基于倾斜影像的三维城市自动建模论文_姚雪妃

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摘要:近年来,我国城市化进程发展越来越快,城市空间也变得更加复杂,这就为城市管理加大了难度。在这种背景下,城市管理和地理信息服务对空间方位精确性、城市动态可视性需求增强,作为“智慧城市”空间载体的“数字城市”建设在全国各地如火如荼展开,快速构建数字城市实景三维模型也成为国内外众多学者研究的热点。

关键词:倾斜影像;三维城市;自动建模

引言

倾斜影像测量技术以大范围、高精度的方式全面感知复杂场景,系统具备高性能的协同并行处理能力,在新一代城市空间数据基础设施建设中有着巨大的发展潜力。倾斜影像模型三维模型本质上是DSM与影像数据的结合,具有精度高、信息丰富、效果直观逼真,获取快捷等优点。

1倾斜影像技术概述及优势

1)多角度真实反映地物信息

通过多个倾斜相机以多角度获取地物结构及纹理信息,更加真实反映地物空间及纹理信息,弥补正射影像在实际应用中存在的不足。

2)直观高效的量测性

通过配套软件的操作使用,可对包含高精度地理信息的倾斜模型进行高度、长度、面积、角度、坡度等量测,扩展了倾斜影像技术在行业中的应用。

3)易于网络发布

相对于数据量庞大的三维模型数据,倾斜模型的数据量要相对较小,倾斜模型在生成过程中自动生成LOD,采用成熟的技术可进行网络发布,实现跨部门共享。

2基于倾斜影像的城市三维建模关键技术

2.1单体化建模

2.1.1联合编辑

本研究采用两种编辑方式:

1)直接在3DMAX中编辑,不需要准确位置信息的编辑操作,例如,删除多余面、删除多余边等类似的编辑也可直接在3DMAX中进行,若在3DMAX中进行需要位置信息的编辑操作,则需要根据模型的实时反投确定模型的参数。

2)在SVS中进行立体编辑,SVS软件提供了部分在立体里面进行编辑的工具,主要实现需要位置信息的编辑操作。

2.1.2切片

切片工具也是针对面片的操作,需要在选中面的基础上实现切片。

2.1.3切割

切割类似于切片,其区别在于切平面是一个有限的空间面,切割面由模型面片的法相量与量测的两个点确定,量测时必须打开捕捉功能,捕捉模型上的两个点(顶点、边上的点或者面上的点)才能进行切割。

2.1.4半自动纹理修饰

1)批量贴图。获取正确的几何模型后,选中需要贴图的模型(可以选择一个或者同时选择多个)。2)纹理编辑。若纹理出现遮挡或者色彩等不符合要求,使用纹理编辑功能,进行不同镜头纹理的选择,如图1所示。

图1 纹理编辑

①选择需要矫正的面

②选择最佳纹理影像

通过选择纹理影像列表区域最佳纹理影像,选择的目标是纹理面积大、变形小。

③调整纹理顶点,剪切纹理

选择最佳影像后,即可选择“坐标映射”功能,将会看到被选中的表面纹理坐标,若纹理坐标与“十字丝”标志对应不正确,可以关闭“坐标映射“后重新打开。提示:在坐标映射窗口通过鼠标滚轮可以缩放影像。

选择“顶点调整”命令后,在坐标映射窗口,鼠标落在纹理顶点上时左键按下并移动鼠标,即可调整顶点。选择“面平移”命令后,在坐标映射窗口,左键按下并移动鼠标即可移动整个平面。

当各个顶点都对应正确后,选择“裁切”命令即可完成被选中表面的纹理提取。

④检查纹理贴图,若需要进一步处理,选择设置Photoshop路径,打开Photoshop后进行进一步的处理。

3)外业照片贴图

2.2三维重建

2.2.1 LiDAR数据的三维重建

从2000年开始,地面和机载激光雷达就大量进人了各种领域,在软件和硬件上的快速发展使得激光雷达技术得到空前进步,近十年来激光雷达成为了获得3D密集点云的重要甚至是主要的方式,摄影测量获得的3D点云的效率和效果都不能与之相比,很大程度上激光雷达取代了摄影测量成为主流的3D数据获取技术,这也导致很多摄影测量学者转向研究激光雷达技术,减缓了摄影测量自动化处理的发展以及新技术的进步。而近两年各种新一代的匹配技术、高度自动化的SFM技术和数码相机技术方面的发展,让摄影测量进人了新的阶段,基于影像的3D建模以及测量已经可以在较短的时间内获得,且几何精度接近于激光雷达。因而,近些年的市场,从以激光雷达设备为主流,开始转向更多的搭载影像获取设备,并依此进行3D数据的获取和建模。

当代摄影测量的密集匹配算法,由于高重叠度(9000)、多视匹配算法的进步、GPU的快速发展,以及数码航空影像的辐射分辨率的不断提高,其得到的点云的数量和质量都已经超过了激光扫描,以USD为10cm为例子,逐像素的密集匹配算法等达到100pts/mz,这样的密度使用激光雷达设备是很难达到的,即使做到了代价也非常大。在很多试验中,不论是地面、航空,或者卫星影像,都试图将激光雷达点云做为参考,以此来检查匹配结果的正确与否。然而,这种方式在一些案例中被证明是错误的。激光扫描和影像匹配数据的误差形式来源都十分不同。值得一提的是,激光雷达具备穿林的能力,因而在树林中依然能够获得地面点,这是目前其他任何测绘技术都无法具备的能力,因而激光雷达在林业上的应用暂时无可取代。最近几年已有一些研究对激光扫描和影像匹配二种三维重建手段在精度、分辨率,以及点云密度等方面进行了比较。总体来说,如今工程应用中二种技术的选择,主要取决于工程的需求、预算以及经验等。

2.2.2 LiDAR辅助倾斜影像三维重建

随着市场对精确的二维城市模型的需求大量增加,也促使世界各地的生产商致力于提供精细的城市二维模型。由于城市区域异常复杂,如果想要得到目标全方位无死角的高分辨率观测数据,依靠单一数据源经常无法满足要求。通过加人地面拍摄的影像进行综合处理,虽然能够灵活增加从地面角度拍摄的影像,填补倾斜影像存在的死角,但需要太多测站点,工作量巨大。近年来流行的车载激光扫描仪同时搭载数码相机获取城市侧面纹理,有效加快了获取地面数据的效率。车载激光扫描和倾斜摄影的联合,无疑是大范围场景全方位三维重建的有效方法。由于机载数据和地面数据的同名区域通常很小,且数据表现差异大,因而地面和机载二种平台数据源的配准以及综合处理仍然是需要攻克的一大难题。Hu等利用机载LinAR数据、航空影像、地面影像进行城市建筑物的重建,获得了较好的效果,然而该方法在LinAR和航空影像的配准上使用的几何模型不够严密且需要人工操作,100栋建筑需要2天时间建立模型,效率较低。Friih等利用机载激光雷达和地面激光雷达数据,加上机载影像和地面影像进行重建获得城市场景,但是该方法中影像和点云的配准依然是人工的,在地面数据构建的侧面模型和航空数据构建的顶面模型的配准上使用了简单的人工平移侧面结构关键点的方法。激光雷达数据与倾斜摄影数据在三维重建上均具有优势,如果将二种方法融合,利用地面激光雷达数据、地面影像数据辅助倾斜影像进行全面、精细目标三维场景重建,无疑是一种理想的复杂城市三维重建手段。但国内外相关研究成果基本上空白,激光雷达点云数据与影像数据之间的自动高精度配准仍是今后一段时期需要攻克的难点。

结语

总之,倾斜影像技术对推广三维模型的实践应用具有重要意义。经该技术生产出的三维模型,纹理细节好,定位精度较高,能够满足生产要求。但是该技术对于遮挡较为严重的地物,如树叶,构建的模型效果较差,不能满足应用需求,需要手动建模的辅助,这个也是将来进一步研究的方向。

参考文献

[1]张平,刘怡,蒋红兵.基于倾斜摄影测量技术的“数字资阳”三维建模及精度评定[J].测绘,2014(3):15-118.

[2]陈玲.基于CAD和Creator的城市三维快速建模方法研究[J].城市勘测,2014(4):58-62.

论文作者:姚雪妃

论文发表刊物:《基层建设》2018年第26期

论文发表时间:2018/10/1

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