试论三维航测及建模技术

李 凡 廖基强

（经通空间技术（河源）有限公司，广东河源 517000）

在现代化社会中，三维建模在数字化城市规划发展中具有无限潜力，促使该技术逐渐成为学术界高度关注的重要话题，通过模拟三维构筑物形象，强化大众的视觉体验。此次研究对以航测法为基础的三维建模技术进行研究，通过此次研究提升三维建模的工作效率。

1 航测法建模流程

三维建模前需要做好事前准备工作，明确建模的具体内容、收集充足的建模数据、整理建模需要的各种软件等相关事。大批量构建各种影像资料，借助影像模型矢量测图，在此基础上提出三维模型，对模型进行完善优化，提交模型。

（1）根据待测建筑工程所在的区域，获取航测区域，根据航洲区域生成折线形飞行航线，设置航飞参数，获得每条航线的绝对航高。

（2）利用无人机航测获取航测数据，通过空中三角解析法进行图像解析，将系列二维航拍图像转换为所述待测建筑工程的三维密集点云，处理数据，获得所述待利建筑工程的数字线划地图和数字表面模型，得到实景三维模型。

（3）剔除实景三维模型上的干扰物，利用模型消除干扰物后遗留的孔隙周围的高程拟合曲面，利用所述曲面填充孔隙，基于修复后的实景三维模型生成真实地表点云。

（4）基于所述实景三维模型及真实地表点云进行所述待测建筑工程实景巡查，得到所述待测建筑工程的相关施工执行数据。

（5）基于所述待测建筑工程的三维规划设计和施工执行数据的比对，研究井下达施工调度指令，对调度指令执行效果进行检查和纠偏。

三维航测技术的主要目的是提高强化建模效率，降低建模成本。

2 三维航测建模技术

2.1 前期准备

（1）准备充足的建模数据。

①原始影像：无人机航拍建设区域获取各种影像资料。

②控制资料：涉及构建物的建筑标高以及水平位置的影像资料。

③相机参数：对照相机的各项参数进行检测。

④其他资料：航拍略图能够有效判断影像资料是否需要进行旋转处理。

（2）建模软件准备工作。

建模软件准备工作包括矢量测量工具、摄像检测工具、构筑物三维建模工具、模型编辑工具、模型纹理处理工具、模型操作工具。

2.2 三维建模方法

（1）结合工程项目的实际作业场所，明确航拍的具体范围，清晰指出航拍的路线，合理设置航拍的相关参数，获取无人机航拍的标高。

（2）记录无人机获取各种数据信息，借助三角解析法构建项目的三维密集点云，对航拍数据进行相应处理，获取实体化的三维模型。

（3）将实体三维模型中的各种杂物、干扰物全部消除，借助模型中遗留的各种空隙构建曲面，使用构建的曲面填充模型汇总的空隙。

（4）结合三维模型与密集点云，对建设工程的实际情况进行核查，获取施工的各种数据。

（5）对施工数据进行对比分析，检查施工的实际效果，对偏差进行纠正。

（6）获得无人机在航拍范围内的相位控制点与检测点，相位控制点应在整个测量区域内均匀分布，保证控制点的分布与检测区域的边缘保持合适的距离。检测点应在测量区域内均匀分布，针对关键性检测区域必须设置检测点。

（7）三维建模应以实际场景作为参考进行建模，在建模的过程中利用目视方式辨别模型中可能产生干扰的干扰物，将模型中的干扰物全部删除。干扰物删除后模型会存在一部分空隙，应利用控制附近的高程模拟一个曲面，使用模拟的曲面完成对空隙的填充，构建一个崭新的三角网，模型具备一个新的结构。

（8）将上一个环节中构建的新机构三维模型作为依据进行装饰模型的纹理映射，能够获取一个经过修复的实体三维模型。

（9）结合修复后的三维模型，建立能够有效计量数据信息的密集点云数据。在航拍范围内最少举行五次不同航线的飞行，必须保证至少一次路线以垂直角度进行拍摄。

（10）借助前期无人机航拍获取的各种数据信息，如正射影像、高程数据、pos数据、坐标系数据等，处理三角网测量工作，生成一种未出现变形的图像，该图像能够有效为后期的控制点提供便利。对前期所分布的控制点进行匹配，完成空中三角网解析，获取具有较高精准度的密集点云。

（11）获取工程项目的密集点云数据后，应利用数据库对项目的等高线自动进行处理，对检测区域内部分位置的截面进行绘图并补充，获取数字化地图。

（12）在获取工程项目的密集点云数据的基础上，构建需要检测的数字模型，对模型的局部进行优化，构建一个完善的实体化三维模型，结合获取的数字化信息对三维模型进行规划与设计。

3 三维建模应用及分析

此次研究主要以校园内的建筑物为研究对象，在实际分析过程中，主要对三种建模技术进行研究。

3.1 基于AutoCAD的人机交互式建模

针对几何形状、物体外观形状比较规则的建筑物，一般使用全站仪对建筑物的构件特征进行测量。此次针对建筑物的数据收集活动，使用“四位编码法”对建筑物的特征进行编码，结合建筑物的构件类型合理进行存储。

在实际绘图的过程中，应结合编码的特点以及绘图的顺序，在绘图软件中完成建筑物自动展点与线路生成。以同济大学某学生住宿楼为研究对象，在绘图软件中完成连线，获取线框图中的多个特征点信息，特点信息都处于图像的竖直面中。三维绘图过程不是简单的点位测量或点位连接，应结合实际检测点情况对建筑物的变形、施工、标高进行分析，采用多元化的方法来对线框图进行合理处理，构建一个完善的三维模型。

3.2 基于扫描点云的建模

（1）获得点云数据。

实际试验的过程中，使用LeicaC10完成对学生住宿楼的测量工作，能够有效检测建筑物的外观轮廓，实际检测时总计设置16站。

（2）对点云数据进行处理。

为了保证后期获取较精准的点云数据，需要对初始化的点云数据进行处理，例如拼接、消除噪声、采集等。点云数据的处理较简单，直接通过几何算法即可实现，还可以借助扫描仪等辅助性工具完成。点云数据处理环节非常重要，会直接对后期的数据质量造成决定性影响。

（3）点云数据建模。

①获取建筑物的边界信息，将建筑物的特征作为三维模型的约束条件。

②直接对点云数据进行网格化处理，生成一种拓扑关联，对模型的表层进行优化。此次试验通过点云数据分割处理、曲面拟合的方式完成三维建模的目标。

③对大批量的点云数据进行分割处理，分割数据的目的是为下一步精细化处理奠定基础；借助先进的工具提取点云数据的特征，并作为拟合模型的约束条件，构建一个三角网格；结合模型特征连接相邻模型，对拼接后公共部分的三角网格进行优化。

3.3 基于近景摄影测量的建模

（1）影像采集。

以多站点环绕拍摄的方式对建筑物进行拍摄，共计设置8个拍摄点。全站仪获取坐标数码相机并获取图片→将图像导入处理软件→图像裁剪→结合特征点对图像进行纠正→对纠正后的图像进行矢量化→获得古建筑的立面图。

（2）坐标解算。

将已经加入像素点坐标的直线性坐标点作为图片中随意一点的坐标，其中共存在11个变换参数。

（3）绘制实体。

在图像中提取具有一定密度特征的坐标点，结算该坐标点的三维坐标数据，在三维模型中投影具体位置，修补模型中的遗漏点，利用建模软件构建一个实体三维模型[1]。

3.4 三维建模方法效果分析

三维激光扫描技术较适合使用在建筑物外形不规则的场景中。三维激光扫描技术相对于传统的数据采集方式，其自身的优势更突出，能够有效强化数据采集的精准性与采集效率，获取点云数据信息的规模量得到大幅度提升，点云数据的内容更丰富，涉及颜色、强度以及空间方面的信息。利用几何算法能够快速处理建筑物的点云数据，构建三维模型。相较于其他方法，三维激光扫描方法自动化程度更高，数字建模的精准度较高，附带更多的细节信息，但在激光扫描的过程中易出现漏洞。

4 结语

综上所述，在实际构建三维模型时，建模的方法与建模技术的选择至关重要，建模方法与技术的选择应结合建筑物的实际情况确定。结合实际情况，不应局限于某一个建模方法或技术，应结合工程项目自身的实际情况进行选择。通常情况下，针对紧急拍摄、结构简单、建筑物外形规则的对象进行建模时，可以考虑使用激光扫描方式进行建模。若在实际建模时面临不规则的建筑物时，应选择不同的数据收集技术或其他合理的建模工具。