基于傾斜攝影測量的單體建筑三維建模技術初探

李紅梅,管恬融,曹偉強,危 威

(1.昆明市不動產登記中心,云南 昆明 650000;2.昆明市規劃設計研究院有限公司,云南 昆明 650000)

0 引言

隨著計算機技術和測繪地理信息技術的高速發展,無人機傾斜攝影測量三維建模技術越來越成熟,應用越來越廣泛。傾斜攝影測量技術是一種基于傳統攝影測量技術發展起來的新興技術。它利用同一飛行平臺上搭載的多臺傳感器,同時從垂直、側向和前后等角度采集圖像,能夠比較完整地獲取地面建筑物的側面紋理信息。再結合現有的、具有協同并行處理能力的傾斜影像數據處理軟件,可實現大范圍的城市三維模型的快速構建,較大程度上提高了三維模型的生產效率。

傳統的模型建立是利用二維信息建立三維立方體,其紋理是依靠專門的三維軟件進行人工粘貼,其工作量較大,生產成本也高。而傾斜攝影測量三維建模技術是直接生成基于影像紋理的高分辨率傾斜攝影三維模型,建立的三維模型更為真實,且速度快。

本研究通過傾斜攝影測量技術,針對消費級無人機三維建模開展有益探索,對城市地塊建筑空間形態進行識別與畫像,實現二維影像數據到三維空間的映射,建立城市地塊建筑的三維模型,探索一套準確、高效進行建筑空間形態畫像的技術流程,為未來批量開展該類工作奠定良好基礎。

1 國內外研究現狀

1.1 傾斜攝影測量在老舊小區改造方面的應用研究

舊城區老舊建筑、違章建筑較多,原有地理信息資料年代久遠,個別地區業主有抵觸情緒,實地調查測繪難度較大。得益于無人機操控簡便靈活、易維護且成本低的特點,無人機測繪技術可在舊城改造調查測繪中解決實測問題,極大提高了外業調查測繪人員的工作效率,也為開展舊城改造工作提供了重要的數據支撐[1]。

于麒利用消費級單鏡頭無人機配合智能云臺采集了占地面積為20萬m2的黑龍江省哈爾濱市道里區共樂小區宜居改造項目的多視影像數據,完成了測區三維模型構建。將消費級無人機傾斜攝影測量的方法應用于宜居改造項目的前期整體測繪工作中,滿足了宜居改造對測繪工作的需求,并取得較好效果[2]。

劉靜、何永鐘采用無人機傾斜攝影測量系統獲取多視影像數據,對舊城區進行立體測繪,通過傾斜攝影測量技術創建實景三維模型,利用該模型實現標高量測,建筑尺寸、高度量測,拆遷面積預測算等工作,對傾斜無人機攝影測量技術在舊城區改造工程方向的廣泛應用提供一種思路[3]。

1.2 傾斜攝影測量在歷史建筑建模方面的應用研究

吳曉偉等利用傾斜攝影測量的方法先用無人機及航線規劃軟件Altizure對漳浦錦江樓進行拍攝采集,再利用商業軟件 Context Capture進行三維自動建模,得到一個較為精細的模型,并計算建筑物的近似高度,地面距離和基本矢量化[4]。韓士偉等針對單棟古建筑范圍小、場景復雜、影像拍攝困難、建模精細度要求較高等特點,利用大疆精靈無人機及其二次開發技術,提出和實現了一種定點環繞多層、多角度傾斜攝影方法[5]。李核心等針對傳統歷史建筑測繪方法工作量大、準確性低、成果形式單一的問題,提出了基于傾斜攝影和三維激光點云融合技術應用于歷史建筑測繪,制作準確、完整的圖紙,并進行三維仿真建模,實現了歷史建筑的全面、準確測繪,為歷史建筑后期開展維護管理、保護修繕、合理利用提供準確、完整的基礎資料[6]。葉珉呂等結合佛山市禪城區歷史建筑精細測繪項目實踐,提出了基于三維激光掃描儀、無人機、全站儀、激光測距儀、數碼相機等技術手段的歷史建筑精細測繪方法,最終成果形成了完整的內外業作業流程,可為類似項目提供一套完整的技術方案[7]。金艷萍等提出基于無人機傾斜攝影測量和三維激光掃描技術的歷史建筑數字實景模型創建方法,成功建立了歷史建筑的精細化整體模型,解決了存在盲區、紋理細節表達粗糙的問題,對歷史建筑數字化保護、活化利用提供了數據支撐[8]。

2 研究技術路線

研究技術路線如圖1所示。

圖1 研究技術路線圖Fig.1 Technology roadmap

3 基于傾斜攝影測量單體建筑的三維建模

3.1 數據采集及處理

3.1.1 數據采集

為探究不同的數據采集方式對三維模型構建的影響,同時結合目標對象的位置特點,采用了4種數據采集方式,具體為：在昆明市某古塔采用正射加切斜拍攝,獲取影像583張;在昆明市某小區老舊居民樓采用空中傾斜攝影和地面手持相機拍攝,獲取影像268張;在呈貢三臺山東驤閣采用手動自由拍攝,獲取影像352張;在昆明某大學圖書館采用環形拍攝,獲取影像90張。

3.1.2 三維建模方法

結合所采集數據情況、技術方法可行性以及成本考慮,在三維建模階段,采用了空地結合三維建模和軟件自動建模。

針對城市密集建筑物區域三維建模的攝影遮擋,造成多視影像密集匹配精度受限,從而影響城市三維建模的精細問題,在研究中嘗試了空地結合建模技術,即利用無人機傾斜攝影和地面定點拍照的方式獲取影像,將空、地兩類照片資料分別進行空三計算并建模,然后通過人工添加同名點的方式進行空、地兩類模型自動融合,最終自動生成遠近視角逼真且位置精度高的實景三維模型。具體流程如圖2所示。

圖2 空地結合三維建模流程圖Fig.2 3D modeling flow of air-ground combination

3.1.3 三維模型修整方法

在三模模型重建完成之后,還需要對模型進行一些細部的修整,使用Context Capture 和 SketchUp、Geomagic Studio、Rhinoceros軟件相結合進行修正。

3.2 數據處理

3.2.1 傾斜攝影測量建模

選取昆明市某古塔作為研究對象,該古塔周圍開闊,適宜采用傾斜攝影測量的方式獲取數據。實驗中發現在模型接近地面的位置由于地物遮擋問題,模型存在嚴重的粘連和不清晰情況,后續采用空地結合的方式解決了這個問題。最終獲得的傾斜攝影測量三維建模效果見圖3。

圖3 傾斜攝影測量三維建模效果圖Fig.3 3D modeling rendering of oblique photogrammetry

3.2.2 空地結合三維建模

選取昆明市某老舊居民樓為研究對象,該居民樓臨街樹木茂密、車輛較多,為拍攝建模造成阻礙,為此采用空地結合建模技術進行建模。該方法結合了空地數據,可以彌補無人機航空傾斜影像和地面近景影像各自的缺點,建模精度得到提升,同時操作過程較為簡單,但對于Context Capture軟件的操作要求高且建模所需數據量較大。此外,由于民用設備分辨率及空間定位問題,造成了兩種建模結果存在色差、精度差距大、空地數據結合效果不佳等問題,后續仍需進一步處理空地數據結合問題。獲得的空地結合三維模型見圖4。

圖4 空地結合的三維模型Fig.4 3D models of air-ground combination

3.2.3 精細化三維模型重建

1)手動自由拍攝獲取數據

由于無人機航線飛行拍攝中存在局部遮擋、航線設定不合理等問題,實驗采用無人機手動自由拍攝,以多方位、多角度的拍攝彌補航線飛行拍攝的不足。

選取呈貢三臺山東驤閣為研究對象,東驤閣位于滇池東岸,云南省昆明市呈貢區北面山巔,周圍雖無其他建筑,但樹木會影響航線拍攝質量,因此選用手動自由拍攝的方式。從建模效果來看,建模精度相對航線飛行建模精度有一定提高,尤其對于建筑側立面局部的建模細節有明顯提升。通過本次實踐,初步探索精細化建?？尚行院图夹g路徑。建模效果如圖5所示。

圖5 東驤閣建模效果Fig.5 3D modeling of Dongxiangge

2)環繞飛行獲取數據

對于獨棟建筑且周圍比較開闊的場景,除了正射影像采集,傾斜影像采集亦可采用立體環繞飛行航拍模式進行。相對手動飛行采集建筑側面影像的方法,設定環繞飛行更加便捷,但對于建筑周邊環境也有一定要求。

選取昆明某大學圖書館為研究對象,該圖書館周圍場地開闊,有利于立體環繞飛行的航線設定。對圖書館進行高距、中距兩個等圓環線拍攝。通過實踐,實現單棟建筑環繞飛行建模技術路徑。從獲取的建模效果可以看出,在建筑外立面平整位置建模效果較好,但是有窗戶和柵欄的部分,建模精度欠佳,在拍攝盲區會有漏洞出現,后續仍需手動修整。獲得的模型如圖6所示。

圖6 環繞飛行建模效果Fig.6 3D modeling results of circling flight

3.3 與建筑行業常用建模軟件的結合應用

3.3.1 與SketchUp軟件結合應用

將古塔的三維模型導入SketchUp中,并在SketchUp中制作一個雕塑模型,對兩個模型進行融合,實現了對模型的替換,可用于模型在真實地形中的效果展示,見圖7。

圖7 傾斜攝影模型導入SketchUp軟件中替換效果展示Fig.7 Replacement effect of importing oblique photographic model into SketchUp software

3.3.2 與Geomagic Studio軟件結合應用

將東驤閣的三維重建模型導入Geomagic Studio中,對模型缺失的部分進行漏洞補充,不平整的墻面進行平整處理,使模型更為精細。

使用Geomagic Studio軟件補充模型漏洞,抹平坑洼墻面,同時去除模型背景雜亂的多余點云。從模型修整結果來看,修整效果較好,但是容易影響模型整體的精度。對于古建筑之類表面復雜的建筑來說,若在建模階段精度不高,則后續模型修整工作的工作量巨大,且容易讓真實建筑外觀的細節部分產生較大誤差。具體效果見圖8。

圖8 傾斜攝影模型導入Geomagic Studio軟件Fig.8 Importing oblique photography model into Geomagic Studio software

3.3.3 與Rhinoceros軟件的結合應用

將東驤閣的三維重建模型導入Rhinoceros中,對模型缺失和失真部分進行修整,使其更貼近真實情況。將傾斜攝影模型導入Rhinoceros后雖然可以進行編輯操作,但由于傾斜攝影模型為一個整體,而不是規劃建筑行業日常建模軟件(如SketchUp)中分組件、分群組建模的模型,對后期模型精細修改仍有較大困難。未來若要進行模型的精細修改,還應借助測繪專業相關專業軟件實現。修模效果見圖9。

圖9 傾斜攝影模型導入犀牛軟件Fig.9 Importing oblique photography model into Rhinoceros software

4 結束語

無人機傾斜攝影測量技術的出現,對城市地塊建筑空間形態研究帶來了新的可能。通過無人機低空多角度攝影獲得高清晰立體影像數據,自動制作生成三維地理信息模型,實現地理信息的快速獲取,具有成本低、操作靈活、數據精確、側面信息可用以及效率高等特點,在歷史建筑保護、城市更新、小片區城市規劃、建筑規劃設計等方面具有廣闊的應用前景。