基于倾斜摄影测量的单体建筑三维建模技术初探

李红梅,管恬融,曹伟强,危 威

(1.昆明市不动产登记中心,云南 昆明 650000;2.昆明市规划设计研究院有限公司,云南 昆明 650000)

0 引言

随着计算机技术和测绘地理信息技术的高速发展,无人机倾斜摄影测量三维建模技术越来越成熟,应用越来越广泛。倾斜摄影测量技术是一种基于传统摄影测量技术发展起来的新兴技术。它利用同一飞行平台上搭载的多台传感器,同时从垂直、侧向和前后等角度采集图像,能够比较完整地获取地面建筑物的侧面纹理信息。再结合现有的、具有协同并行处理能力的倾斜影像数据处理软件,可实现大范围的城市三维模型的快速构建,较大程度上提高了三维模型的生产效率。

传统的模型建立是利用二维信息建立三维立方体,其纹理是依靠专门的三维软件进行人工粘贴,其工作量较大,生产成本也高。而倾斜摄影测量三维建模技术是直接生成基于影像纹理的高分辨率倾斜摄影三维模型,建立的三维模型更为真实,且速度快。

本研究通过倾斜摄影测量技术,针对消费级无人机三维建模开展有益探索,对城市地块建筑空间形态进行识别与画像,实现二维影像数据到三维空间的映射,建立城市地块建筑的三维模型,探索一套准确、高效进行建筑空间形态画像的技术流程,为未来批量开展该类工作奠定良好基础。

1 国内外研究现状

1.1 倾斜摄影测量在老旧小区改造方面的应用研究

旧城区老旧建筑、违章建筑较多,原有地理信息资料年代久远,个别地区业主有抵触情绪,实地调查测绘难度较大。得益于无人机操控简便灵活、易维护且成本低的特点,无人机测绘技术可在旧城改造调查测绘中解决实测问题,极大提高了外业调查测绘人员的工作效率,也为开展旧城改造工作提供了重要的数据支撑[1]。

于麒利用消费级单镜头无人机配合智能云台采集了占地面积为20万m2的黑龙江省哈尔滨市道里区共乐小区宜居改造项目的多视影像数据,完成了测区三维模型构建。将消费级无人机倾斜摄影测量的方法应用于宜居改造项目的前期整体测绘工作中,满足了宜居改造对测绘工作的需求,并取得较好效果[2]。

刘静、何永钟采用无人机倾斜摄影测量系统获取多视影像数据,对旧城区进行立体测绘,通过倾斜摄影测量技术创建实景三维模型,利用该模型实现标高量测,建筑尺寸、高度量测,拆迁面积预测算等工作,对倾斜无人机摄影测量技术在旧城区改造工程方向的广泛应用提供一种思路[3]。

1.2 倾斜摄影测量在历史建筑建模方面的应用研究

吴晓伟等利用倾斜摄影测量的方法先用无人机及航线规划软件Altizure对漳浦锦江楼进行拍摄采集,再利用商业软件 Context Capture进行三维自动建模,得到一个较为精细的模型,并计算建筑物的近似高度,地面距离和基本矢量化[4]。韩士伟等针对单栋古建筑范围小、场景复杂、影像拍摄困难、建模精细度要求较高等特点,利用大疆精灵无人机及其二次开发技术,提出和实现了一种定点环绕多层、多角度倾斜摄影方法[5]。李核心等针对传统历史建筑测绘方法工作量大、准确性低、成果形式单一的问题,提出了基于倾斜摄影和三维激光点云融合技术应用于历史建筑测绘,制作准确、完整的图纸,并进行三维仿真建模,实现了历史建筑的全面、准确测绘,为历史建筑后期开展维护管理、保护修缮、合理利用提供准确、完整的基础资料[6]。叶珉吕等结合佛山市禅城区历史建筑精细测绘项目实践,提出了基于三维激光扫描仪、无人机、全站仪、激光测距仪、数码相机等技术手段的历史建筑精细测绘方法,最终成果形成了完整的内外业作业流程,可为类似项目提供一套完整的技术方案[7]。金艳萍等提出基于无人机倾斜摄影测量和三维激光扫描技术的历史建筑数字实景模型创建方法,成功建立了历史建筑的精细化整体模型,解决了存在盲区、纹理细节表达粗糙的问题,对历史建筑数字化保护、活化利用提供了数据支撑[8]。

2 研究技术路线

研究技术路线如图1所示。

图1 研究技术路线图Fig.1 Technology roadmap

3 基于倾斜摄影测量单体建筑的三维建模

3.1 数据采集及处理

3.1.1 数据采集

为探究不同的数据采集方式对三维模型构建的影响,同时结合目标对象的位置特点,采用了4种数据采集方式,具体为：在昆明市某古塔采用正射加切斜拍摄,获取影像583张;在昆明市某小区老旧居民楼采用空中倾斜摄影和地面手持相机拍摄,获取影像268张;在呈贡三台山东骧阁采用手动自由拍摄,获取影像352张;在昆明某大学图书馆采用环形拍摄,获取影像90张。

3.1.2 三维建模方法

结合所采集数据情况、技术方法可行性以及成本考虑,在三维建模阶段,采用了空地结合三维建模和软件自动建模。

针对城市密集建筑物区域三维建模的摄影遮挡,造成多视影像密集匹配精度受限,从而影响城市三维建模的精细问题,在研究中尝试了空地结合建模技术,即利用无人机倾斜摄影和地面定点拍照的方式获取影像,将空、地两类照片资料分别进行空三计算并建模,然后通过人工添加同名点的方式进行空、地两类模型自动融合,最终自动生成远近视角逼真且位置精度高的实景三维模型。具体流程如图2所示。

图2 空地结合三维建模流程图Fig.2 3D modeling flow of air-ground combination

3.1.3 三维模型修整方法

在三模模型重建完成之后,还需要对模型进行一些细部的修整,使用Context Capture 和 SketchUp、Geomagic Studio、Rhinoceros软件相结合进行修正。

3.2 数据处理

3.2.1 倾斜摄影测量建模

选取昆明市某古塔作为研究对象,该古塔周围开阔,适宜采用倾斜摄影测量的方式获取数据。实验中发现在模型接近地面的位置由于地物遮挡问题,模型存在严重的粘连和不清晰情况,后续采用空地结合的方式解决了这个问题。最终获得的倾斜摄影测量三维建模效果见图3。

图3 倾斜摄影测量三维建模效果图Fig.3 3D modeling rendering of oblique photogrammetry

3.2.2 空地结合三维建模

选取昆明市某老旧居民楼为研究对象,该居民楼临街树木茂密、车辆较多,为拍摄建模造成阻碍,为此采用空地结合建模技术进行建模。该方法结合了空地数据,可以弥补无人机航空倾斜影像和地面近景影像各自的缺点,建模精度得到提升,同时操作过程较为简单,但对于Context Capture软件的操作要求高且建模所需数据量较大。此外,由于民用设备分辨率及空间定位问题,造成了两种建模结果存在色差、精度差距大、空地数据结合效果不佳等问题,后续仍需进一步处理空地数据结合问题。获得的空地结合三维模型见图4。

图4 空地结合的三维模型Fig.4 3D models of air-ground combination

3.2.3 精细化三维模型重建

1)手动自由拍摄获取数据

由于无人机航线飞行拍摄中存在局部遮挡、航线设定不合理等问题,实验采用无人机手动自由拍摄,以多方位、多角度的拍摄弥补航线飞行拍摄的不足。

选取呈贡三台山东骧阁为研究对象,东骧阁位于滇池东岸,云南省昆明市呈贡区北面山巅,周围虽无其他建筑,但树木会影响航线拍摄质量,因此选用手动自由拍摄的方式。从建模效果来看,建模精度相对航线飞行建模精度有一定提高,尤其对于建筑侧立面局部的建模细节有明显提升。通过本次实践,初步探索精细化建模可行性和技术路径。建模效果如图5所示。

图5 东骧阁建模效果Fig.5 3D modeling of Dongxiangge

2)环绕飞行获取数据

对于独栋建筑且周围比较开阔的场景,除了正射影像采集,倾斜影像采集亦可采用立体环绕飞行航拍模式进行。相对手动飞行采集建筑侧面影像的方法,设定环绕飞行更加便捷,但对于建筑周边环境也有一定要求。

选取昆明某大学图书馆为研究对象,该图书馆周围场地开阔,有利于立体环绕飞行的航线设定。对图书馆进行高距、中距两个等圆环线拍摄。通过实践,实现单栋建筑环绕飞行建模技术路径。从获取的建模效果可以看出,在建筑外立面平整位置建模效果较好,但是有窗户和栅栏的部分,建模精度欠佳,在拍摄盲区会有漏洞出现,后续仍需手动修整。获得的模型如图6所示。

图6 环绕飞行建模效果Fig.6 3D modeling results of circling flight

3.3 与建筑行业常用建模软件的结合应用

3.3.1 与SketchUp软件结合应用

将古塔的三维模型导入SketchUp中,并在SketchUp中制作一个雕塑模型,对两个模型进行融合,实现了对模型的替换,可用于模型在真实地形中的效果展示,见图7。

图7 倾斜摄影模型导入SketchUp软件中替换效果展示Fig.7 Replacement effect of importing oblique photographic model into SketchUp software

3.3.2 与Geomagic Studio软件结合应用

将东骧阁的三维重建模型导入Geomagic Studio中,对模型缺失的部分进行漏洞补充,不平整的墙面进行平整处理,使模型更为精细。

使用Geomagic Studio软件补充模型漏洞,抹平坑洼墙面,同时去除模型背景杂乱的多余点云。从模型修整结果来看,修整效果较好,但是容易影响模型整体的精度。对于古建筑之类表面复杂的建筑来说,若在建模阶段精度不高,则后续模型修整工作的工作量巨大,且容易让真实建筑外观的细节部分产生较大误差。具体效果见图8。

图8 倾斜摄影模型导入Geomagic Studio软件Fig.8 Importing oblique photography model into Geomagic Studio software

3.3.3 与Rhinoceros软件的结合应用

将东骧阁的三维重建模型导入Rhinoceros中,对模型缺失和失真部分进行修整,使其更贴近真实情况。将倾斜摄影模型导入Rhinoceros后虽然可以进行编辑操作,但由于倾斜摄影模型为一个整体,而不是规划建筑行业日常建模软件(如SketchUp)中分组件、分群组建模的模型,对后期模型精细修改仍有较大困难。未来若要进行模型的精细修改,还应借助测绘专业相关专业软件实现。修模效果见图9。

图9 倾斜摄影模型导入犀牛软件Fig.9 Importing oblique photography model into Rhinoceros software

4 结束语

无人机倾斜摄影测量技术的出现,对城市地块建筑空间形态研究带来了新的可能。通过无人机低空多角度摄影获得高清晰立体影像数据,自动制作生成三维地理信息模型,实现地理信息的快速获取,具有成本低、操作灵活、数据精确、侧面信息可用以及效率高等特点,在历史建筑保护、城市更新、小片区城市规划、建筑规划设计等方面具有广阔的应用前景。