足应用需求,然而,其“一张皮”的特点限制了成果的深度应用。其他单体化建模方法多为半自动建模方法,如何提高其建模效率,减少人工作业成本,仍然是目前需要进一步探索的问题。

    本文只从数据生产层面对实景三维进行了探讨,而实景三维真正的应用还涉及数据的管理、应用平台的开发等各个方面。多方位的综合提升,才能更好地服务城镇新建设、推动智慧城市的落地。

责任编辑:程玥
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