大區域實景三維模型拼接融合方法及應用

張廣慶 王新田 張允濤 吳琪 孟萌

摘要：隨著實景三維中國建設的開展，大區域實景三維重建與更新已成為迫切需求，其建模面積大、模型成果異構、多尺度等特點導致場景拼接與融合成為丞待解決的問題，本文分別從影像及控制點重疊建立空三工程、包含相同控制點的空三工程融合2個角度，探究了從數據處理中實現三維場景拼接的方法，其次從模型成果的角度通過鄰域瓦塊的幾何拓撲優化實現三維場景無縫拼接，文章對3種方法進行了試驗對比及適用性分析，該研究解決了大場景三維模型拼接的問題，促進了實景三維高效高質建設。

關鍵詞：大區域；實景三維模型；多尺度；拼接融合

中圖分類號：P235.2????文獻標識碼：A????doi：10.12128/j.issn.1672-6979.2024.02.006

引文格式：張廣慶，王新田，張允濤，等.大區域實景三維模型拼接融合方法及應用［J］.山東國土資源，2024，40（2）：3339. ZHANG Guangqing， WANG Xintian， ZHANG Yuntao， et al. Method and Application of Large Area Realistic 3D Model Splicing and Fusion［J］.Shandong Land and Resources，2024，40（2）：3339.

0?引言

實景三維中國建設是“十四五”期間新型基礎測繪的重要組成部分［16］，實景三維城市是對客觀世界的真實表達，相比于其他地理信息產品，具有效果真實、精確度高的優勢，已成為智慧城市建設、城市精細化管理、應急管理、三維自然資源管理等方面重要的地理信息三維數據底板［710］。傾斜攝影、激光雷達、無人機航測、云計算、大數據等技術的快速發展，全面改變了傳統三維城市建設模式，使得地市級城市可以低成本、高效快速構建全覆蓋的實景三維城市，采用先進的技術手段高效快速構建地市級實景三維已成為研究重點［1114］。

在大面積的城市級實景三維建設中，存在建設面積大、數據龐大、軟硬件難以滿足海量數據處理的需求，需要分塊分區域數據重建，導致空三解算的精度存在不均勻，三維瓦塊模型之間在接邊處產生幾何的二義性問題。同時，實景三維場景數據一般體量十分巨大，采集時相、數學精度、數據標準、成果格式、發布形式等均存在差異，缺乏有效場景融合。針對此問題，趙文成［15］從原始數據角度，針對分塊空三自動生產導致接邊區域三維模型精度差的問題，在已有精度符合要求的三維模型上提取三維點坐標用于接邊空三轉刺，以提升接邊區域三維模型精度；魏祖帥［16］從傾斜影像初始拓撲關系的建立、特征點提取、匹配、空三精度等方面進行研究，以解決傾斜攝影空三的問題；張光偉等［17］從數據成果的角度探索并改進了多源實景三維數據的空間精度匹配與數據接邊的方法；劉姝玉［18］針對模型融合時拼接邊界的適用性，提出了三次B樣條曲線曲面拼接方法并對基于拉普拉斯變形的特征網格保形拼接算法進行了優化研究；胡笑莉等［19］提出了通過特征點提取、特征點匹配、空間變化三個步驟的全自動、快速、高精度的三維立體模型拼接方法；李云等［20］提出了基于緩沖區柵格插值的地形融合方法解決三維模型與大場景地形融合的問題。本文從傾斜攝影數據處理及模型成果2種角度探索了3種拼接方法，以實現高效率、高精度三維模型拼接，為大區域實景三維場景更新維護與應用提供關鍵技術支撐。

1?拼接方法

1.1?基于影像及控制點重疊的實景三維場景拼接

面對大區域或者高分辨率三維重建中影像數據達幾十萬甚至上百萬張這一現狀，實際作業中會將任務區分割成十萬張影像為一個作業區，以每個作業區為一個工程進行空三加密及三維模型生產。該方法根據POS數據及控制點分布，將影像分為A、B或者更多工程，為保證空三解算的精度盡量一致，AB工程重疊4條以上航線，且邊界有控制點。對AB工程分別進行空三加密處理，根據空三加密成果得到測區范圍內密集點云，構建TIN網得到測區白模成果并進行紋理映射，設置建模成果坐標系及建模范圍、切塊模式、瓦片大小、模型中心點及命名起算點等參數，分別輸出工程A和工程B范圍內的實景三維模型。該方法（以下統稱方法一）在數據預處理時完成數據分區分塊，后續三維建模步驟中AB兩工程獨立進行，最后進行模型精度及接邊處模型坐標差的檢驗?；诖朔椒ǖ娜S建模流程圖如圖1所示。該方法擬根據公共控制點及連接點，使得AB工程的空三解算數據達到空間基準的統一，從而抵消分別平差造成的系統誤差，達到接邊處瓦片坐標一致的目的。

1.2?基于控制點連接及空三工程融合的場景拼接

該方法根據航攝數據量及軟硬件實際處理能力，將數據分成AB兩個作業區或者更多分區，分區之間不考慮重疊范圍大小，對A、B工程分別空三加密處理，并將空三成果Block_A_AT及Block_B_AT輸出。為減小數據計算量，將兩工程接邊處的空三成果裁切出來，裁切的要求為裁切范圍的邊界處有控制點分布，將裁切出的A1、B1空三成果進行合并即MergeA1+B1，將此新工程中的控制點進行轉刺，平差及三維建模處理，最后將其范圍內模型進行輸出，并將A、B范圍內的瓦片輸出，完成整個大區域的三維模型生產，基于此方法的三維建模流程圖如圖2所示。該方法（以下統稱方法二）相比較方法一，從空三數據處理的角度將兩塊區域聯結起來。將2個工程的空三成果合并成一個工程，對接邊區域轉刺控制點并平差，充分利用了控制點的控制及連接作用，利用接邊工程MergeA1+B1抵消分別平差造成的系統誤差，達到接邊處瓦片坐標一致的目的。

1.3?采用幾何拓撲一致性方法的三維場景融合

針對分塊建模以及不同來源、不同分辨率、不同時相的實景三維數據存在系統誤差及接邊縫的問題，提出基于傾斜攝影三維Mesh模型的幾何拓撲一致性融合方法（以下統稱方法三）。該方法主要包括重疊區域檢測、構建Delaunay四面體、幾何重構求解最優化函數等三部分內容。

（1）檢測重疊區域。

由于不同工程構建出的三角網格存在誤差，相鄰近的瓦塊之間在重疊區域的拓撲不一致，因此需要對重疊區域進行檢測，假設需要合并的三角網格的重疊區域與真實表面很接近，對于每個瓦塊的三角網格來說，遍歷每一個三角面fi（A，B，C），計算其重心坐標G，以G為中心構建三角面的外包球B（G，r），其中r=k·max{GA，GB，GC}（k>1，默認值可設置為1.1）。于是，可以根據不同瓦塊三角網格中的三角面之間的外包球是否相交來檢測重疊區域。假設P={Pi}代表重疊區域內所有三角面頂點的集合，根據每個頂點Pi的一環鄰域三角面法向的加權平均值來計算其法向量ni。而對于每個瓦塊的三角網格來說，將其已標記為重疊區域的三角面外擴一周作為緩沖區F，緩沖區F中的三角面與非重疊區域中三角面所共用的邊則標記為集合E。

（2）構建帶限制條件的Delaunay四面體。

為了保證拓撲重構的穩定性，在進行幾何重構之前，首先需要將緩沖區F中自相交的三角面以及重疊區域內坐標相近的頂點進行刪除。通過給每個頂點設置一個極小的搜索半徑來尋找坐標相近的其他頂點。然后，利用重疊區域中的點集合P和緩沖區F中的三角面構建帶限制條件的Delaunay四面體。

（3）采用Delaunay四面體二值標記法的幾何重構。

將重疊區的幾何重構問題看作是對上述Delaunay四面體進行二值標記的問題。因此，首先需要將Delaunay四面體轉化成有向圖G：每個四面體對應有向圖中的單個頂點V，鄰接的2個四面體所共用的三角面對應有向圖中的邊E。所以，對Delaunay四面體進行二值標記的問題就轉化成有向圖G的“最大流最小割”問題，采用受約束代價圖3（a）、法向量代價圖3（b）、質量代價構圖3（c）建關于Cut的能量函數，通過求解最優化函數后，將瓦塊間的幾何縫隙進行消除（圖3）。

2?大區域實景三維重建實例分析

2.1?方法一拼接試驗

采用方法一對試驗區一進行三維模型生產。根據控制點分布情況，將該數據分為2個分區（圖4）即Q1和Q2，兩工程分別獨立進行三維模型生產，利用145個檢查點進行精度分析，統計出平面坐標中誤差0.058m，高程中誤差0.063m，滿足相關精度要求。對接邊處瓦片進行對比分析，發現接邊處平面坐標幾乎完成一致，可輕易看到高程接邊縫（圖5），隨機采集18個點，采集其三維坐標（X，Y，Z）如表1，拼接處平面坐標差值在1cm以內，高程差值在6cm以內。?2.2?方法二拼接試驗

根據實驗區二控制點分布及軟硬件配置情況，采用方法二將該區域航飛影像分3個分區即Dp1、Dp2和Dp3，三工程分別進行空三處理并導出空三成果，對接邊區域進行裁切合并即MergeDp123（圖6），對其進行控制點轉刺和平差處理，輸出整個測區三維瓦片。對接邊處瓦片進行對比分析，幾乎沒有平面及高程差（圖7），隨機采集20個點，其三維坐標（X，Y，Z）如表2，拼接處平面坐標差值在1cm以內，高程差值在2cm以內。

2.3?方法三拼接試驗

隨著各地市實景三維建設的開展，瓦片數據更新的需求越來越多。在10cm分辨率三維模型基礎上更新3cm分辨率瓦片，采用方法三解決該問題。根據低密度服從高密度原則，選擇10cm三維模型為源數據，3cm為目標數據（圖8）。沿著道路等平面地物繪制兩數據重疊區域，基本原則為保證范圍線上的兩模型的地物基本一致，地物沒有較大變化且平面坐標偏差不大；在該區域匹配模型控制點，即在源數據及目標數據間進行控制點采集，采集點間距為2m，共采集了1522個控制點；繼而進行拓撲重構計算，完成接邊處瓦片的融合（圖9）。對接邊處瓦片進行對比分析（圖10），隨機采集23個三維坐標如表3，拼接處平面坐標差值在8cm以內，高程差值在5cm以內。

2.4?試驗結果分析

3種模型拼接方法均滿足傾斜航空攝影三維建模精度要求，方法一，數據處理思路較簡單，只需要在分塊作業時，分區數據有一定影像及控制點的重疊，采用該方法3cm分辨率三維模型的高程接邊精度在6cm以內；方法二，數據處理較方法一繁瑣，需要將各個分工程接邊處的空三成果合并及控制點轉刺，但是該方法接邊精度較方法一高，3cm分辨率三維模型的高程接邊精度在2cm以內；方法三，相較方法一和方法二，是完成建模后對模型成果的處理，3cm與10cm分辨率模型接邊平面差值在8cm以內，高程差在5cm以內。

在實景三維建設中，可根據項目情況選擇最優方法完成模型無縫拼接和融合：對于相近分辨率及航高的傾斜航攝數據，可在同一工程中處理，可采用方法二進行三維建模全流程生產，在數據處理過程中完成了瓦片間的接邊，避免了繁瑣的模型成果接邊工作，從而提高了生產效率；對于不同分辨率、不同項目獲取、多元數據以及無法利用方法二接邊的的三維模型，可利用方法三進行瓦片間的無縫融合。

3?結語

隨著地形級、城市級等多級實景三維建設的廣泛開展，三維場景生產建設面臨數據海量、多尺度及場景更新的問題。本文提出了3種實景三維場景拼接融合的方法，并根據生產案例對3種方法進行了對比及適用性分析，3種拼接方法互為補充，可解決大部分的三維模型拼接問題。該研究為實景三維場景更新維護與應用提供了關鍵技術支撐，打造好自然資源三維立體時空數據庫自然資源“一張圖”的時空基底，更好服務于自然資源管理、城市精細化管理。

參考文獻：

［1］?劉先林.中國實景三維建設的困境與建議［J］.發展研究，2023，40（9）：18.

［2］?蔣汪洋，和璇.基于無人機傾斜攝影的實景三維中國建設關鍵技術探討［J］.測繪與空間地理信息，2023，46（增刊1）：275278.

［3］?王瑞幺，嚴榮華，肖建華，等.國家新型基礎測繪體系建設試點的進展與思考［J］.地理空間信息，2023，21（7）：16.

［4］?陸芬.新征程 ?新測繪 ?新挑戰［N］. 中國自然資源報，20230828（001）.

［5］?黃曉芳.加快實景三維中國建設［N］.經濟日報，20230825（006）.

［6］?王維，王晨陽.實景三維中國建設布局與實現路徑思考［J］．測繪與空間地理信息，2021，44（7）：614.

［7］?白楊，李永強，王英，等.時空一體化實景三維建模在自然資源確權登記中的應用研究：以山東長島國家級自然保護區為例［J］.山東國土資源，2023，39（10）：6774.

［8］?侯恩兵.安徽省實景三維建設試點項目設計與實現［J］.地理空間信息，2023，21（7）：8285.

［9］?王峰，滕俊利，王希秀．多源數據融合實景三維建模關鍵技術研究［J］.山東國土資源，2023，39（1）：7073.

［10］?蔡振鋒，彭斌，季霞，等．地市級實景三維城市建設及應用：以實景三維臨沂建設為例［J］．測繪通報，2021（11）：115119．

［11］?劉冰鑫，張永軍，劉欣怡.實景三維建模方法及應用研究［J］.測繪地理信息，2023，48（4）：16.

［12］?卞敏，徐亮，駱元鵬，等.空地一體精細化三維模型構建方法［J］.測繪通報，2019（7）：8386.

［13］?謝云鵬，呂可晶.多源數據融合的城市三維實景建模［J］.重慶大學學報，2022，45（4）：143154.

［14］?凌曉春，張金盈，楊金鳳，等．實景三維山東建設關鍵技術研究［J］．山東國土資源，2022，38（8）：3439.

［15］?趙文成.傾斜攝影接邊區域三維模型精度優化研究［J］.技術創新與生產力，2022（3）：102105.

［16］?魏祖帥.傾斜攝影空中三角測量若干關鍵技術研究［D］．焦作：河南理工大學，2015：4060.

［17］?張光偉，吳昊，郭震冬．實景三維多源數據場景融合［J］．測繪通報，2022（8）：155159.

［18］?劉姝玉.三維網格模型拼接技術的研究與實現［D］.太原：中北大學，2019：1025.

［19］?胡笑莉，仲思東.基于立體視覺的三維立體模型全自動拼接方法［J］.科學技術與工程，2015，15（12）：7580.

［20］?李云，劉專，彭能舜，等.傾斜攝影三維模型的大場景地形融合研究［J］.測繪科學，2018，43（7）：103108.

Method and Application of Large Area Realistic 3D Model Splicing and Fusion

ZHANG Guangqing， WANG Xintian， ZHANG Yuntao， WU Qi， MENG Meng

（Shandong Provincial Institute of Land Surveying and Mapping， Shandong Ji'nan 250013， China）

Abstract：Accompanying with the development of the construction of 3D real scene in China， the reconstruction and updating of large scale real 3D models has become an urgent demand. The characteristics of its large modeling area， heterogeneous model results， and multi-scale have made scene splicing and fusion an urgent problem to be solved. In this paper， from the aspects of establishing spatial engineering with overlapping images and control points， and integrating spatial engineering with the same control points， the method of implementing 3D scene stitching from data processing has been explored. The applicability of three methods has been tested and compared through experiments. It can solve the problem of large scale 3D model stitching and promotes the efficient and high quality construction of real 3D scenes.

Key words：Large regions; real 3D model; multi scale; splicing and fusion

收稿日期：20231031；修訂日期：20231123；編輯：陶衛衛作者簡介：張廣慶（1987—），男，山東壽光人，高級工程師，主要從事攝影測量與遙感、實景三維建設等工作；Email：296869962@qq.com?*通訊作者：王新田（1991—），女，山東聊城人，工程師，從事攝影測量與遙感、實景三維建設等工作；Email：wangxintianhope@163.com