龔高太 王 劍 史與正 張淑玲

湖南省地質(zhì)地理信息所 湖南 長沙 410000

開展實(shí)景三維中國建設(shè)，是“十四五”時(shí)期基礎(chǔ)測繪轉(zhuǎn)型升級發(fā)展的重要任務(wù)之一，“十四五基礎(chǔ)測繪規(guī)劃”要求：“推動傳統(tǒng)單一比例尺數(shù)據(jù)庫向?qū)嶓w化、一體化時(shí)空數(shù)據(jù)庫轉(zhuǎn)變，推動實(shí)景三維中國建設(shè)”[4]。顯而易見，實(shí)景三維數(shù)據(jù)是未來應(yīng)用最廣泛的基礎(chǔ)測繪成果之一，正是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。而目前，湖南正在開展以“真實(shí)、立體、時(shí)序化展示自然資源現(xiàn)狀和自然地理格局”為核心的實(shí)景三維湖南建設(shè)，為自然資源管理和“三高四新”戰(zhàn)略實(shí)施提供基礎(chǔ)地理信息保障。

利用傾斜模型還原真實(shí)場景，是實(shí)現(xiàn)三維實(shí)景最便捷的方式，但這種三維傾斜模型是連續(xù)不規(guī)則三角網(wǎng)結(jié)構(gòu)的整體，是地形表面的一張皮，即mesh模型，無法賦以屬性信息和查詢統(tǒng)計(jì)，使得目前的三維模型“中看不中用”，使傾斜攝影三維模型僅僅局限于瀏覽漫游。實(shí)現(xiàn)傾斜實(shí)景三維模型的單體化、結(jié)構(gòu)化，才能拓寬三維模型應(yīng)用的深度和廣度，為空間管理和決策提供基底數(shù)據(jù)[2]。

目前應(yīng)用較為廣泛的單體化方法主要有“ID單體化”、“參數(shù)單體化”、“邏輯單體化”，這些方法只是對mesh模型的三角格網(wǎng)表象上的單體化，未真正實(shí)現(xiàn)分割獨(dú)立[1]。市面上真正實(shí)現(xiàn)三維模型單體化的軟件也很多，一般是基于傾斜模型的基底，利用第三方建模軟件或插件完成單體化建模，使用空三后的影像自動貼附紋理，使模型高度還原真實(shí)[3]，但無論何種工藝，都需要大量的人工參與，費(fèi)事費(fèi)力，成本高昂。因此，在建設(shè)“實(shí)景三維中國”的大環(huán)境的推動下，是否能有一種快捷、簡單的方法來實(shí)現(xiàn)基于傾斜攝影技術(shù)實(shí)現(xiàn)建（構(gòu)）筑物快速批量單體化，為此，我們對現(xiàn)有的設(shè)備、技術(shù)進(jìn)行研究分析，探討出一套可行性的方案。

1 技術(shù)路線

該技術(shù)方法主要基于傾斜攝影測量技術(shù)，利用多旋翼電動無人機(jī)搭載傾斜相機(jī)，設(shè)計(jì)合理的全測區(qū)航線，航飛多角度獲取目標(biāo)對象的高清晰影像數(shù)據(jù)，由于航飛高度、攝影角度的限制，需要結(jié)合能獲取位置信息的微型無人機(jī)對底商、樹木遮擋處進(jìn)行影像加密；將影像數(shù)據(jù)、曝光位置、姿態(tài)信息進(jìn)行嚴(yán)密的空中三角測量，得到影像間的位置關(guān)系，每三張影像得到一個(gè)特征點(diǎn)信息，進(jìn)而得到海量的高密度高精度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)；通過除噪，抽稀等點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理后，進(jìn)行點(diǎn)云分類，通過算法，篩選出地表建筑物的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過點(diǎn)云擬合不規(guī)則三角格網(wǎng)，形成建筑物白模，通過空中三角測量后的紋理信息可與白模完美貼合，最終實(shí)現(xiàn)建筑物批量的單體化。技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 快速批量單體化技術(shù)路線

2 實(shí)施方法

根據(jù)技術(shù)路線要求，主要的工作分為源數(shù)據(jù)獲取、空中三角測量、點(diǎn)云數(shù)據(jù)生產(chǎn)、點(diǎn)云分類和模型構(gòu)建。

2.1 源數(shù)據(jù)獲取

采用多旋翼無人機(jī)搭載五拼相機(jī)從高空對建筑進(jìn)行規(guī)范航線飛行的等距航拍（圖2），實(shí)現(xiàn)高清影像數(shù)據(jù)采集，為獲取清晰的影像數(shù)據(jù)，最終獲得質(zhì)量較好的模型，根據(jù)影像分辨率與航高的關(guān)系。

圖2 無人機(jī)航線飛行

式中：

H——航高，單位為米（m）；

f——鏡頭焦距，單位為毫米（mm）；

a——像元尺寸，單位為毫米（mm）；

GSD——地面分辨率，單位為米（m）。

地面分辨率與航高關(guān)系密切，根據(jù)項(xiàng)目要求，明確地面分辨率值，再確定航高。飛行高度決定了拍攝影像的地面分辨率，飛得越高，地面分辨率越小。鏡頭焦距和像元為常數(shù)，因此飛行高度越高，GSD越大，成正比。根據(jù)試驗(yàn)，當(dāng)GSD為2cm時(shí)，模型的表現(xiàn)力豐富，精度較高，完全能滿足要求。

在樹木茂密、有廣告遮擋或底商模糊的區(qū)域，可使用能采集照片位置信息的微型無人機(jī)進(jìn)行加密環(huán)繞飛行，完成照片補(bǔ)拍。此時(shí)，無論是五拼相機(jī)還是補(bǔ)拍的單鏡頭相機(jī)的照片，都具有明確的pos位置信息和姿態(tài)信息，實(shí)現(xiàn)相對位置的一致性，如果對建筑物地理位置精度要求較高時(shí)，可在地面布設(shè)適量的像控點(diǎn)標(biāo)靶，采集像控點(diǎn)坐標(biāo)值。

圖3 加密環(huán)繞飛行

2.2 空中三角測量約束位置關(guān)系

采用光速法局域網(wǎng)平差空中三角測量，以攝影時(shí)目標(biāo)點(diǎn)、相應(yīng)像點(diǎn)和攝站點(diǎn)三點(diǎn)共線條件所建立的每條空間光線作為整體平差運(yùn)算中的基本單元的空中三角測量，實(shí)現(xiàn)垂直影像和傾斜影像同時(shí)導(dǎo)入?yún)⑴c空三計(jì)算。經(jīng)過提取特征點(diǎn)、提取同名像對、相對定向、匹配連接點(diǎn)、區(qū)域網(wǎng)平差等步驟的運(yùn)算處理，得到攝區(qū)空中三角測量成果。一個(gè)特征點(diǎn)的提取至少需要三個(gè)不同位置的照片進(jìn)行匹配獲得。計(jì)算機(jī)通過識別和匹配拍攝的多張照片中相同的特征點(diǎn)進(jìn)行彼此匹配對齊后進(jìn)行拼接。特征點(diǎn)為圖像中選取的比較有代表性的點(diǎn)，比如在圖像中角點(diǎn)、邊緣，在不同的圖像之間的辨識度更強(qiáng)，所以這些位置多選取為特征點(diǎn)。

圖4 特征點(diǎn)的匹配

2.3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)生產(chǎn)

空中三角測量完成后，會提取海量的具有精準(zhǔn)位置信息的特征點(diǎn)，這些特征點(diǎn)賦予了照片的紋理信息，既形成了有紋理信息的彩色點(diǎn)云。這些點(diǎn)云信息最終以las格式輸出。在點(diǎn)云數(shù)據(jù)生產(chǎn)時(shí)，采樣距離決定了點(diǎn)云的密度，也決定了建筑物最終表達(dá)的精細(xì)程度。此時(shí)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)包含的內(nèi)容為全要素，而且有大量的噪點(diǎn)，需要進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理。一方面需要繪制鑲嵌線，使點(diǎn)云接邊處過度自然，另一方面需要進(jìn)行噪聲濾波，這些噪聲點(diǎn)包括有高于或低于地面的、孤立的、不成群的噪聲點(diǎn)和與真實(shí)地表高差較小的、與地面點(diǎn)混合在一起的噪聲點(diǎn)。

2.4 點(diǎn)云分類提取建筑物

將預(yù)處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入專業(yè)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行點(diǎn)云分類操作，如Terrasolid軟件。

點(diǎn)云分類是基于點(diǎn)和點(diǎn)之間的相對關(guān)系來進(jìn)行的，將點(diǎn)云分類到不同的點(diǎn)云集,同一個(gè)點(diǎn)云集具有相似或相同的屬性?？臻g中所有的點(diǎn)都是有三維坐標(biāo)的。算法的基礎(chǔ)是構(gòu)面（也就是某一個(gè)點(diǎn)和附近的點(diǎn)進(jìn)行構(gòu)面，再進(jìn)行分析），建筑算法對建筑物屋頂上形成平面的點(diǎn)進(jìn)行分類。算法要求地面點(diǎn)已經(jīng)提前分類好。建議將地面以上的點(diǎn)分類為單獨(dú)的類，以便該類包含建筑屋頂?shù)牡孛嬉陨细叱谭秶鷥?nèi)的點(diǎn)。算法從地面類中的空白區(qū)域開始，并嘗試在這些區(qū)域上方的平面上查找點(diǎn)。

通過面積來控制建筑物的選取，可有效的避免地面上的樹誤入建筑物類中。如圖5所示，從大類地面類中，提取面積大于40m2的點(diǎn)云存放在建筑物類層中，實(shí)現(xiàn)建筑物點(diǎn)云的批量提取。點(diǎn)云分類參數(shù)需多次反復(fù)試驗(yàn)，確定最終合理參數(shù)，以防止錯(cuò)層數(shù)據(jù)產(chǎn)生。

圖5 建筑物點(diǎn)云分類

2.5 批量構(gòu)建白模，賦紋理，建精模

通過點(diǎn)云構(gòu)建模型主要是將點(diǎn)云網(wǎng)格化，點(diǎn)云擬合成海量的不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN），而不規(guī)則三角網(wǎng)能很好的表現(xiàn)建筑物的細(xì)部變化，從而將建筑物的結(jié)構(gòu)精準(zhǔn)呈現(xiàn)，但單體化的建筑物模型為了結(jié)構(gòu)簡單，需要對一些裝飾物進(jìn)行刪減，如空調(diào)、窗臺，裝飾柱可融于墻體，使用紋理的方式表達(dá)。由于紋理信息是經(jīng)過空中三角測量后，有正確的位置信息，因此紋理化影像會與建筑物結(jié)構(gòu)很好的貼合，但部分底商模型因樹遮擋，紋理失真，此時(shí)則需要補(bǔ)真實(shí)場景照片，或從相鄰相似地物上替代紋理。

當(dāng)模型單體化所要表達(dá)的精細(xì)程度，可根據(jù)《城市信息模型（CIM）基礎(chǔ)平臺技術(shù)導(dǎo)則》（修訂版）中的定級，其中分7級，III級（標(biāo)準(zhǔn)模型）、IV級（精細(xì)模型）是激光雷達(dá)、傾斜攝影方式建模后的單體化標(biāo)準(zhǔn)，其規(guī)定了表面凹凸結(jié)構(gòu)邊長分別大于等于0.2m（IV級）和0.5m（IV級）。

3 關(guān)鍵技術(shù)分析

使用該項(xiàng)技術(shù)路線實(shí)現(xiàn)建筑物的快速批量有幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)需要把握：

影像數(shù)據(jù)采集的完整性。受自然條件的影響，使用無人機(jī)航拍對建筑物的上層結(jié)構(gòu)能很好的獲取，但是對于底商、或受高大的樹木、廣告牌遮擋的區(qū)域的信息采集，往往生成的點(diǎn)云是一片大的空洞，本文采用大疆精靈無人機(jī)進(jìn)行地面容易遮擋的區(qū)域進(jìn)行信息補(bǔ)充采集，是一種可行的方案，但也存在問題，在數(shù)據(jù)處理時(shí)，不同航攝儀采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行空中三角測量時(shí)計(jì)算時(shí)間消耗過大。加大航測重疊度，或后期使用修模軟件進(jìn)行局部修改，也可進(jìn)行嘗試。

點(diǎn)云分類的準(zhǔn)確性。點(diǎn)云分類是使用算法完成，需要多次參數(shù)設(shè)置，達(dá)到最佳的提取方案，需要技術(shù)員對點(diǎn)云分類有較強(qiáng)的算法理解。 否則點(diǎn)云分類產(chǎn)生的成果容易建筑物丟失或，有樹木、田坎等多余數(shù)據(jù)。

點(diǎn)云構(gòu)建模型的面簡單化。建筑物的快速批量單體化，就是實(shí)現(xiàn)mesh模型三角格網(wǎng)的簡單化，實(shí)現(xiàn)單一建筑物的快速提取、快速表達(dá)。在建筑物表面，往往會附著各種電線、外掛設(shè)備，或者墻面上用于裝飾的凸起，需要將墻面與凸起的距離作為變量，一定距離以內(nèi)，不作為結(jié)構(gòu)變化節(jié)點(diǎn)，這個(gè)變量需要。同時(shí)，利用紋理的表達(dá)去替代非主要建筑結(jié)構(gòu)，用極少面表達(dá)建筑物，是點(diǎn)云構(gòu)面時(shí)，需要重點(diǎn)解決的問題。

單體化的最終價(jià)值是為實(shí)現(xiàn)實(shí)體的語義化服務(wù)的。合理建立單體化模型拓?fù)潢P(guān)系，是為后續(xù)建立滿足社會基礎(chǔ)應(yīng)用所需要的結(jié)構(gòu)化通用建筑物模型編碼提供重要的保障，這些拓?fù)潢P(guān)系的搭建除了平面結(jié)構(gòu)的搭建，還包括垂直方向的結(jié)構(gòu)搭建，還要考慮部件分割，部件融合帶來的拓?fù)潢P(guān)系的改變。因此單體化不僅需要美觀，其拓?fù)潢P(guān)系應(yīng)梳理清楚，本文不做討論。

4 結(jié)語

基于無人機(jī)傾斜攝影三維模型的建筑物快速批量單體化是近年來比較熱門的技術(shù)課題，但實(shí)現(xiàn)起來具有相當(dāng)?shù)碾y度，隨著全國各城市耗巨資投入實(shí)景三維城市項(xiàng)目的運(yùn)作，必將會使該項(xiàng)技術(shù)得到攻克以及長足的發(fā)展。