李德元 曹 鵬 孫朝犇 趙棟梁

（自然資源部第三地形測量隊，黑龍江 哈爾濱 150081）

0.引言

隨著計算機科學技術的飛速發(fā)展，測繪地理信息數(shù)據(jù)的獲取和可視化手段日趨先進，GIS 技術也從二維平面向三維空間發(fā)展，經(jīng)過三維化的GIS 應用程序，將會對原始二維平面地理信息數(shù)據(jù)中難以表達的地理空間信息通過三維應用GIS 程序精準描述出來，從未來地理信息行業(yè)的發(fā)展來看，三維化GIS 將是現(xiàn)代測繪地理信息的發(fā)展趨勢，為國家和公眾提供準確三維地理信息服務，從而實現(xiàn)三維GIS 的實用價值。

1.研究目的

主要通過三維開源軟件對測量或非測量相機所拍照物體立體的圖像法進行處理，經(jīng)過軟件最優(yōu)匹配算法的配置，將二維平面影像序列處理為三維結構模型過程，主要使用的開源軟件為VisualSFM，軟件主要使用的運動恢復結構（SFM）成像技術，它指的是將二維圖像序列估計三維結構的過程，該序列可以與局部運動信號耦合，在計算機視覺和視覺感知領域都有一定的研究。在生物學的視野中，SFM 是指人類（或其他生物）可以從移動物體或環(huán)境中預計2D（視網(wǎng)膜）運動場中恢復3D 結構的現(xiàn)象，從而實現(xiàn)人的真實三維立體空間感覺，然后通過三維模型的技術處理，將三維模型處理更加接近物理本身，從而真實反映物體和環(huán)境的情況，為在自然災害、文物保護、不動產登記等自然資源方面有重要的利用價值。

2.研究內容

2.1 立體影像的獲取

利用測量相機或非測量相機對需要進行3D 建模的對象進行一系列多角度的拍攝，在拍攝過程中，不能在一個方向一直拍攝，需要圍繞建模對象進行有重疊的拍攝，使相機拍攝中心能拼接形成全景，如果不能形成全景，三維建模的信息會有缺失。正常情況下，要以3D 待建模對象為中心，圍繞著它每10 至20 度左右拍攝一張，保證重疊度，如果有條件做到有不同高度信息能使建模效果更佳。VisualSFM 軟件沒有照片數(shù)量限制，照片數(shù)量越多，三維建模的細節(jié)越豐富，但建模的過程相應花費的時間更長。

2.2 特征匹配

在VisualSFM 軟件中可以指定要匹配的配對列表和使用自己的功能匹配，同時調整參數(shù)以提高匹配速度。因拍攝照片可能存在旋轉、亮度、顏色、縮放等變化，此過程利用改進的SIFT 算法提取、描述特征，并用RANSAC 算法過濾掉誤匹配。此過程如果內存夠用也可利用GPU 加速等功能。整個匹配過程的工作狀態(tài)實時顯示在軟件側邊窗口上。在這里提供一種基于VLFeat 的實現(xiàn)的SIFT 匹配方法，VLFeat 開源庫實現(xiàn)當前流行的計算機視覺算法專業(yè)圖像的理解和局部特征提取和匹配，是一個跨平臺的開源計算機視覺庫，支持Windows，蘋果系統(tǒng)和Linux 等。算法主要包括Fisher 向量、SIFT、聚類算法等多種計算機視覺算法，具有高效和穩(wěn)定的兼容性，并且?guī)в蠱ATLAB 的接口，比較容易使用。

SIFT 算法即尺度不變特征變換（Scale-invariant feature transform）算法，在數(shù)字圖像處理領域特征提取匹配中使用最多的算法，它在多尺度空間檢測關鍵特征點，確定這些關鍵特征點的位置和尺度，保證了關鍵特征點的尺度不變性。本文使用改進的SIFT 的圖像匹配技術是采用提取原始圖像中的關鍵特征，并將這些圖像特征集合起來，組成圖像特征數(shù)據(jù)庫。在構建圖像特征庫的時候，由于原始圖像信息有較多不必要的信息，而且維度越高在構建圖像特征數(shù)據(jù)庫和匹配提取的時候效率會大幅度降低，一般情況下不會使用原始圖像的特征信息。所以，要對提取到的原始圖像的特征進行重新編碼，主要有對圖像進行增強、濾波、方向改正等，然后將匹配出來的圖像特征形成集合，構建圖像特征數(shù)據(jù)庫，然后在后續(xù)的圖像匹配過程中，對相似特征的進行相似度排序，從而加快匹配的效率。

2.3 利用SFM 進行稀疏點云重建

根據(jù)特征匹配結果，利用SFM 方法可以計算得到攝像機的位置等空間三維位置信息，重建出3D 模型的稀疏點云，若有計算出攝像機的位置或朝向有錯誤情況，結合軟件工具欄上手型按鈕工具即可刪除計算錯誤的信息，使結果的準確性得到提高。

2.4 密集重建

運用多視立體重建技術得到3D 點云數(shù)據(jù)，點云質量受到處理圖像精度的執(zhí)行效率、重建精度和完整性影響，目前最好的處理方法是散列圖像聚簇（CMVS）方法和基于面片的多視圖立體視覺算法（PMVS），通過CMVS 對照片進行聚類處理，以減少在稠密重建數(shù)據(jù)后的數(shù)據(jù)量，然后利用PMVS 從三維模型的稀疏點云開始，在局部的光度一致性和全局的可見性約束下，經(jīng)過匹配、擴散、過濾生成與實物顏色相同的稠密點云，然后得到將點云數(shù)據(jù)連成面，才可在一般三維建模軟件中使用，得到的數(shù)據(jù)可在開源軟件MeshLab 查看顯示效果。

3.三維模型技術處理

主要使用開源軟件MeshLab 和3DSOM pro 軟件進行三維模型的數(shù)據(jù)處理。首先，開源軟件MeshLab三維技術處理過程：第一步，打開軟件后加載VisualSFM 軟件的生成文件（.out 文件和照片列表文件list.txt 文件）。將攝像機及對應的照片導入進來，對后續(xù)的紋理細節(jié)處理至關重要，然后打開顯示層目錄，檢測攝像機位置載入是否正確，需調整攝像機的縮放因子，縮放因子可以從0.0001 開始調小，直到攝像機位置清晰可見為止，本次設置參數(shù)為0.00002。第二步，在文件目錄下選擇加載稠密點云即VisualSFM 生成的.ply 文件。第三步，清除雜點通過選擇和刪除工具，將不需要的雜點區(qū)域進行刪除，反復多次直到雜點完全清除。第四步，利用Poisson 表面重建算法由稠密點云生成多邊形網(wǎng)格化成為表面，彈出參數(shù)設置窗口，深度參數(shù)控制著網(wǎng)格的細節(jié)，參數(shù)越大細節(jié)越豐富但占計算機內存越大，運行速度越慢，此次深度參數(shù)設值10，生成一個封閉的包裹物，然后刪除多余的表面。第五步，紋理處理要求網(wǎng)格化的模型必須是流形的，因此需刪除非流形邊，簡單講就是三維模型的邊緣修復。第六步，根據(jù)攝像投影關系創(chuàng)建映射，將活動柵格的顏色投影到當前網(wǎng)格填充紋理，可設置任意分辨率的紋理圖，本次設置分辨率值為1024。最后保存輸出自主設定分辨率低的obj 三維數(shù)據(jù)文件。MeshLab 軟件處理計算結果（如圖1所示）：

圖1 MeshLab軟件三維處理對象結果圖

3DSOM Pro 是一款通過多角度高質量的照片來生成3D 模型的軟件，它可以用一個真實物體多個角度的照片來進行三維建模，并且制作的模型可以在網(wǎng)絡上以進行交互方式呈現(xiàn)，是真實對象進行自動3D 建模的一種專業(yè)解決方案。3DSOM 將真實世界的對象進行精確3D 數(shù)字化后，再使用3DSOM viewer 進行縮放查看生成的三維模型對象，3DSOM 軟件采用的是黑盒計算自動匹配,然后進行簡單三維紋理處理，處理結果（如圖2 所示）：

圖2 3DSOM Pro軟件三維處理對象結果圖

兩款三維建模軟件從多角度影像匹配各有優(yōu)勢，開源軟件MeshLab 主要需要較多參數(shù)，需要具有長期處理三維模型的經(jīng)驗，在參數(shù)設置得與實際情況越貼切效果會更好，而3DSOM Pro 直接自動建模匹配，參數(shù)設置較少，設置主要是在影像源的各種處理對最終匹配結果有一定的影響。同時，從處理三維數(shù)據(jù)的速度來看，3DSOM Pro 具有一定的優(yōu)勢，而前期多角度圖片的處理在VisualSFM 軟件完成，后續(xù)三維紋理細節(jié)處理可以使用MeshLab 軟件，處理需要經(jīng)驗值，處理效率稍微低一點。3DSOM Pro 對于用戶一鍵式體驗效果比較好，是商業(yè)化較好的三維建模軟件。經(jīng)過大量數(shù)據(jù)對比通過分析結果（如圖3 所示）：

圖3 MeshLab 和3DSOM Pro 軟件對比分析折線圖

隨著三維建模技術快速發(fā)展，多視立體影像三維技術在測繪地理信息行業(yè)結合日益緊密，在自然災害應急測繪中可以輔助決策和定量分析，在最新的不動產平臺中直觀顯示四至和規(guī)劃利用，在遙感測量中可以直接建模測量，可以說多視立體影像三維技術在測繪地理信息行業(yè)中應用到方方面面，更深層次應用發(fā)展研究需要多學科融合研究。

4.三維建模技術的應用

4.1 在自然災害應急測繪中的應用

我國常年受到自然災害的影響，自動快速三維實景建模技術在應急測繪中的應用是現(xiàn)代化測繪的一個新方向，在山體滑坡應急測繪和黑龍江省遜克縣礦難應急測繪中，都得到了較好地應用，并且有著明顯的優(yōu)勢。三維模型更能準確全面地反映受災地區(qū)的地形和實際情況，通過快速生成處理，為應急救援指揮中，對受災情況能夠進行定量分析，分析受災區(qū)域內地形地物的變化，并能總結一定的經(jīng)驗數(shù)據(jù)模型，建立自然災害防災減災平臺，為平臺提供基礎應急測繪數(shù)據(jù)，從而為將來自然災害應急測繪中提供快速響應和實用的技術方法，解決在應急管理中全方位把控災區(qū)情況和量化難度較大的問題。同時，將自然災害時空三維模型進行三維可視化，在發(fā)生自然災害的過程中動態(tài)呈現(xiàn)不同時間災害的發(fā)生范圍和影響因素，并實時進行風險評估，將評估結果通過三維模型展示出來，為應急指揮提供測繪地理信息分析的解決方案。

4.2 在古建筑文物保護中應用

目前，我國是歷史悠久和古建筑文物較多國家，采用三維建模技術獲取空間位置信息數(shù)據(jù)，將古建筑文物數(shù)字化三維建模存儲，可以解決古建筑文物難以保存、設計圖紙空白、修葺困難等因素，對古建筑文物做到數(shù)據(jù)方面保護，通過三維建模技術,不直接接觸古建筑，高效率高精度地完成古建筑文物檔案、點云、數(shù)據(jù)模型等資料的獲取和整理工作，所得到數(shù)據(jù)可挖掘性強，多用性好，從而為古建筑文物保護和規(guī)劃決策提供可視化的參考，加強了對古建筑的數(shù)字化文物保護力度，為實現(xiàn)文物保護提供了一條可行的技術方案，同時為后續(xù)文物文化歷史的分析中奠定了一定的基礎。

4.3 在不動產登記中的應用

自2016 年來，國家不動產統(tǒng)一登記的實施，不動產要素對空間位置關系越來越復雜，將三維建模技術應用到不動產登記平臺中，與不動產要素的結合，能真實、準確地呈現(xiàn)三維空間環(huán)境，并可以在三維模型中查詢屬性，區(qū)域性分析、緩存區(qū)分析等地理信息空間關系處理，不但使不動產四至位置關系更加清晰，也使產權更加明確，避免不必要的不動產糾紛，保護了不動產權利人的合法利益。并且克服了地籍測量中，外業(yè)調查確認指界費時費力，提高不動產統(tǒng)一登記數(shù)據(jù)的質量和工作效率，同時對自然資源調查登記、國土空間規(guī)劃綜合利用等提供有力的技術支撐。

4.4 在無人駕駛領域中的應用

無人駕駛技術是多學科融合技術，而且是目前比較熱門的話題，三維建模技術在無人駕駛領域中起到了重要作用。在三維的駕駛環(huán)境中無人駕駛主要需要高精度的交通導航地圖和實景環(huán)境中障礙物的三維位置模型及移動物體的模型。在障礙物的快速建模上，通過傳感器感知圖像進行快速三維建模獲取模型邊緣位置信息，在處理建模過程中就參與實際計算和傳輸，隨著傳感器設備日益更新，數(shù)據(jù)傳感器具有快速、高效、準確等特點，為適應動態(tài)情況的處理在本地盡可能存儲較多實景數(shù)據(jù)，并且數(shù)據(jù)分類明確便于快速獲取分析，通過局部到整體的技術處理，使基礎數(shù)據(jù)更加易于移植和拓展，能夠滿足不同三維場景環(huán)境的需要，同時三維表述的效果得盡量詳細和流暢，利用先進的計算方法將交通要素和障礙物要素進行分析，從而智能規(guī)劃無人駕駛路線，通過全自動控制、深度學習、智能掃描等眾多人工識別技術集于一體的強大識別系統(tǒng)獲取三維立體數(shù)據(jù)，支撐無人駕駛高效運行。

5.結束語

總之，三維建模技術將日益成熟，多視角立體影像匹配三維建模技術是一種開源開放三維技術，快速有效，并且已應用到了一定的領域，并對三維數(shù)據(jù)做一定的結構設計，通過不斷挖掘三維模型成果數(shù)據(jù)深度應用的潛力，將三維服務理念變?yōu)楣姺?，從而改變人們的生活方式。三維模型目前需求越來越旺盛，快速有效優(yōu)化三維模型處理方法與實際問題相結合提供解決方案是較好的應用，為現(xiàn)實中分析復雜環(huán)境和輔助決策提供有利參考，從而快速有效處理各項問題。在將來誰能夠通過大量的市場調研精準掌握市場需求，建立更好的三維GIS 服務體系，提供更好的公眾服務平臺，實現(xiàn)個性化、開放化、創(chuàng)新性的三維地理信息服務，就能實現(xiàn)巨大社會價值。