殷 青，王春興，韓昀松

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 建筑學(xué)院，哈爾濱 150001；2.寒地城鄉(xiāng)人居環(huán)境科學(xué)與技術(shù)工業(yè)和信息化部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(哈爾濱工業(yè)大學(xué))，哈爾濱 150001)

建筑環(huán)境信息建模技術(shù)在城市與建筑能耗分析、日照輻射利用潛力評(píng)估、歷史文化建筑遺產(chǎn)保護(hù)、城市風(fēng)貌控制等方面具有廣泛應(yīng)用.隨著生態(tài)文明城市建設(shè)的不斷深入，既有建筑文脈與歷史風(fēng)貌的傳承與保護(hù)日益受到關(guān)注，對(duì)建筑環(huán)境信息建模技術(shù)提出了更高的建模精度和效率要求.

工業(yè)用計(jì)算機(jī)斷層成像技術(shù)、激光雷達(dá)掃描、低空攝影測量等技術(shù)逐步引入建筑環(huán)境信息建模過程[1]，其中工業(yè)用計(jì)算機(jī)斷層成像技術(shù)和激光雷達(dá)掃描雖然能夠獲得較高精度的三維信息，但其價(jià)格昂貴，操作流程繁瑣，設(shè)備不易攜帶，很難進(jìn)行推廣；而低空攝影測量技術(shù)憑借其采集成本低、操作簡單，不易受環(huán)境、地形、天氣因素影響的技術(shù)優(yōu)勢[2]，可高效地獲取建筑與環(huán)境信息數(shù)據(jù)，在城市規(guī)劃、農(nóng)業(yè)植保、施工監(jiān)測、工程測算等領(lǐng)域得到了更為廣泛的應(yīng)用.

盡管低空攝影測量技術(shù)在近幾年取得了迅猛發(fā)展，但限于無人機(jī)飛行軌跡、高度等因素限制，其對(duì)建筑檐下、局部懸挑等建筑細(xì)部信息的采集仍存在較大局限，其采集難度高、耗時(shí)長、精度差[3]，影響了建筑環(huán)境信息建模精度和效率.針對(duì)上述問題，本文旨在探索融合多視角圖像的建筑環(huán)境信息建模方法與技術(shù)，突破既有單一數(shù)據(jù)源建筑環(huán)境信息建模精度和效率瓶頸，并結(jié)合實(shí)踐案例對(duì)所提出方法進(jìn)行應(yīng)用效果驗(yàn)證.

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

隨著文物保護(hù)日益受到關(guān)注，越來越多的學(xué)者開始投入到文物的三維重建與保護(hù)工作中.高超等[4]利用三維激光掃描儀對(duì)近地面處和古塔內(nèi)部信息進(jìn)行采集，利用無人機(jī)對(duì)塔身和塔頂信息進(jìn)行補(bǔ)充采集，實(shí)現(xiàn)了對(duì)古塔的數(shù)字化重建.閆宇等[3]利用激光掃描儀和無人機(jī)等工具對(duì)古建筑進(jìn)行了測繪方法的創(chuàng)新，避免了傳統(tǒng)手工測繪中人工操作危險(xiǎn)、效率低的問題，但是利用激光雷達(dá)與航空影像結(jié)合，在內(nèi)業(yè)處理方面比較復(fù)雜，花費(fèi)時(shí)間長.于丙辰、孫運(yùn)豪、劉建國等[1,5-7]利用傾斜攝影測量對(duì)大型不可移動(dòng)建筑文物進(jìn)行了三維重建.屠大維等[8]利用三維掃描儀對(duì)花瓶進(jìn)行掃描，可滿足對(duì)小型文物的快速數(shù)字化重建.石力文等[9]將激光雷達(dá)掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)與BIM數(shù)據(jù)結(jié)合，提出一種三維激光掃描技術(shù)與BIM相結(jié)合的古建筑測繪方法.Ragia等[10]利用全站儀對(duì)克里特島一棟歷史建筑進(jìn)行測繪，利用內(nèi)插法將建筑細(xì)部進(jìn)行細(xì)分，得到了較好的真三維模型，但該方法自動(dòng)化程度低，不能滿足大規(guī)模建模需要.Alidoost等[11]通過對(duì)無人機(jī)多視角影像的內(nèi)外參數(shù)修改，提高了對(duì)遮擋區(qū)域的建模精度.Lingua等[12]分別應(yīng)用激光雷達(dá)與無人機(jī)傾斜攝影進(jìn)行了瓦拉洛修道院的三維重建，比較分析表明激光雷達(dá)建模精度略高，但無人機(jī)具有快速、操作簡單的優(yōu)點(diǎn)，更利于權(quán)衡建模過程中的精度和效率需求.

在上述研究中，國內(nèi)外學(xué)者根據(jù)采測對(duì)象特征以及建模精度要求，通過傾斜攝影測量、激光雷達(dá)掃描以及多種工具的結(jié)合等不同的技術(shù)和方法完成了采測對(duì)象的三維重建.整體來說，通過激光雷達(dá)和傾斜攝影測量均可以獲得精確的幾何模型.其中通過無人機(jī)低空攝影測量進(jìn)行三維重建，自動(dòng)化程度高，操作簡單，但是對(duì)部分建筑構(gòu)件的細(xì)節(jié)建模精度有限；通過雷達(dá)點(diǎn)云進(jìn)行三維重建，獲得的模型精度高，但是其后期需要處理大量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，操作復(fù)雜，不利于進(jìn)行大規(guī)模的三維重建.

基于低空攝影測量的建筑環(huán)境信息建模方法雖然具有操作簡單快捷的優(yōu)勢，但其在復(fù)雜建筑形態(tài)建模過程中，例如相對(duì)于構(gòu)件繁瑣的中國傳統(tǒng)建筑，僅通過單一的無人機(jī)低空攝影圖像很難滿足建模精度要求，亟待探索更為精確的建筑環(huán)境信息建模方法.

2 模型建構(gòu)方法與過程

本文以某歷史保護(hù)建筑為例，探索融合低空攝影測量與地面拍攝圖像的建筑環(huán)境信息建模方法.以近景攝影測量為基礎(chǔ)，將無人機(jī)影像與相機(jī)影像相結(jié)合，通過數(shù)據(jù)采集、影像處理、空三處理、空三合并、生成TIN模型、紋理映射、模型修復(fù)等步驟，建立實(shí)踐案例的真三維數(shù)字模型.

2.1 實(shí)踐案例概況

實(shí)踐案例為寒地城市哈爾濱的2棟歷史保護(hù)建筑，編號(hào)為1號(hào)樓和2號(hào)樓，其總平面布局見圖1，其中1號(hào)樓位于基地中央，建筑入口面向基地主入口，2號(hào)樓緊鄰兆麟街.

1號(hào)樓為折衷主義建筑風(fēng)格，建筑主立面呈對(duì)稱布局，建筑裝飾和建筑結(jié)構(gòu)融為一體，裝飾線條更加理性，屋頂為紅色，為帳篷式屋頂，檐口為磚砌線腳，凹凸多變，塑造了豐富的光影變化.

2號(hào)樓則具有中國傳統(tǒng)建筑風(fēng)格特征，其主體為磚混結(jié)構(gòu)，建筑屋頂為歇山頂形式，建筑立面飾有柱體、欄桿、雕花，并繪有彩畫，具有很高的藝術(shù)價(jià)值，是歷史保護(hù)建筑[13].

圖1 建筑總平面

在本次對(duì)建筑采測的要求中，需要對(duì)建筑的外觀做出精確的測量，包括建筑外觀的色彩、構(gòu)件的尺寸以及位置、各種轉(zhuǎn)角線條的變化.

2.2 建筑環(huán)境信息采集流程

實(shí)踐項(xiàng)目依托的數(shù)據(jù)源包括低空攝影測量圖像和近地面處的相機(jī)拍攝圖像數(shù)據(jù).將無人機(jī)采集影像的pos數(shù)據(jù)與數(shù)碼相機(jī)影像的同名點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行2組數(shù)據(jù)源的影像匹配，并通過設(shè)置連接點(diǎn)和控制點(diǎn)坐標(biāo)，建立糾偏方程，提高影像匹配精度.建模過程將自動(dòng)匹配各位置不同角度的最佳影像，對(duì)其進(jìn)行特征點(diǎn)匹配，構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)格，創(chuàng)建白模，并自動(dòng)進(jìn)行紋理映射.

通過采用SMF算法進(jìn)行特征點(diǎn)匹配[14]，以F(I)表示圖像I周圍的特征點(diǎn)，對(duì)于各圖像對(duì)I和J，考慮每一個(gè)特征f∈F(I)找到最近鄰的特征向量fnn∈F(J)，fnn計(jì)算如式(1)

(1)

優(yōu)化匹配特征點(diǎn)，建立DSM模型，將建筑環(huán)境圖像數(shù)據(jù)中的顏色和紋理信息映射到模型中，建立真三維模型.實(shí)驗(yàn)流程見圖2.

2.3 數(shù)據(jù)采集與處理

數(shù)據(jù)采集的方式?jīng)Q定了后期建模的準(zhǔn)確性，應(yīng)用Mavic 2 Pro無人機(jī)以及尼康D5300相機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集.通過采用Altizure軟件設(shè)計(jì)無人機(jī)飛行路線，確定圖像數(shù)據(jù)采集范圍，最后生成了5次航程路線，包括1條正射影像路線和4條傾斜影像路線，無人機(jī)飛行姿態(tài)與航線布置見圖3、4.

圖4 無人機(jī)航線布置方案

根據(jù)CH/Z 3005—2010《低空數(shù)字航空攝影規(guī)范》中的規(guī)定，需要在飛行前設(shè)置無人機(jī)飛行的高度以滿足拍攝物體的精度要求.地面航高和地面分辨率[14]的關(guān)系式為

(2)

式中：H為攝影航高，單位為m；f為鏡頭焦距，單位為mm；GG-GSD為地面分辨率，單位為m；a為像元尺寸，單位為mm.

在設(shè)計(jì)中，確定了地面分辨率要高于0.03 m，以此計(jì)算出航高約為130 m.通過無人機(jī)試飛觀察航行地塊及周圍建筑在130 m高度對(duì)飛行高度沒有影響，因此確定130 m飛行高度為安全飛行高度.同時(shí)設(shè)定在低空攝影測量中，航向重疊度在60%～80%之間，旁向重疊度在15%～60%之間.在本項(xiàng)目中，由于項(xiàng)目的精度要求較高，設(shè)置旁向重疊度和航向重疊度都為80%.相機(jī)的傾斜角為30°，無人機(jī)航程設(shè)置參數(shù)見表1.

表1 無人機(jī)飛行參數(shù)

同時(shí)，利用數(shù)碼相機(jī)對(duì)2號(hào)樓正立面進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，在采集前需要設(shè)置采集點(diǎn)，采集點(diǎn)與拍攝的建筑立面平行設(shè)置.由于采集照片圖幅較小，為了同時(shí)滿足精度和圖像精準(zhǔn)匹配的需求，設(shè)置距離建筑沿街主立面25 m、34 m的2排圖像采集點(diǎn).相鄰采集點(diǎn)照片的重疊率約為80%，每個(gè)采集點(diǎn)拍攝2～3張照片，相機(jī)采集點(diǎn)設(shè)置見圖5.

圖5 相機(jī)采集點(diǎn)設(shè)置

為了避免相機(jī)拍攝的影像與無人機(jī)拍攝的影像角度差別過大而導(dǎo)致重建失敗，在地面進(jìn)行圖像采集時(shí)，拍攝的影像中心法線應(yīng)與地面保持平行或者向下微傾，影像不宜向上傾斜，不宜與地面有較大的角度.同時(shí)，空中拍攝的影像與地面影像顏色均勻度、光照情況應(yīng)相似，避免在三維重建過程中出現(xiàn)位置點(diǎn)識(shí)別錯(cuò)誤或者紋理映射混亂的問題[15].

2.4 數(shù)據(jù)模擬加工

2.4.1 圖像數(shù)據(jù)預(yù)處理

在采集圖像的過程中，圖像色彩的均勻度、亮度、清晰程度對(duì)后期的重建效果影響很大，所以在重建之前，要對(duì)影像的質(zhì)量進(jìn)行處理.處理時(shí)利用多尺度Retinex濾波算法(MSR)[16]對(duì)采集的圖像進(jìn)行增強(qiáng)處理.該算法在彩色圖像增強(qiáng)、去霧、彩色圖像恢復(fù)方面都有很好的效果，其數(shù)學(xué)模型為

(3)

2.4.2 模型三維重建

在對(duì)采測圖像處理完成后，需要對(duì)其進(jìn)行三維重建.本次三維重建使用ContextCapture軟件.首先在ContextCapture Master軟件中創(chuàng)建2個(gè)獨(dú)立區(qū)塊，分別為單獨(dú)導(dǎo)入相機(jī)拍攝影像的block1和單獨(dú)導(dǎo)入無人機(jī)拍攝影像的block2.對(duì)block1和block2進(jìn)行空三處理，生成結(jié)果為block1-AT、block2-AT.空三處理可以將無序的影像重新排列，還原影像的真實(shí)空間位置，恢復(fù)其初步的三維點(diǎn)云模型.初步空三完成后，在block1中設(shè)置連接點(diǎn)，設(shè)置的連接點(diǎn)需要在block2中清晰可見.同時(shí)，每個(gè)連接點(diǎn)至少有3張以上清晰的影像，連接點(diǎn)的數(shù)量要多于3個(gè).當(dāng)連接點(diǎn)設(shè)置完成后，將連接點(diǎn)空間位置信息導(dǎo)入到block2中，匹配連接點(diǎn)，檢查連接點(diǎn)匹配是否正確.然后對(duì)block2-AT進(jìn)行空中三角測量，生成block2-AT-AT，合并block1-AT和block2-AT-AT，對(duì)合并結(jié)果進(jìn)行三維重建[17].

在進(jìn)行相機(jī)的影像數(shù)據(jù)與無人機(jī)影像數(shù)據(jù)融合的過程中，如果連接點(diǎn)的位置設(shè)置不準(zhǔn)確，會(huì)導(dǎo)致影像匹配失敗.在連接點(diǎn)的設(shè)置過程中，匹配該位置的圖像不宜過多，要求圖像對(duì)于該連接點(diǎn)的位置要清晰可見，圖片過多可能會(huì)導(dǎo)致空三過程中計(jì)算位置失敗的情況發(fā)生.經(jīng)過實(shí)驗(yàn)證明，各位置匹配的圖像在10～15張時(shí)成功率比較高.

根據(jù)計(jì)算機(jī)的性能和內(nèi)存的大小，將任務(wù)分解成一定數(shù)量的瓦片，保證每個(gè)瓦片重建的任務(wù)所需的內(nèi)存小于計(jì)算機(jī)的可用內(nèi)存.計(jì)算機(jī)會(huì)對(duì)每個(gè)瓦片單獨(dú)重建，重建包括密集點(diǎn)云生成、TIN三角網(wǎng)格建立、紋理映射3個(gè)步驟[18].通過對(duì)進(jìn)一步空三測量得到的密集點(diǎn)云數(shù)據(jù)切分處理后，再進(jìn)行不同層次的TIN三角網(wǎng)格生成，將三角網(wǎng)格模型進(jìn)行簡化.然后經(jīng)過紋理自動(dòng)映射，生成該區(qū)域的真三維模型.模型的格式設(shè)為OBJ格式，以便后期對(duì)模型進(jìn)行修整.

在無人機(jī)影像和相機(jī)影像融合的過程中，可能會(huì)出現(xiàn)融合失敗的現(xiàn)象.當(dāng)出現(xiàn)這種狀況時(shí)，要檢查連接點(diǎn)的設(shè)置是否準(zhǔn)確，重新設(shè)置連接點(diǎn)，重復(fù)上述步驟.

2.5 模型后期處理

重建完成的建筑環(huán)境信息模型由于部分區(qū)域被遮擋、照片數(shù)量不足或者特征點(diǎn)匹配錯(cuò)誤等原因會(huì)出現(xiàn)模型破面現(xiàn)象.為了提高整個(gè)模型的質(zhì)量，需要對(duì)模型進(jìn)行修復(fù).將Smart 3D軟件中生成的OBJ格式模型瓦片導(dǎo)入Meshmixer軟件中進(jìn)行檢查修復(fù)，同時(shí)對(duì)模型曲面優(yōu)化，修補(bǔ)模型破面，進(jìn)行地面平整以及對(duì)懸浮物進(jìn)行刪除等.最后將修復(fù)好的模型瓦片導(dǎo)入到Smart 3D中，進(jìn)行紋理的重新映射.映射完成后根據(jù)后期設(shè)計(jì)與保護(hù)需要可以將建筑進(jìn)行單體化處理、構(gòu)件力學(xué)分析、建筑環(huán)境性能模擬以及建筑病害檢測等[19].為修復(fù)、保護(hù)等后續(xù)工作提供技術(shù)支持.

3 信息模型的生成結(jié)果

上述模型的生成過程見圖6，通過對(duì)多視角圖像數(shù)據(jù)融合的三維重建，得到了精度較高的真三維模型，清晰地呈現(xiàn)了歷史建筑立面的細(xì)小紋理、雕花以及屋檐下的斗拱構(gòu)件關(guān)系.在應(yīng)用單一無人機(jī)拍攝數(shù)據(jù)進(jìn)行三維重建時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)建筑的檐下空間由于沒有充足的數(shù)據(jù)而導(dǎo)致重建缺失的現(xiàn)象，同時(shí)重建的精度低于無人機(jī)與相機(jī)融合數(shù)據(jù)進(jìn)行重建的結(jié)果，2種重建模型的對(duì)比見圖7.為分析三維重建精度，在實(shí)踐案例上選擇了7個(gè)實(shí)測點(diǎn)，采集其建筑形態(tài)數(shù)據(jù)來計(jì)算模型精度，見表2.

圖6 數(shù)據(jù)重建過程

表2 三維模型精度測試

由表2計(jì)算可知，經(jīng)過重建的三維模型誤差為0.067 m,較好地滿足了后期建筑改造與文物保護(hù)要求.對(duì)其中5個(gè)等級(jí)的模型網(wǎng)格數(shù)量進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見表3和圖8.隨著模型精度的提高，模型的三角面數(shù)量會(huì)大大提高，同時(shí)經(jīng)多視角圖像重建后的模型三角網(wǎng)格面數(shù)量相比單一數(shù)據(jù)源模型的網(wǎng)格面數(shù)量有了很大提高，尤其在模型的轉(zhuǎn)折處(窗戶、墻裙線腳)，三角網(wǎng)格面會(huì)細(xì)致很多，見圖9、圖10.

表3 模型三角網(wǎng)格面數(shù)量對(duì)比

圖7 重建模型對(duì)比

圖8 模型網(wǎng)格面數(shù)量對(duì)比

圖9 單一數(shù)據(jù)L21模型

圖10 多視角圖像數(shù)據(jù)L21模型

4 結(jié) 論

以哈爾濱某歷史保護(hù)建筑的三維建模為例，探索了基于多視角圖像的建筑環(huán)境信息建模方法.該方法能夠較為精細(xì)地建立建筑真三維模型，能夠準(zhǔn)確重建檐下等建筑細(xì)部.解決了單一無人機(jī)影像數(shù)據(jù)建模方法易導(dǎo)致部分建筑信息缺失、細(xì)節(jié)不足的問題，實(shí)現(xiàn)了建筑環(huán)境信息的精確獲取和建模，為大規(guī)模不可移動(dòng)文物三維信息模型構(gòu)建提供技術(shù)支撐.同時(shí)，為建筑遺產(chǎn)精細(xì)化測量成果的縱向應(yīng)用發(fā)展提供了巨大發(fā)展?jié)摿?

基于多視角圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行三維重建，仍然存在著一定的不足：重建模型的精度受照片質(zhì)量影響較大；重建效果受光照影響較大，較長的拍攝時(shí)間導(dǎo)致的陰影變化會(huì)導(dǎo)致建筑環(huán)境信息模型表面不平整、陰影不均勻等現(xiàn)象的出現(xiàn).在今后的研究中，將會(huì)進(jìn)一步改善不足，從而獲得更為精確的真三維模型.