摘要：近景攝影測(cè)量是通過(guò)攝影和隨后的圖像處理和攝影測(cè)量處理以獲取被攝目標(biāo)形狀、大小和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的一門技術(shù)。近景攝影測(cè)量是攝影測(cè)量的一個(gè)重要分支，主要研究近景物體的三維構(gòu)建，地形測(cè)量等。三維模型已成為對(duì)象表達(dá)的一種新的數(shù)據(jù)媒介，三維建模技術(shù)能對(duì)現(xiàn)實(shí)世界中的對(duì)象逼真建模和模擬再現(xiàn)。本文主要對(duì)近景攝影測(cè)量和三維建模進(jìn)行了詳細(xì)的介紹和論述，僅供參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：近景攝影測(cè)量；三維建模；方法；對(duì)比

前言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和社會(huì)文明的進(jìn)步，對(duì)三維測(cè)量的技術(shù)要求越來(lái)越嚴(yán)格，目前三維測(cè)量技術(shù)在航空、航天、城市規(guī)劃，地質(zhì)建模，自然災(zāi)害等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量是一種基于全數(shù)字的測(cè)量方法，不僅測(cè)量的原始資料和記錄的中間數(shù)據(jù)是數(shù)字形式，而且攝影的地圖，模型，影像圖，數(shù)據(jù)庫(kù)以及地理信息系統(tǒng)等等都是數(shù)據(jù)形式的。隨著數(shù)字采集技術(shù)的不斷發(fā)展以及數(shù)字化概念的不斷深化，人們已不再滿足于傳統(tǒng)二維手段描述的三維信息，目前三維模型已成為繼圖像、聲音和視頻之后的第四種多媒體數(shù)據(jù)類型，物體的表現(xiàn)形式也逐漸從二維表示向三維自動(dòng)化建模的方向過(guò)渡。

1、近景攝影測(cè)量概述

近景攝影測(cè)量是指利用對(duì)物距不大于300米的目標(biāo)物攝取的立體像對(duì)進(jìn)行的攝影測(cè)量。

近景攝影測(cè)量綜合了數(shù)字圖像處理、計(jì)算機(jī)技術(shù)、模式識(shí)別、影像匹配等多學(xué)科的理論和方法；是基于攝影測(cè)量與數(shù)字影像處理的基本原理；是用數(shù)學(xué)方式將所攝影對(duì)象的幾何與物理信息提取出來(lái)的攝影測(cè)量學(xué)。

隨著攝影測(cè)量經(jīng)過(guò)模擬攝影測(cè)量、解析攝影測(cè)量的發(fā)展，數(shù)字化攝影測(cè)量已比較成熟。而數(shù)字化近攝影測(cè)量作為它的一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域，在許多方面具有優(yōu)越性，據(jù)世界各國(guó)的應(yīng)用情況表明，現(xiàn)幾乎找不到未使用近景攝影測(cè)量技術(shù)的行業(yè)。所以，對(duì)近景攝影測(cè)量技術(shù)進(jìn)行理論和應(yīng)用研究是必要的，對(duì)提高工作效率和促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有實(shí)際意義及使用價(jià)值。

2、三維建模方法

2.1 基于AutoCAD的人機(jī)交互式建模

對(duì)于幾何形體相對(duì)規(guī)則的建筑，常規(guī)使用免棱鏡電子全站儀對(duì)建筑物構(gòu)件的三維特征點(diǎn)進(jìn)行散點(diǎn)式數(shù)據(jù)采集。采集數(shù)據(jù)同時(shí)采用“四位編碼法”對(duì)特征點(diǎn)編碼，并按建筑構(gòu)件分類分層存儲(chǔ)。繪圖時(shí)根據(jù)特征點(diǎn)編碼結(jié)合測(cè)繪順序在CAD中編寫LISP程序?qū)ㄖ飳?shí)現(xiàn)自動(dòng)展點(diǎn)和自動(dòng)連線生成線框圖。

2.2 基于掃描點(diǎn)云的建模

對(duì)于不規(guī)則物體，全站儀則顯得無(wú)能為力了。三維激光掃描技術(shù)克服了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集方式的不足，應(yīng)運(yùn)而生的模型自動(dòng)化重建技術(shù)愈來(lái)愈受到重視。目前基于掃描點(diǎn)云的建模一般流程可概括為點(diǎn)云的獲取、表面重建、點(diǎn)云的處理與建模三個(gè)階段。以某建筑為例具體實(shí)驗(yàn)步驟如下：

①點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取。實(shí)驗(yàn)采用Leica C10對(duì)某樓進(jìn)行掃描測(cè)量，根據(jù)該樓的輪廓特征和實(shí)際掃描范圍等影響因子。

②點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理。為了給建模階段提供較理想的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，需對(duì)原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行點(diǎn)云拼接、去噪、采樣等預(yù)處理。點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理既可通過(guò)算法實(shí)現(xiàn)，也可以通過(guò)掃描儀配套軟件完成。這一步操作十分重要，是決定后續(xù)數(shù)據(jù)質(zhì)量好壞和執(zhí)行效率的關(guān)鍵。

③點(diǎn)云數(shù)據(jù)建模。目前，對(duì)建筑物點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型重建的研究多數(shù)從兩個(gè)方面展開(kāi)：一方面提取建筑物的邊界特征，以特征為約束構(gòu)建三維實(shí)體模型；另一方面是直接對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)網(wǎng)格化，建立拓?fù)潢P(guān)系，進(jìn)行表面重建和優(yōu)化。本實(shí)驗(yàn)采用點(diǎn)云數(shù)據(jù)分割、曲面擬合以及交互組合的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)建筑物對(duì)象的三維建模。建模步驟大致可分類以下三大步：

首先是海量散亂點(diǎn)云數(shù)據(jù)分割，點(diǎn)云分割是為下階段精細(xì)建模做準(zhǔn)備。根據(jù)空間點(diǎn)的鄰域關(guān)系估算點(diǎn)與點(diǎn)間的拓?fù)潢P(guān)系，將建筑模型分割為平整墻面、屋頂和附件幾大區(qū)域。其次是分割部分精細(xì)建模，自動(dòng)識(shí)別提取點(diǎn)云數(shù)據(jù)特征，并以此特征為約束迭代擬合模型，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建三角網(wǎng)格。其次是模型拼接，根據(jù)模型間的特征及法矢拼接相鄰模型，對(duì)拼接后的兩模型公共區(qū)域部分的三角網(wǎng)進(jìn)行裁剪、檢查以及模型修補(bǔ)和優(yōu)化。

2.3 基于近景攝影測(cè)量的建模

實(shí)驗(yàn)攝影采用的是非量測(cè)型相機(jī)，以某大學(xué)建筑正門為例，根據(jù)近景攝影測(cè)量原理構(gòu)建三維模型的流程步驟如下：

①影像采集。以多攝站正直環(huán)繞攝影方式用普通相機(jī)對(duì)大禮堂進(jìn)行攝影，共布設(shè)8個(gè)攝站。

②坐標(biāo)解算。考慮到非量測(cè)數(shù)碼相機(jī)的內(nèi)、外方位元素的初始近似值未知以及像點(diǎn)、攝影中心、相應(yīng)地物點(diǎn)間的不共線，需使用加入像點(diǎn)坐標(biāo)改正數(shù)的直接線性變換解法，建立像點(diǎn)坐標(biāo)與相應(yīng)物點(diǎn)空間坐標(biāo)之間的線性關(guān)系。

③繪制實(shí)體。在相片上采集一定密度的特征點(diǎn)并解算該特征點(diǎn)的三維坐標(biāo)，反向投影到三維空間后借助三維繪圖軟件展繪建筑上的特征點(diǎn)，增補(bǔ)遺漏點(diǎn)，并利用計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)構(gòu)建一個(gè)線框和幾何實(shí)體模型。

3、三維建模方法對(duì)比分析

基于人機(jī)交互的建模、基于掃描點(diǎn)云和基于攝影測(cè)量的建模這三種建模方法都是基于測(cè)量的建模方式，都需要以外業(yè)采集的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行建模。

基于人機(jī)交互的建模方法應(yīng)用時(shí)間較長(zhǎng)，技術(shù)路線較成熟，國(guó)內(nèi)外研發(fā)的許多控制集成建模軟件都可以利用基本的幾何元素構(gòu)建復(fù)雜的幾何場(chǎng)景。這種建模方法靈活，能逼真再現(xiàn)對(duì)象的幾何結(jié)構(gòu)和表面紋理信息，適合用于對(duì)建模效果和細(xì)節(jié)要求較高的對(duì)象。但對(duì)于諸如小區(qū)、城市這樣的大規(guī)模場(chǎng)景，如果每個(gè)模型都進(jìn)行精細(xì)建模，不僅工作量大、費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且龐大的數(shù)據(jù)量也要求計(jì)算機(jī)硬件具備配套的處理能力，這也成為日后模型調(diào)用、管理的一大瓶頸。

基于點(diǎn)云的三維建模方法適用于不規(guī)則對(duì)象的三維建模，三維激光掃描技術(shù)克服了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集方式的不足，提高了數(shù)據(jù)采集的精度和效率，獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)信息量大，包含三維空間信息、顏色屬性和反射強(qiáng)度信息，通過(guò)一定的算法對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理即可快速構(gòu)建被測(cè)物體的三維模型。這種方法自動(dòng)化程度高，構(gòu)建的數(shù)字模型不僅精度較高還帶有豐富的細(xì)節(jié)信息。但三維激光掃描在掃描過(guò)程中容易產(chǎn)生漏洞，且龐大的點(diǎn)云和數(shù)據(jù)處理技術(shù)也制約了該技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和廣泛應(yīng)用。

基于攝影測(cè)量的建模包括近景攝影和相片處理兩個(gè)過(guò)程，且兩階段可獨(dú)立進(jìn)行。攝影時(shí)可根據(jù)測(cè)量精度要求選用量測(cè)攝影機(jī)或非量測(cè)攝影機(jī)；目前相片處理技術(shù)已相對(duì)成熟，許多現(xiàn)成的成熟軟件和算法可以直接使用。這種方法建模速度快、自動(dòng)化程度高。但近景攝影測(cè)量也存在一定的局限性，例如獲取影像時(shí)需要布設(shè)控制網(wǎng)，這就加大了外業(yè)的工作強(qiáng)度；而且影像上灰度變化不明顯部位無(wú)法獲得同名點(diǎn)，這也就制約著三維建模的精度。

4、結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)以上的對(duì)比分析不難看出，三維模型重建過(guò)程中，建模方法和技術(shù)路線的選擇尤為重要。在實(shí)際建模過(guò)程中，應(yīng)從項(xiàng)目的實(shí)際情況出發(fā)，分析數(shù)據(jù)采集方式和數(shù)據(jù)類型，選擇合適的建模方法。一般采集特征點(diǎn)及近景攝影測(cè)量技術(shù)結(jié)合建模軟件構(gòu)建簡(jiǎn)單建筑等規(guī)則對(duì)象模型，利用三維激光掃描點(diǎn)云對(duì)不規(guī)則物體進(jìn)行精確建模。在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)遇到或規(guī)則或不規(guī)則的建筑物，需要采用不同的數(shù)據(jù)采集技術(shù)、三維建模方法和可視化工具，因此不同建模方法應(yīng)相互融合使用。

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