实景三维建模中的建筑物mesh模型立面修整

杨永林,刘 东,刘 洋,石 现,王双雨,谭 钿

(机械工业勘察设计研究院有限公司,陕西 西安 710043)

随着现代地理信息产业的高速发展,地理信息行业的数据成果由原来的二维化正在向三维化、可视化、精细化转变。2015年国务院批复同意的《全国基础测绘中长期规划纲要(2015—2030年)》,指出要加快推进新型基础测绘体系建设[1]。2020年全国国土测绘工作会议提出新时期测绘工作“两服务、两支撑”的根本定位,明确要求大力推动新型基础测绘体系建设,构建实景三维中国。2022年2月25日,国家自然资源部发布了《关于全面推进实景三维中国建设的通知》,标志着“实景三维中国”将加速全面铺开建设[2]。

实景三维模型作为实景三维中国建设中的数据底座,其质量好坏直接影响着实景三维中国的建设进程。建筑物mesh模型作为实景三维模型应用最广泛的模型单元,其质量好坏直接影响着实景三维模型的使用效果,如何高质量完成建筑物mesh模型的构建,一直是地理信息行业人员研究的热点。其中,文献[3]首先对实景三维模型的三角网进行重拓扑,利用模型构建的有向图和交互式选取的立面角点获取立面的轮廓线,然后基于轮廓线拟合生成平整的建筑物各立面,得到了不错的效果。目前,工作中常用第三方软件进行单个建筑物单个立面平整修复,作业效率低下且对作业人员的技术水平要求较高,难以满足实景三维中国的快速发展。

本文结合实际工程经验,对作业软件进行研究,提出一种批量化的建筑物mesh模型立面修整方法,以期快速、高效地完成建筑物mesh模型的立面修整,为实景三维中国建设提供有力地技术支撑。

1 建筑物mesh模型立面修整

1.1 总体技术流程

建筑物mesh模型立面修整方法具有操作简单、效率高效、精确度高等特点,通过少量的人机交互即可完成批量化的建筑物mesh模型立面修整。该方法以ContextCapture软件自动生成的实景三维模型为基础,借助操作简单、采集精确度高的CASS 3D测绘软件进行裸眼采集,获取建筑物的矢量轮廓线。把实景三维模型和建筑物矢量轮廓线同时导入参数化建模软件Houdini中,开发建筑物mesh模型立面平整模块,批量生成平整的建筑物三维矢量面,自动完成建筑物立面到三维矢量面的吸附,达到建筑物立面结构平整的效果。以平整后的建筑物mesh模型为参考,导入ContextCapture软件中进行自动纹理映射,以快速完成建筑物mesh模型的修整。总体技术流程如图1所示。

图1 总体技术流程

1.2 实景三维模型

采用ContextCapture软件进行实景三维模型的生产[4]。首先,在软件中导入无人机航拍照片及对应的POS数据,设置传感器尺寸信息;其次,设置输出坐标系,导入像控点数据进行刺点及区域网平差,完成空三加密工作[5-6];然后,设置模型坐标原点并确定构建模型的范围,选择模型的分块方式为平面规则化分块,根据计算机属性设置相应的分块边长;最后,选择需要的模型格式,提交生产,软件会自动进行密集匹配[7-8]、三角网的生成及纹理映射,最终完成实景三维模型的制作[9]。

1.3 建筑物轮廓线

CASS 3D软件具有操作简单,采集精确度高的特点,已广泛应用于数字线划图的生产[10]。把生成好的实景三维模型加载到测绘软件CASS 3D中进行建筑物轮廓线采集。利用软件的二三维联动功能使作业者能够清晰地查看建筑物质量,同时使用软件的建筑物直角绘图功能,对建筑物各个立面进行轮廓线采集,完成建筑物轮廓线的生成。不同于文献[11—15]中建筑物轮廓线自动提取,利用专业化软件进行采集的建筑物轮廓线能规避掉许多测量误差。建筑物轮廓线作为建筑物mesh模型立面平整的基础,本文选择人为采集的方式获得。

1.4 建筑物mesh模型批处理

本文的批量化建筑物mesh模型立面修整包含了模型的结构处理及纹理处理,分别采用参数化建模软件Houdini及摄影测量软件ContextCapture完成。

(1)建筑物mesh模型立面结构平整。把含有建筑物mesh模型的瓦片和建筑物矢量轮廓线导入Houdini软件中,对参数化建模软件Houdini进行研究,开发了立面平整功能模块。该模块可以根据建筑物mesh模型的位置及高度对建筑物矢量轮廓线进行自适应处理,生成和建筑物高度相同的平整建筑物三维矢量面。以建筑物三维矢量面为基础,自动批量完成建筑物mesh模型各立面到三维矢量面的吸附,达到立面平整的效果,然后批量导出含有建筑物mesh模型的瓦片。

(2)建筑物mesh模型立面纹理映射。把立面平整好的含有建筑物mesh模型的瓦片作为参考模型导入ContextCapture软件中,设置参考模型的坐标系和坐标原点,与原工程保持一致。ContextCapture软件根据原有的空三加密结果选择最佳角度的航拍照片,对建筑物mesh模型各立面进行纹理映射,自动批量完成建筑物mesh模型立面纹理修整。

2 实例分析

2.1 应用实例

选用多层建筑区和高层建筑区两种试验场景对本文提及的批量化建筑物mesh模型立面修整方法进行验证。

选用大疆M300 RTK多旋翼无人机搭载睿铂DG4M五镜头相机对试验测区进行像控点测量,内业处理采用ContextCapture软件,生成实景三维模型。其中,多层建筑区有26栋楼,高层建筑区有19栋楼。模型成果如图2所示。

图2 试验区实景三维模型

以生成的实景三维模型为基础,导入CASS 3D测绘软件中进行建筑物轮廓线的快速采集,获取高精度的建筑物矢量轮廓线,如图3所示。

图3 试验区建筑物轮廓线

把含有建筑物mesh模型的瓦片和建筑物矢量轮廓线导入参数化建模软件Houdini中,利用开发的立面平整功能模块进行处理,使建筑物轮廓线套合建筑物mesh模型,如图4所示,并生成平整的建筑物三维矢量面,如图5所示。一键操作完成建筑物mesh模型各立面到三维矢量面的吸附,平整各个立面结构,同时导出修复好的含有建筑物mesh模型的瓦片。处理效果如图6所示。

图4 建筑物轮廓线套合建筑物mesh模型

图5 建筑物三维矢量面生成

图6 建筑物mesh模型立面平整

把立面平整好的含有建筑物mesh模型的瓦片作为参考模型导入ContextCapture软件中,设置与原工程一致的坐标系和坐标原点,提交模型生产,批量完成建筑物mesh模型的立面纹理映射,最终实现建筑物mesh模型的批量修整。处理效果如图7所示。

图7 建筑物mesh模型立面修整前后对比

2.2 结果分析

3名技术水平不一的作业人员在各自的计算机上分别采用本文方法和传统的第三方修模软件对以上两个试验场景进行对比测试,完成建筑物mesh模型各立面结构平整及纹理映射工作,所花费的时间见表1。不同作业人员因其技术水平的不同在完成试验区建筑物mesh模型立面修整的时间是不同的。综合比较,采用本文方法的工作效率是传统第三方软件工作效率的1.5～2倍。

3 结 语

本文基于实景三维模型的发展现状,提出了一种批量化的建筑物mesh模型立面修整方法。该方法以人工采集建筑物矢量轮廓线为基础数据,进行批量化的建筑物mesh模型立面修整,提高了模型修复的工作效率。同时,该方法作业门槛低,操作简单,为实景三维中国的快速发展提供了有力的技术支撑。