空地數據融合在建筑物精細化實景建模中的應用

于華穎

(山東新匯建設集團有限公司,山東 東營 257091)

0 引言

建筑物精細化實景建模是當今城市規劃和建筑設計領域的熱點及難點問題之一。傳統的傾斜攝影測量由于無人機航拍圖像分辨率較低、飛行角度受限等限制,往往會導致模型表面紋理特征豐富性不足、點云數據缺失等問題,使得建筑物模型無法準確地反映真實的地理環境和建筑細節,制約了規劃和設計的精細化水平。然而,隨著空地數據融合技術的快速發展,以航空影像、激光掃描、近景影像等方式獲取的空地數據可以被高效地融合為精細化的建筑物實景模型。無人機傾斜攝影與地面近景攝影的融合原理主要通過特征點云數據匹配算法,以實現多源數據的精確融合,生成具有豐富紋理的三維模型。這種空地數據融合技術不僅可以提供準確、真實、高精度的建筑物模型,還能夠為城市規劃和建筑設計提供全面的基礎數據支持,幫助設計師和規劃者更好地理解和分析城市環境,優化規劃設計方案,提高城市的可持續發展水平。本文結合實際工程應用,對空地數據融合在建筑物精細化實景建模中的應用進行論述[1-2]。

1 空地數據融合相關理論

空地融合實景三維建模是一種將空中和地面數據進行集成和融合,從而創建真實且精細的三維建筑物模型的方法。其實質是通過多數據源進行建筑的三維空間數據信息采集,從而構建實景三維模型?！翱铡焙汀暗亍狈謩e指無人機通過云臺拍攝的空中圖像和近地面非測量相機拍攝的影像數據(見圖1),這些數據提供了目標物影像數據和地理空間信息。然后利用圖像處理和計算機視覺算法,從影像和掃描數據中提取出建筑物的邊界線、輪廓和紋理等特征。最后根據二者各自的互補性,通過數據融合技術將無人機航拍影像與近景影像數據進行配準和融合,生成高精度實景三維模型[3]。

圖1 傾斜攝影及近景攝影示意

2 工程應用

2.1 測區概況

實驗測區位于D市的一座歷史文化古城門,建于明代中期(公元1368—1644年)的明成化年間,修于明隆慶年間。門樓建筑為重檐歇山式,高約15 m,深約8 m,門框由花崗石打造,整體建筑氣勢雄偉,造型復雜,古樸典雅。作為D市的歷史遺產,該建筑見證了D市從一個古老村莊到現代化城市的歷史發展,因此對其建立實景三維模型具有重要意義。由于整體較為復雜,僅應用傾斜攝影測量技術難以構建建筑物精細化實景三維模型,因此本項目擬進行空地數據采集,空中部分應用無人機搭載相機采集多視角影像數據,地面部分應用人工手持相機進行拍照,采集復雜區域特征細節數據。

2.2 整體技術流程分析

本文整體技術路線如圖2所示,首先,需要獲取空中圖像數據和地面數據?？罩袌D像數據可以通過無人機拍攝的影像數據以及地面人工近景拍攝的數據獲得,這些數據源提供了建筑物的外部形狀和地理空間信息;主要在空三結果的基礎上通過多視密集匹配算法計算出物方空間中每個點的三維坐標,以此來重建整個測區的實景三維模型;再通過構建TIN三角網生成白膜,經過自動紋理映射后生成帶有真實色彩的三維模型[3-4]。

圖2 整體技術路線

2.3 外業影像數據采集

為空中采集目標建筑影像數據,外業應用的是大疆(DJI)經緯M300 RTK測繪行業級無人機。鏡頭傾斜角設置為90°,與主航線方向平行,航線重疊設置為80%,旁向重疊設置為70%,設置無人機航攝相對高度為150 m,地面分辨率為8.5 cm/px,以此獲取目標體航測影像數據。利用DJIGO4中的航點分型模式,進行環繞飛行,飛行高度從150 m到10 m。近景影像數據采集應用無人機搭載的同款類型相機對可能出現遮擋、視角盲區采集影像數據,調整無人機進行3 s定時拍照,并保證與空中采集影像具有70%以上重疊。

2.4 實景三維模型重建

本文實景三維建模主要應用的是ContextCapture三維實景建模軟件,首先將外業獲取的兩種影像數據分別進行空中三角測量計算,生成帶有地理坐標的傾斜影像與無地理坐標的近景影像稀疏點云結果;再在無人機空三結果上生成帶有地理坐標信息的初始三維模型,從初始模型上選取坐標點作為近景影像的控制點,采用手工添加連接點的方式來增加匹配點對,并對添加連接點后的數據進行空三計算,從而生成帶有坐標信息的空三計算成果;最后通過計算機視覺和圖像處理算法,從影像數據中提取建筑物的輪廓線、紋理信息等,并利用地面數據提供的地形高程信息,重建出真實且精細的三維建筑物模型,整體效果如圖3所示[5-6]。

圖3 目標建筑實景三維模型

3 建模效果對比及驗證分析

3.1 整體效果對比

為驗證“空地”實景建模效果,本文還通過普通傾斜攝影測量建立實景三維模型,通過圖4畫圈部分對比可以發現,與單體化建模相比,經過數據融合后的模型在細節紋理處理方面更加清晰、完整,有效彌補了無人機傾斜攝影中拍攝角度單一和獲取影像分辨率低的缺陷。通過數據融合建模生成的實景三維模型,在整體和細節上都有顯著改善,有效解決了建筑物自身遮擋和光照因素所導致的點云數據孔洞、局部模型變形等問題[7]。

3.2 精度驗證

為檢驗三維模型的數據精度是否符合規范要求,本次共選取25個校對點位進行數據的比對檢驗。將模型提取的坐標成果與后期全站儀實測結果進行對比,如表1所示[8]。

表1 校對點精度統計 單位:m

根據《三維地理信息模型數據產品規范》(CH/T 9015—2012)中的模型評價標準,對融合后的模型進行了精度評定。結果顯示,融合后模型的平面中誤差均不超過10 cm,高程中誤差為10.3 cm。這符合I級平面中誤差不超過0.3 m和I級高程中誤差不超過0.5 m的外業精度要求。結果表明,通過空地數據融合建模能夠在保證模型精度的前提下獲得更真實的模型效果,整體精度遠高于相關標準。

4 結語

綜上所述,本文通過結合無人機傾斜攝影和地面近景攝影的方法,針對不同的地物目標選擇了相應的影像采集方式,將不同分辨率、不同角度的影像進行融合,以構建實景三維模型,并對模型進行了精度評估。研究結果表明,傾斜攝影和近景攝影的融合能提高模型質量,可為復雜建筑的紋理特征和局部細節的呈現提供優化方案,同時可為城市規劃、建筑設計和文化遺產保護等領域的實踐提供較好的技術支持。