一种三维实景建模技术的应用研究

牛丽娟，李立功，朱仁义，张福荣

（1.陕西铁路工程职业技术学院，陕西 渭南 714099；2.自然资源部第一地理信息制图院，陕西 西安 710054）

当前信息技术的高速发展推动着各行业技术以及管理水平的不断提升。近年来，我国的大型建设项目越来越多，这些投资具有规模大、建设周期长、参建单位多、项目管理要求高以及全生命周期智能化管理等特点，因此新技术新方法在各行业中的应用已非常广泛。例如，在三维渲染快速展示、快速算量精确提升、碰撞检查减少返工等方面具有明显优势的BIM技术已广泛应用于各工程建设项目中，通过统一的平台，将设计、施工和运营等诸多环节联系到一起，以统一、标准、直观的方式向不同的用户进行呈现，极大地解决了工程建设领域协调性差、整体性不强等问题。

信息技术的高速发展不仅提升了各行业的技术与管理水平，还进一步增强了标准化、精细化管理的需求。实现标准化、精细化的管理，实时、快速、高效地获取数据，进行相应效果的展示应用，是各行业的必然要求。目前，三维实景建模技术在计算机图形图像研究、GIS等领域已成为研究热点，在考古、交通、国土资源、建筑物复原、影视等行业都有着非常广泛的应用[1-3]。实景建模技术包括正向建模和逆向建模两种，就建筑物和大场景模型创建的实时性和效率而言，逆向建模方法比正向建模方法更具优势。目前常用的实景建模软件包括Smart3D、Geomagic Studio、PhotoScan等，综合考虑界面设置、可扩展性、与其他图形图像软件互联互通以及人为参与等方面，本文选取Agisoft PhotoScan作为实景建模软件进行三维实景模型创建的应用分析。

1 模型创建

通过对各行业三维实景建模需求进行对比分析发现，建筑施工阶段对建筑物及其周围场景（地面、地上及地下）三维实景建模的实时性、速度和效率要求较高，因此本文以建筑的三维实景模型为例，对三维实景建模的实时性、效率和应用进行分析，并研究了实景建模技术数据获取与建模的效率。

目前，建筑施工领域的三维实景建模主要包括施工现场的三维展示、施工方案优化、技术交底以及施工组织方案比选等4个方面。根据建筑施工现场的规律和特点，兼顾建筑施工三维模型的时效性需求，数据获取宜采用大范围、方便、快速、实时性高的采集方法，如利用无人机等进行数据采集，因为大部分施工现场具有植被覆盖率较低、场地较空旷的特点。由于本文主要研究的是三维实景建模技术的数据采集方法和建模效率，因此研究数据采用已建房屋的无人机航测数据。三维实景模型应用的研究思路如图1所示。

图1 三维实景模型应用研究思路

对建模物体进行连续性的数据采集后（主要是影像数据），即可导入到Agisoft PhotoScan软件中进行建模处理，获得三维模型。该软件基于数学方法，结合相机的基本原理，通过对观测物体的几十张甚至上百张照片进行处理，将获取的二维影像的像素打散；再根据相同的特征点进行匹配、连接，以确定观测物体像素点的三维空间位置；然后生成格网，进而生成建模物体的点云数据；最后添加纹理材质等信息，即可获得真实建模物体的三维模型。利用Agisoft PhotoScan软件进行三维模型创建的过程可看作是利用相机拍摄照片的逆过程，即利用观测物体的单幅图像或图像序列，根据观测物体在这些图像上所含有的二维信息（多幅图像中物体的物理特征及其所对应的几何关系、不同图像中的视差关系等）计算物体各个点的三维几何信息，进而反求出观测物体的三维模型，是一种基于图像的逆向三维重建方法[4-7]。

本文以研究对象的三维实景模型创建为例，利用无人机技术以围绕被测物体旋转一周拍摄影像的方式进行现场影像数据采集，采集选择在晴天可视情况良好的时间进行，以便获得更好的观测数据，最大限度地减少外界观测条件对分析结果的影响。由于相对航高越大，影像分辨率就越低，所创建的模型精度也越差，因此飞行高度设置为200 m[8]。同时，为了减小航拍产生的畸变以及周边环境对模型创建的形状和精度带来的影响，分别选取建模对象上方45°和60°两个角度分别进行数据采集（图2），各采集68张照片。按照不同组别分别进行建模，并在两个大组内分别对不同的影像数据进行组合、建模与分析。

图2 影像数据采集示意图

2 模型创建效果分析

三维实景建模技术具有高精度、高分辨率、高清晰度的特点，目前已广泛应用于土地调查、规划设计、应急测绘、建筑物复原、教学展示、智慧城市、古文物数字化等领域。三维实景建模技术在各行业的应用（如获取实景模型点坐标、绘制数字线划图、制作数字高程模型、宣传展示、区域规划设计、距离与面积量算等）必须基于三维实景模型的成功创建。只有将三维实景模型创建的效率提升起来，才能更好地帮助设计人员、工程技术人员、管理使用人员提升工作效率，对模型的应用进行更广泛的拓展。

由于建筑施工阶段对建筑物及其周围场景（地面、地上和地下）三维实景建模的实时性、速度和效率要求较高，且三维实景建模最显著的特点之一就是实时性，为了方便研究分析，本文以建成的建筑物地面三维实景模型为例（图3），对三维实景建模的实时性、效率和应用进行分析，进而对实景建模技术数据获取与建模效率进行研究，以此来探索一种能快速利用采集数据对观测物体进行三维实景建模，且能最大程度地保证模型精度和质量的方法，为三维实景建模技术的效率提升提供参考。

图3 建筑物地面三维实景模型

本文利用无人机航测技术对研究对象进行数据采集，共采集136张影像数据；将采集数据按照摄制高度角角度分为两组，每组包含68张影像数据；在各组内部又根据相邻影像夹角设置不同的小组，并对各组影像数据进行选取。具体数据分组方法如表1所示。

表1 影像数据分组表

首先将表1中的影像数据导入Agisoft PhotoScan软件进行建筑物的实景模型创建；再进行组内建模效率与模型质量的对比分析，并对三维实景建模所需影像数据的相邻影像夹角以及影像数量与模型效果进行分析；然后对组间相同相邻影像夹角的数据建模效果进行分析，获取摄制高度角对实景建模效果的影响情况。各组建模效率和模型质量对比参数如表2所示。

表2 影像数据分组处理参数对比表

根据分组情况，本文利用Agisoft PhotoScan软件分别对各组进行数据处理并创建模型。针对组内建模效果，本文选取1-1、1-2、1-3三个小组的影像数据进行建模效果对比，如图4所示；由于倾斜摄影测量摄制角度对模型的影响需在同影像间隔的组间进行对比分析，因此选取1-1和2-1两个小组进行组间建模效果对比，如图5所示。

通过对比图4、5，结合表2可以发现：利用Agisoft PhotoScan软件进行实景模型创建时，①三维模型效果的好坏以及精细程度与点数、面数有很大关系，这是由于软件需将二维影像数据提取为被测物体的特征点，并根据特征点形成被测物体的特征面，再生成被测物体的三维模型，因此点数和面数越多，建成的三维模型就越精细；②三维模型效果的好坏与纹理关系不大，这是由于本次建筑物的影像皆由同型号、同精度的相机获取，单张影像精细程度相当，导致纹理效果对模型的影响差别不大；③研究选取的倾斜摄影测量的摄制角度对三维模型效果和精细程度影响不大，这与软件根据二维影像数据提取被测物体的特征点，再根据被测物体特征点的空间位置进行三维模型创建的建模原理有关；④参与处理的影像数据越多，软件提取相应的特征点数量、匹配时间、校准时间以及重建模型所需的时间就越多。由表2可以看出，软件提取的特征点和面与影像数据并不成正相关关系，即当被测物体的影像数据低于一定数量时，软件无法根据影像数据提取观测物体的特征点和面，因而无法完成模型的创建；但当达到一定数量时，软件根据被测物体的二维影像提取的特征点和面的数量是不会增加的，由此创建的被测物体三维模型的效果和精细程度也不会再有更大的提升。因此，考虑到计算机性能，模型处理所需的匹配、校准和重建的时间，在利用Agisoft PhotoScan软件进行实景建模数据处理时，无需将所有的影像数据都导入软件进行处理，只需选取合适的影像数据进行处理即可。

图4 组内建模效果对比

图5 组间建模效果对比

3 结 语

结合建筑施工模型创建的过程，本文利用无人机技术对建筑物进行了建模数据采集，再根据数据采集情况对数据进行了分组，然后分别对分组后的数据创建三维实景模型，最后通过对分组数据创建的模型进行对比，分析了三维实景模型创建的效果和效率。虽然倾斜摄影测量技术还不是非常成熟，但是相对于其他航测遥感技术和传统的测量技术而言，其在实时性、高效性、性价比等方面具有非常明显的优势。

今后还应在以下3个方面进行深入研究：①在模型案例的选取方面，仅考虑到实时性和效率需求，研究对象比较单一，缺乏不同对象之间建模的对比性，后期还应针对不同行业的应用选取不同类型的对象进行对比研究，如古文物、城市规划等，以获得更可靠的技术方法；②利用无人机进行数据采集时，照片像素的高低对模型精细程度的影响如何量化以及其中的规律；③对于不同的建模对象，要达到所需的模型精度要求，需要采集的影像数据如何量化，以及影像数据的选取原则、标准等。