异形仿古建筑倾斜摄影建模及可视化方法

李 宁, 仇继圣, 付波霖, 李佳豪, 李慧敏, 劳植楠

(1.桂林理工大学 测绘地理信息学院, 广西 桂林 541006; 2.福州大学 数字中国研究院(福建), 福州 350108)

0 引 言

倾斜摄影技术是近十多年测绘领域发展起来的一项高新技术, 通过无人机多视角拍摄获取建筑物垂直和倾斜角度的高分辨率影像, 采集建筑物顶面及侧面的纹理特征, 填补了以往航空摄影仅有垂直拍摄方向的缺陷[1]。倾斜摄影测量技术能适应极端的天气和环境条件变化, 并可深入地形结构复杂和无人区域进行探测[2]。无人机搭载传感器后通过倾斜摄影便可获取地面影像和物体扫描点云, 利用这些数据可以进行DOM数字正射影像的生成、 影像多光谱分析和DLG的生产等二维的测绘工作, 并可通过ContextCapture、 StreetFactory等软件实现快速实景三维建模, 建模流程人工干预少, 能实现半自动化、 高效率地构建出真实三维场景[3]。

相较于传统的三维模型, 倾斜摄影三维模型所反映的地物的位置、 外观和周围环境等特性更加贴近现实世界, 包含更丰富的数据信息, 满足航空摄影测量需求。传统测量方式受载荷量大、 耗时长、 飞行成本高等因素影响局限性较大, 无人机作业则具有灵活性强、 作业速度快、 性价比高等传统测量方式所不具备的优势, 因此无人机倾斜摄影测量现已成为获取地面三维模型的重要途径, 被广泛应用于测绘、 城市规划、 地质灾害等领域[4]； 李德仁等利用无人机倾斜摄影技术生成的DEM和实景三维模型, 结合地面移动测量系统采集的实景影像、 兴趣点等数据, 实现了巡航、 建筑变化监测等城市环境监测功能, 为城市的高效管理和监测提供新思想[5]； 曹爽等利用单镜头无人机倾斜摄影实现了单体建筑的三维模型构建[6]； 褚杰等利用无人机倾斜摄影测量技术采集襄阳刘集机场、 火车站等地的倾斜影像, 进行实景三维建模, 对3种三维建模方式进行比较, 列出了传统测绘手工建模与无人机倾斜摄影测量建模方法的优势与不足[7]； 陈建军利用无人机倾斜三维摄影技术生产城市高精度模型, 并利用模型成果在应急测绘领域的应用进行讨论[8]； 高勇强探讨了无人机倾斜摄影技术在地势起伏大、 地形复杂的地区进行测量的方法,并对建模的精度和可行性进行分析[9]； 康传利等利用无人机倾斜摄影技术实现了虚拟现实仿真应用[10]； 孙保燕等提出了一种三相位环绕采集技术对被测文物进行视频录制, 对视频匀分帧处理, 将分帧图像用于建模[11]， 并针对纹理精致、 形貌怪异的文物数据采集, 以及成像的景深难题, 提出一种融入渐进式过渡影像, 多视角影像与纹理细节照片相结合的框架式二维图像采集方式非测量相机在异形文物三维模型重建中的应用[12]。 复杂场景的可视化仍是当今倾斜摄影实景三维模型重建应用的难点之一。当前国内利用倾斜摄影技术所构建的实景三维场景大都以现代建筑和城市景观为主[13], 而对于仿古建筑这类复杂结构建筑的三维场景构建及可视化方法研究较少, 因此本文探讨如何利用倾斜摄影技术进行异形仿古建筑的三维建模研究具有重要现实意义。

本文以桂林园博园景区为研究对象, 利用成都纵横 CW-15 无人机和五镜头SONY ILCE-5100相机获取景区的倾斜影像数据, 借助ContextCapture软件对倾斜摄影数据进行空三解算、 点云加密和匹配、 TIN网生成、 自动纹理映射、 测区3D实景粗模型建立。利用中海达V90 RTK采集30个验证点数据, 根据成果质量检查规范对实景模型的平面精度及高程精度进行分析, 通过统计平面中误差和高程中误差, 验证实景三维模型的精度。同时, 在测区3D粗模型的基础上再分别利用DP-Modeler和SketchUp、 3ds Max 软件对异形仿古建筑进行单体化精细建模, 综合比较建模效率和可视化效果、 重建模型细部与精细模型差异程度, 为异形仿古建筑三维建模可视化表达提供技术参考。

1 试验区概况及无人机数据处理

1.1 试验区概况

园博园景区面积约0.766 km2, 位于桂林市雁山区雁山镇和大埠乡内, 具体地理位置如图 1所示。园博园公共园区内包含山水园林馆、 湿地馆、 大雁阁、 秀甲天下楼、 精品街及游客服务中心等建筑。园区建筑均为仿古建筑式样, 将飞檐、 翘角、 灰瓦、 黄墙等诸多建筑元素融汇，是展示桂林传统建筑特色的窗口。景区内为丘陵地形，地形虽有起伏，但整体坡度较平缓，对无人机飞行作业和倾斜摄影测量三维建模带来一定的影响, 但由于园区内各场馆间相对开阔，其影响可以忽略不计。

图1 研究区概况

1.2 航摄数据获取与像控点布设

利用成都纵横CW-15无人机(最大载重3 kg, 最高续航160 min, 最高通信距离25 km, 最大抗风6级)搭载五镜头SONY ILCE-5100相机于2019-07-05T15:00—16:30获取试验区倾斜影像数据集。研究区地势平缓, 面积较小, 且高低起伏不超过5 m, 在移动工作站中用谷歌地图划定航飞区域导出*.kmz文件, 将文件导入CWCommander软件, 设置航摄参数后自动生成最佳蛇形封闭飞行路径, 主要航摄参数: 航向重叠度为80%, 旁向重叠度为75%, 相对航高195 m, 地面分辨率为2.35 cm。通过对航线与特殊航路点的编辑实现无人机起降工作, 重要点在于一般设置第1个航路点为垂直起飞点, 倒数第2个航路点为预降落点, 设置0号航路点为应急降落点用于紧急情况线盘旋。设置着陆飞行计划后自动生成降落路线, 在地图上两点生成进场方式, 设置接地点自动生成。检查飞行计划, 离线航飞高程预校验, 对航测区域进行地形检查后, 整个航飞任务编辑完成。地面站航线设置如图2所示。飞行一个架次共获取影像4 550张。

图2 航空任务航线设置

像控点是摄影测量控制加密和测图的基础, 野外像控点目标位置、 密度、 分布及测量精度直接影响航摄数据处理精度。依据《低空数字航空摄影测量外业规范》(CH/Z 3004—2010)中控制点及检核点布设原则, 使用中海达V90 RTK在飞行区域内共布设7个像控点和30个检核点, 平面坐标为CGCS2000, 高程系统为1985国家高程基准, 像控点及检核点布设位置如图3所示。

图3 检核点与控制点分布

1.3 倾斜摄影数据处理

利用ContextCapture(以下简称CC)软件进行无人机航摄影像数据处理。无人机野外航飞获取的无人机航片及POS数据后, 内业使用Adobe Lightroom将航片质量整体调整优化, 得到初步处理后的完整原始数据。将初始数据及控制点数据导入CC后进行航片数据检查及控制点刺点, 确认数据合理无问题后创建集群工程, 设置统一的地理参考并划分工作区块, 设置需要的输出格式, 通过计算机集群进行区域网平差、 影像匹配、 正射纠正等计算后得到的纹理信息与同步生成的TIN网进行映射, 得到初始园博园实景三维数据, 导出OSGB与OBJ格式用于DP-Modeler进行场景修复。无人机倾斜摄影的实景建模流程如图4所示。

图4 无人机倾斜摄影建模流程

利用5个多角度传感器航摄影像及其POS数据, 再整合航高、 航向、 航速、 旁向重叠度和坐标等飞行参数, 作为粗初始外方位元素, 采取金字塔匹配策略, 由粗到精进行多影像同名点自动匹配和自由网光束法平差, 得到较好的同名点匹配结果, 结合一定数量野外控制点坐标, 联合解算得到倾斜影像联合空中三角测量结果[14]。在CC中添加多视角影像数据并导入控制点进行空中三角测量运算。基本原理是描述地面点、 像点与投影中心共线关系的共线方程为

其中:x、y表示像点的平面坐标;x0、y0、f表示航摄影像的内方位元素;ai、bi、ci(i=1,2,3)表示外方位角元素的系数;XA、YA、ZA表示物方点坐标;XS、YS、ZS表示摄站点坐标,通过解算可得出加密点的空间位置。

完成空三加密后, 在CC中新建重建项目以重建三维模型, 设定模型的空间框架为1 477.03 m×1 537.84 m×214 m且像控点刺点误差最高为0.03 m符合模型生产规范。根据规则格网设置测区划分, 瓦片大小为100 m以提高软件生成三维模型的效率。利用多视影像密集匹配技术对立体像对进行点云匹配工作, 点云密集匹配会先在软件划分的所有瓦片中进行, 通过建立统一参考系WGCS2000进行合并进而输出点云匹配结果。软件可自动依据生成的点云文件创建TIN网, 得到测区未贴图的三维模型, 模型表面TIN网与真实纹理效果如图5所示(Acute3D Viewer浏览视角, 其中第1排为园博园山水园林馆, 第2排为园博园大雁阁), 最终通过自动纹理映射将完成解算的纹理信息赋至表面模型得到具有真实纹理的实景模型。五镜头无人机的侧翼镜头倾斜拍摄解决了正射视角的无法收集的异形建筑盲区结构, 将侧摄航片信息加入空三解算使异形仿古建筑的隐蔽侧面信息得到充分重建, 重建结果异形建筑信息保留度高, 五镜头无人机作业一定程度解决了异形建筑侧面信息获取问题, 提高了重建结果的质量。

图5 模型表面TIN与真实纹理

1.4 倾斜摄影实景模型精度验证

表1 检查点精度对比分析

结合《三维地理信息模型数据产品规范》(CH/T 9015—2012)中三维模型景观相关内容, 本实验结果平面精度中误差小于±0.3 m, 高程精度中误差小于±0.5 m, 属于Ⅰ级三维模型景观产品。

2 异形仿古建筑精细化建模对比

由于航空摄影测量中外方位元素中像片旋角、 航高约束会使得航片间像素特征点出现不匹配现象,进而将会导致模型出现悬浮块、模型变形、纹理映射失败等情况,在模型的模体与纹理精度的合理范围内,需采取局部精细修模的方法进行模型纠正。通过DP-Modeler的测量工具获得建筑结构参数, 利用3ds Max和SketchUp进行精细建模,赋予真实纹理,对两软件建模综合效果及隐蔽的模型信息进行比较。

2.1 基于DP-Modeler和SketchUp的异形仿古建筑精细化建模

分别利用DP-Modeler、 SketchUp软件的建模优势对研究区内仿古建筑进行精细建模比较, 运行条件: CPU, I3 8100; GPU, RX580; RAM: DDR4 2400 16 GB。利用DP-Modeler删除模型的浮空物、 修补空洞, 以及仿古建筑的建筑结构比例量测, 将量测结果用于在SketchUp中进行等比例精细建模。复杂建筑结构(如研究区仿古建筑中廊、 檐、 榫、 卯等结构), 可循环使用SketchUp右键操作栏中的工具进行建模。相比之下, 3ds Max要使用数量远多于SketchUp的工具进行建模, 建模复杂程度越高, 模型的后期编辑越困难。复杂的操作工具增加了学习和使用成本不利于可视化建模及表达效率的提高, 这是3ds Max的缺点之一。本实验中, SketchUp建模产品相比3ds Max的建模产品在同等配置下运行时会略显卡顿, 原因是SketchUp对面片重叠、 平面交错优化效果弱于3ds Max, 造成数据重复冗余。

以大雁阁塔顶为例, SketchUp建模方法如下: 1)利用圆工具及直线工具通过删除半圆得到半圆面; 2)采用矩形工具及线工具通过删除获得直角三角形; 3)利用路径跟随工具以半圆为路径, 直角三角形为跟随元素获得半圆锥体; 4)利用旋转工具将线旋转60°、 120°后连接得到等边三角形, 利用缩放比例工具和等边三角形进行弧面调整; 5)利用旋转工具将其旋转45°到新对象, 复制参数为×7, 塔顶粗建模即完成。3ds Max的建模思路如下: 1)通过创建工具得到长方体, 将其转化为可编辑多边形; 2)选择编辑点工具使用塌陷命令获得三棱柱; 3)选择编辑边工具选中三棱柱底部两条平行边, 利用连接命令设置边分段为5， 得到6个长方形; 4)选择编辑点或线, 通过移动工具进行弧面调整, 得到1/8塔顶形状; 5)利用旋转工具选择层次工具中的仅影响轴命令, 利用捕捉工具移动xyz轴中心放在1/8塔顶顶端, 通过调整旋转得到新对象, 复制参数为×7, 塔顶粗建模即得到塔顶。

2.2 模型局部精细化修复

五镜头航飞使异形仿古建筑的局部隐蔽信息重建度得以提高, 但可视化结果仍不理想, 还需要人工精细化建模。这得益于侧面信息的完整度较高, 可推理出仿古建筑结构特征, 再根据其特征进行人工重建。如图6中, 建筑a(湿地馆)由于植被遮挡造成实景模型重建过程信息缺失造成建筑的纹理信息不匹配, 通过DP-Modeler的建筑结构量测易从周围模型信息得到建筑层高、 房梁比例等信息, 根据这些信息对隐蔽面进行精细化建模, 将其纹理信息恢复, 得到具有正常建筑信息的模型; 建筑b、 c、 d由于五镜头无人机工作俯角度数高, 未能够将建筑被檐顶遮蔽的门、 窗、 栏杆等建筑信息收集完全, 造成实景模型重建出现拉丝、 模糊等现象较为严重。结合实际, 通过精细化建模恢复到具有精细纹理的表面模型, 纹理、 结构信息得到参数化重建, 是未来智慧城市系统应用的重要数据源之一。

图6 仿古建筑精细模型局部对比展示

2.3 单体精细化效果对比

精细化模型应用的影响因素主要有建模效率、 可视化效果。本文在原软件中利用3ds Max和SketchUp对研究区内较有代表性的建筑物大雁阁进行实景建模对比(图7), 分别通过3ds Max中精简材质编辑器与SketchUp中材质面板联动PhotoShop CC对航摄图片进行裁剪、 纹理自由变换得到模型每个面的真实纹理进行贴图, 最后得到模型详细对比信息见表2, 结合上文可视化效果分析可知, 两软件建模效果观感非常相近。

表2 SketchUp与3ds Max大雁阁模型参数对比

图7 3ds Max和SketchUp建模效果对比

相对于3ds Max, 使用SketchUp进行建筑精细化建模能够使模型平面数减少26.9%, 而模型文件大小更多取决于软件数据结构及贴图质量, 在此不作为比较重点。因此, SketchUp在满足较低学习成本的同时, 还能减少数据冗余量, 节约显示图元计算, 在城市三维景观及智慧城市精细化模型数据建设的应用能够优于3ds Max。

3 结 论

以桂林市雁山区园博园景区为试验区域, 利用无人机倾斜摄影技术、 专业无人机影像处理软件ContextCapture、 三维建模软件SketchUp进行园博园三维实景模型的构建, 对比SketchUp与3ds Max的建模效果并对三维模型精度进行验证, 最终将实景模型精细化建模, 得到以下主要结论:

(1)采用无人机倾斜摄影技术结合ContextCapture对园博园景区进行建模, 相比传统建模方式, 该方法可进行大面积三维场景建模, 具有速度快、 自动化程度高、 模型逼真、 模型精度高等优点。

(2)用ContextCapture进行建模具有传统建模方法无法比拟的优势, 但易出现漏洞、 悬浮碎块、 纹理变形等情况, 需借助第三方软件整饰模型以改善模型显示效果， 在此基础上对模型建筑进行单体化建模才能保证输出的模型更好地应用于研究中。

(3)在仿古建筑建模过程中, SketchUp能将仿古建筑中廊、 檐、 榫、 卯等异形结构通过工具栏已有工具快速构建, 而3ds Max中进行相同步骤则需要多次利用修改器进行点、 线、 面要素切换, 其中捕捉和挤出等工具的操作和使用相比SketchUp更加严格, 对操作人员的要求更高, 综合多种因素对比下SketchUp时间效益和便捷程度上优于3ds Max。

本文提出的基于航空摄影测量技术的异形仿古建筑三维建模方式, 因其灵活性强、 作业速度快、 性价比高等优势在实景三维场景建模中发挥了重要作用, 可为城市规划、 数字城市建设、 险情评估、 文物保护等领域提供帮助。