李國斌 LI Guo-bin；李佳維 LI Jia-wei

（遼寧建筑職業(yè)學(xué)院，遼陽 111000）

0 引言

智慧城市的建設(shè)是當前城市建設(shè)的主要發(fā)展趨勢，本質(zhì)為通過一系列的信息化技術(shù)手段，實現(xiàn)城市的智能化管理與服務(wù)，提高城市的運行效率，提升城市居民的生活質(zhì)量[1]。而實景三維模型，作為一種新型的城市空間數(shù)據(jù)模型，能夠直觀地展現(xiàn)城市的地理形態(tài)、建筑風(fēng)貌、基礎(chǔ)設(shè)施等要素，為城市規(guī)劃、管理、運營提供有力的支持[2]。因此，構(gòu)建高精度智慧城市實景三維模型是智慧城市建設(shè)的重要基礎(chǔ)。目前，實景三維模型的發(fā)展已經(jīng)進入到了一個新的階段。隨著航空攝影、激光雷達、傾斜攝影等新興技術(shù)的應(yīng)用，實景三維模型的精度和范圍得到了大幅提升[3]。高精度智慧城市實景三維模型的構(gòu)建涉及多個關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域，包括航空攝影技術(shù)、傾斜攝影技術(shù)、數(shù)據(jù)處理與管理技術(shù)等[4]，本研究以具體工程項目為例，分析了高精度智慧城市實景三維模型構(gòu)建的關(guān)鍵技術(shù)。

1 工程項目及技術(shù)路線

2021 年，智慧城市發(fā)展下，為更好地采集沈陽市某地實地現(xiàn)場，獲取該地區(qū)空間規(guī)劃必需的規(guī)劃元素，需要對其構(gòu)建實景三維模型，項目總區(qū)域為26 平方公里，目標區(qū)域地勢較為平坦，但內(nèi)部高層建筑數(shù)量較多。

高精度智慧城市實景三維模型構(gòu)建的基本原理為利用獲取的數(shù)據(jù)生成點云數(shù)據(jù)，通過點云數(shù)據(jù)構(gòu)建TIN 三角網(wǎng)，最終對其貼膜處理[5]。數(shù)據(jù)獲取方式包括傾斜攝影技術(shù)與地面激光雷達技術(shù)，即通過無人機影像生成的稀疏點云與激光雷達點云相融合，最終生成高精度智慧城市實景三維模型，具體技術(shù)路線見圖1。

圖1 技術(shù)路線

2 設(shè)計方案

2.1 無人機數(shù)據(jù)采集

航線設(shè)計是無人機數(shù)據(jù)采集的重要環(huán)節(jié)，其主要目標是確保無人機在飛行過程中能夠高效地覆蓋目標區(qū)域并獲取所需的數(shù)據(jù)。在飛行高度設(shè)計上，一般而言，飛行高度越低，地面分辨率越高，但需要根據(jù)城市規(guī)模、地形和無人機的性能，確定合適的飛行高度。綜合考慮下，采用下述公式進行飛行高度h 計算：

式中，f 為鏡頭主距，本工程采用大疆M300 多旋翼無人機，搭載睿博5 鏡頭傾斜相機，相機焦距正射22mm，傾斜55mm；a 為像元尺寸，3.9μm；GSD 為地面分辨率，本工程按照最小焦距，根據(jù)工程要求，地面分辨率應(yīng)超過5cm，經(jīng)計算，當相機正射地面時，求得h 為≤282m。在實際作業(yè)中，需要根據(jù)實際建筑分布合理進行航線高度調(diào)整，并選擇合適的飛行速度，以保證無人機能夠穩(wěn)定飛行并獲取高質(zhì)量的圖像。

航線布設(shè)是指將設(shè)計的航線轉(zhuǎn)化為實際的飛行路徑。在這個過程中，需要將無人機與相應(yīng)的導(dǎo)航系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和傳感器進行集成，以確保無人機能夠按照設(shè)計的航線進行飛行。為了實現(xiàn)精確的航線布設(shè)，需要使用全球定位系統(tǒng)（GPS）和慣性測量單元（IMU）等設(shè)備來對無人機進行精確的定位和導(dǎo)航。同時，還需要在無人機上安裝高精度的傳感器，如激光雷達（LiDAR）和高清攝像頭等，以獲取高質(zhì)量的地理信息和圖像數(shù)據(jù)。根據(jù)工程要求，航向與旁向重疊度分別設(shè)定為80%和70%，像片傾角控制在7°內(nèi)，當不受風(fēng)向干擾時基本在5°內(nèi)，像片旋角控制在15°內(nèi)，二者不會出現(xiàn)同時處于最大角度的情況。根據(jù)飛行高度，采用45°傾角進行計算，按照1:1 的比例對航區(qū)外擴范圍進行外擴。無人機采取等距間隔拍照模式，間隔時間為0.6s，同時，補充手動拍攝模式，相機朝向與主航線保持平行，具體見圖2。

圖2 無人機拍攝模式

像控點布設(shè)過程中，需要在無人機上安裝高精度的GPS 和IMU設(shè)備，以確保拍攝的圖像能夠精確定位并映射到地理坐標系中。為了實現(xiàn)精確的像控點布設(shè)，還需要在目標區(qū)域中選擇一些特定的點作為像控點。這些點需要在整個區(qū)域范圍內(nèi)分布均勻，并且容易識別。像控點通常會選擇一些明顯的建筑物、交叉路口或者地標等。在拍攝過程中，無人機需要飛越這些像控點并記錄其地理坐標，以便將拍攝的圖像與地理坐標系進行精確匹配。根據(jù)工程要求，本工程綜合運用POS 數(shù)據(jù)與空中三角測量數(shù)據(jù)，該方法可以有效降低像控點布設(shè)工作量，在航線中部與兩端分別布設(shè)2 個以上的平面控制點，區(qū)域四角與中部附近布設(shè)1 個像控點，其他區(qū)域按照相隔160m 進行像控點布設(shè)。

2.2 地面激光雷達數(shù)據(jù)采集

工程通過徠卡BLK360 激光儀獲取地面激光雷達數(shù)據(jù)，實地作業(yè)時需要率先確定測區(qū)，測區(qū)可根據(jù)對稀疏點云構(gòu)建的初步三維模型進行精度分析，從而獲取到激光雷達測區(qū)，之后進行測站布設(shè)。該儀器的掃描范圍為0.6～60m，一般而言，點云精度與測距精度會隨著掃描距離的增加而降低，根據(jù)工程精度要求，測站的實際掃描距離設(shè)定為25m，可根據(jù)實際建筑分布情況進行微調(diào)。同時，便于后續(xù)點云數(shù)據(jù)的拼接，兩個相鄰的測站間在掃描范圍上會有一定重合。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 多源數(shù)據(jù)融合

三維實景中多源數(shù)據(jù)的應(yīng)用，需要解決相應(yīng)的空間融合問題，為實現(xiàn)數(shù)據(jù)空間融合應(yīng)將所有數(shù)據(jù)統(tǒng)一匹配到相同的空間參考基準上，從而實現(xiàn)空間位置配準。在實際處理應(yīng)用中應(yīng)將像素坐標，圖像坐標與絕對坐標系進行統(tǒng)一規(guī)范，在模型構(gòu)建中可通過計算機軟件等輔助工具完成多源數(shù)據(jù)處理操作。

3.2 點云配準

智慧城市實景三維模型構(gòu)建中的點云配準技術(shù)實際上屬于異質(zhì)數(shù)據(jù)，此類型數(shù)據(jù)實質(zhì)上是經(jīng)過濾波后的點云與影像密集匹配生成的點云配準。應(yīng)用將需要將點云三維坐標、立面信息與RGB 色彩紋理進行融合，從而滿足模型反映建筑細節(jié)特征的基本要求，為后續(xù)紋理映射提供數(shù)據(jù)支撐。點云配準中需要分別完成粗配準與精配準。

點云粗配準中需要通過初始估計值減少迭代計算時間，提高整體效率。目前常用的粗配準方式有精密設(shè)備點云配準、人機交互點云配準、主成分分析點云配準和模糊幾何特征點云配準。模型構(gòu)建中選擇采用人機交互點云配準方式，通過選取相同特征點，計算分析影像點云與激光點云的近似旋轉(zhuǎn)平移矩陣。在同名特征選取中，可通過手工選取方式進行點云配準，也可以通過數(shù)據(jù)獲取預(yù)先布設(shè)標靶方式進行點云配準。人機交互下基于同名特征的點云配準方式的表達式如下：

式中，Pt和Ps表示目標點云與源點云中的對應(yīng)點；R和T 分別為求解兩個點云的旋轉(zhuǎn)與平移矩陣。

此外，點云精配準可有效提升其精度，目前常用的點云精配準方法有迭代最近點法，其在應(yīng)用中通過計算兩個點云之間最近對應(yīng)點獲得相應(yīng)的變換矩陣，具體應(yīng)用步驟如下：

步驟1：進行點云預(yù)處理操作。將所有獲取到的點云經(jīng)過濾波處理，剔除其中的噪點與無用類別信息。

步驟2：計算最近點。計算點集Si中相應(yīng)的點集P 的最近點。

步驟3：計算得出參數(shù)向量Xk+1，并通過點集與相應(yīng)的配準過程得到相應(yīng)的數(shù)值，計算獲得相應(yīng)的距離平方與值dk。

步驟4：在點集P 的基礎(chǔ)上獲得相應(yīng)的參數(shù)向量Xk+1，并通過相應(yīng)的變化得到新的點集Pk+1，在此基礎(chǔ)上，重復(fù)步驟1 的計算內(nèi)容。

步驟5：計算過程中當dk小于預(yù)設(shè)的數(shù)值時，停止迭代。

3.3 紋理貼圖

采用Context Capture 三維建模軟件進行最終的多源融合建模，將經(jīng)過點云配準處理的激光雷達點云數(shù)據(jù)與傾斜影像數(shù)據(jù)導(dǎo)入軟件中，并在軟件中進行空中三角測量，完成三維模型構(gòu)建。該過程中紋理貼圖非常重要，其關(guān)鍵在于如何短時間內(nèi)選取目標物不同方向的最優(yōu)影像紋理信息，工程設(shè)定的紋理拼圖流程如下：

①構(gòu)建索引數(shù)據(jù)：通過對激光雷達點云數(shù)據(jù)與傾斜影像數(shù)據(jù)的處理可以獲取到目標物結(jié)構(gòu)，對其進行提取建立白膜后，逐一進行編號，并將其與對應(yīng)單體影像信息進行一一關(guān)聯(lián)，形成索引機制。

②單體影像集分類：按照影像朝向，可以將單體影像集分成下視、前視、左視、右視、后視五類，通過分類可以快速對已獲取的單體影像朝向進行判斷。

③目標物側(cè)面紋理獲?。嚎芍苯油ㄟ^下視圖獲得頂面紋理，而其他方向紋理則需要通過中心點投影的方式計算出其在地平面的向量，即目標物面中心與影像攝影中心投影到地平面，并測出與目標物面法向量夾角，一般而言，其夾角越小，影像朝向越佳，即需要找到最接近正射角度得到影像集合。

④目標物紋理優(yōu)化：在獲取到所有面的紋理集合以后，可以通過計算所有影像集中影像到目標物的向量值獲取到最優(yōu)目標物影像，該影像越貼近目標物立面信息，說明目標物紋理效果越好。

4 三維模型精度評估

當前，學(xué)術(shù)界在三維模型精度評估中并未形成統(tǒng)一技術(shù)規(guī)范，本文主要參考張?zhí)柕牡热岁P(guān)于傾斜攝影三維模型質(zhì)量評價的內(nèi)容方法，在質(zhì)量檢查元素與權(quán)重基礎(chǔ)上進行了擴充與深化，最終從空間參考系、位置精度、模型質(zhì)量、邏輯性、場景效果與附件質(zhì)量六個層面進行了賦權(quán)處理與分析，具體內(nèi)容如表1 所示。

表1 三維模型精度評估質(zhì)量檢查元素與權(quán)重

結(jié)合上述三維模型檢查元素，可確定該融合模型的空間參考坐標系為WGS84，由此確定空間參考系符合實際要求。根據(jù)三角測量質(zhì)量結(jié)果，可確定模型的平面精度為0.038m，同時，參考價奧經(jīng)驗?zāi)Ｐ瞳@取高程精度，可確定其精度為平面精度的三倍左右，基本為0.116 左右。此外，在模型質(zhì)量上，初步模型中建筑結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了不同程度的變形與扭曲，嚴重情況下出現(xiàn)了空洞。但在融合模型應(yīng)用下，有效解決了建筑結(jié)構(gòu)中的變形問題，同時使得建筑結(jié)構(gòu)與紋理得到了有效改善。在邏輯性上，參考精度評估質(zhì)量檢查中的格式一致性與文件可讀性元素，發(fā)現(xiàn)其均符合模型要求，具有較好的應(yīng)用效果。最后，三維模型精度的場景效果整體表現(xiàn)較好，所展示的場景效果能夠較好的與實際地物狀況相互契合，同時附件質(zhì)量中的技術(shù)文檔的完整性與準確性較高，能夠滿足模型應(yīng)用要求。

5 結(jié)語

本文基于智慧城市與三維模型基礎(chǔ)上，對高精度智慧城市實景三維模型重構(gòu)進行了深入分析，其中探討了實景三維模型構(gòu)建的關(guān)鍵技術(shù)內(nèi)容，通過多源數(shù)據(jù)融合、點云配準與紋理貼圖技術(shù)介紹，結(jié)合建筑項目提出了模型建設(shè)應(yīng)用方案，在具體工程實例應(yīng)用上進行了全面分析，為智慧城市實景三維模型建設(shè)與發(fā)展提供的技術(shù)支持與內(nèi)容參考。