大区域实景三维模型拼接融合方法及应用

张广庆 王新田 张允涛 吴琪 孟萌

摘要：随着实景三维中国建设的开展，大区域实景三维重建与更新已成为迫切需求，其建模面积大、模型成果异构、多尺度等特点导致场景拼接与融合成为丞待解决的问题，本文分别从影像及控制点重叠建立空三工程、包含相同控制点的空三工程融合2个角度，探究了从数据处理中实现三维场景拼接的方法，其次从模型成果的角度通过邻域瓦块的几何拓扑优化实现三维场景无缝拼接，文章对3种方法进行了试验对比及适用性分析，该研究解决了大场景三维模型拼接的问题，促进了实景三维高效高质建设。

关键词：大区域；实景三维模型；多尺度；拼接融合

中图分类号：P235.2    文献标识码：A    doi：10.12128/j.issn.1672-6979.2024.02.006

引文格式：张广庆，王新田，张允涛，等.大区域实景三维模型拼接融合方法及应用［J］.山东国土资源，2024，40（2）：3339. ZHANG Guangqing， WANG Xintian， ZHANG Yuntao， et al. Method and Application of Large Area Realistic 3D Model Splicing and Fusion［J］.Shandong Land and Resources，2024，40（2）：3339.

0 引言

实景三维中国建设是“十四五”期间新型基础测绘的重要组成部分［16］，实景三维城市是对客观世界的真实表达，相比于其他地理信息产品，具有效果真实、精确度高的优势，已成为智慧城市建设、城市精细化管理、应急管理、三维自然资源管理等方面重要的地理信息三维数据底板［710］。倾斜摄影、激光雷达、无人机航测、云计算、大数据等技术的快速发展，全面改变了传统三维城市建设模式，使得地市级城市可以低成本、高效快速构建全覆盖的实景三维城市，采用先进的技术手段高效快速构建地市级实景三维已成为研究重点［1114］。

在大面积的城市级实景三维建设中，存在建设面积大、数据庞大、软硬件难以满足海量数据处理的需求，需要分块分区域数据重建，导致空三解算的精度存在不均匀，三维瓦块模型之间在接边处产生几何的二义性问题。同时，实景三维场景数据一般体量十分巨大，采集时相、数学精度、数据标准、成果格式、发布形式等均存在差异，缺乏有效场景融合。针对此问题，赵文成［15］从原始数据角度，针对分块空三自动生产导致接边区域三维模型精度差的问题，在已有精度符合要求的三维模型上提取三维点坐标用于接边空三转刺，以提升接边区域三维模型精度；魏祖帅［16］从倾斜影像初始拓扑关系的建立、特征点提取、匹配、空三精度等方面进行研究，以解决倾斜摄影空三的问题；张光伟等［17］从数据成果的角度探索并改进了多源实景三维数据的空间精度匹配与数据接边的方法；刘姝玉［18］针对模型融合时拼接边界的适用性，提出了三次B样条曲线曲面拼接方法并对基于拉普拉斯变形的特征网格保形拼接算法进行了优化研究；胡笑莉等［19］提出了通过特征点提取、特征点匹配、空间变化三个步骤的全自动、快速、高精度的三维立体模型拼接方法；李云等［20］提出了基于缓冲区栅格插值的地形融合方法解决三维模型与大场景地形融合的问题。本文从倾斜摄影数据处理及模型成果2种角度探索了3种拼接方法，以实现高效率、高精度三维模型拼接，为大区域实景三维场景更新维护与应用提供关键技术支撑。

1 拼接方法

1.1 基于影像及控制点重叠的实景三维场景拼接

面对大区域或者高分辨率三维重建中影像数据达几十万甚至上百万张这一现状，实际作业中会将任务区分割成十万张影像为一个作业区，以每个作业区为一个工程进行空三加密及三维模型生产。该方法根据POS数据及控制点分布，将影像分为A、B或者更多工程，为保证空三解算的精度尽量一致，AB工程重叠4条以上航线，且边界有控制点。对AB工程分别进行空三加密处理，根据空三加密成果得到测区范围内密集点云，构建TIN网得到测区白模成果并进行纹理映射，设置建模成果坐标系及建模范围、切块模式、瓦片大小、模型中心点及命名起算点等参数，分别输出工程A和工程B范围内的实景三维模型。该方法（以下统称方法一）在数据预处理时完成数据分区分块，后续三维建模步骤中AB两工程独立进行，最后进行模型精度及接边处模型坐标差的检验。基于此方法的三维建模流程图如图1所示。該方法拟根据公共控制点及连接点，使得AB工程的空三解算数据达到空间基准的统一，从而抵消分别平差造成的系统误差，达到接边处瓦片坐标一致的目的。

1.2 基于控制点连接及空三工程融合的场景拼接

该方法根据航摄数据量及软硬件实际处理能力，将数据分成AB两个作业区或者更多分区，分区之间不考虑重叠范围大小，对A、B工程分别空三加密处理，并将空三成果Block_A_AT及Block_B_AT输出。为减小数据计算量，将两工程接边处的空三成果裁切出来，裁切的要求为裁切范围的边界处有控制点分布，将裁切出的A1、B1空三成果进行合并即MergeA1+B1，将此新工程中的控制点进行转刺，平差及三维建模处理，最后将其范围内模型进行输出，并将A、B范围内的瓦片输出，完成整个大区域的三维模型生产，基于此方法的三维建模流程图如图2所示。该方法（以下统称方法二）相比较方法一，从空三数据处理的角度将两块区域联结起来。将2个工程的空三成果合并成一个工程，对接边区域转刺控制点并平差，充分利用了控制点的控制及连接作用，利用接边工程MergeA1+B1抵消分别平差造成的系统误差，达到接边处瓦片坐标一致的目的。

1.3 采用几何拓扑一致性方法的三维场景融合

针对分块建模以及不同来源、不同分辨率、不同时相的实景三维数据存在系统误差及接边缝的问题，提出基于倾斜摄影三维Mesh模型的几何拓扑一致性融合方法（以下统称方法三）。该方法主要包括重叠区域检测、构建Delaunay四面体、几何重构求解最优化函数等三部分内容。

（1）检测重叠区域。

由于不同工程构建出的三角网格存在误差，相邻近的瓦块之间在重叠区域的拓扑不一致，因此需要对重叠区域进行检测，假设需要合并的三角网格的重叠区域与真实表面很接近，对于每个瓦块的三角网格来说，遍历每一个三角面fi（A，B，C），计算其重心坐标G，以G为中心构建三角面的外包球B（G，r），其中r=k·max{GA，GB，GC}（k>1，默认值可设置为1.1）。于是，可以根据不同瓦块三角网格中的三角面之间的外包球是否相交来检测重叠区域。假設P={Pi}代表重叠区域内所有三角面顶点的集合，根据每个顶点Pi的一环邻域三角面法向的加权平均值来计算其法向量ni。而对于每个瓦块的三角网格来说，将其已标记为重叠区域的三角面外扩一周作为缓冲区F，缓冲区F中的三角面与非重叠区域中三角面所共用的边则标记为集合E。

（2）构建带限制条件的Delaunay四面体。

为了保证拓扑重构的稳定性，在进行几何重构之前，首先需要将缓冲区F中自相交的三角面以及重叠区域内坐标相近的顶点进行删除。通过给每个顶点设置一个极小的搜索半径来寻找坐标相近的其他顶点。然后，利用重叠区域中的点集合P和缓冲区F中的三角面构建带限制条件的Delaunay四面体。

（3）采用Delaunay四面体二值标记法的几何重构。

将重叠区的几何重构问题看作是对上述Delaunay四面体进行二值标记的问题。因此，首先需要将Delaunay四面体转化成有向图G：每个四面体对应有向图中的单个顶点V，邻接的2个四面体所共用的三角面对应有向图中的边E。所以，对Delaunay四面体进行二值标记的问题就转化成有向图G的“最大流最小割”问题，采用受约束代价图3（a）、法向量代价图3（b）、质量代价构图3（c）建关于Cut的能量函数，通过求解最优化函数后，将瓦块间的几何缝隙进行消除（图3）。

2 大区域实景三维重建实例分析

2.1 方法一拼接试验

采用方法一对试验区一进行三维模型生产。根据控制点分布情况，将该数据分为2个分区（图4）即Q1和Q2，两工程分别独立进行三维模型生产，利用145个检查点进行精度分析，统计出平面坐标中误差0.058m，高程中误差0.063m，满足相关精度要求。对接边处瓦片进行对比分析，发现接边处平面坐标几乎完成一致，可轻易看到高程接边缝（图5），随机采集18个点，采集其三维坐标（X，Y，Z）如表1，拼接处平面坐标差值在1cm以内，高程差值在6cm以内。 2.2 方法二拼接试验

根据实验区二控制点分布及软硬件配置情况，采用方法二将该区域航飞影像分3个分区即Dp1、Dp2和Dp3，三工程分别进行空三处理并导出空三成果，对接边区域进行裁切合并即MergeDp123（图6），对其进行控制点转刺和平差处理，输出整个测区三维瓦片。对接边处瓦片进行对比分析，几乎没有平面及高程差（图7），随机采集20个点，其三维坐标（X，Y，Z）如表2，拼接处平面坐标差值在1cm以内，高程差值在2cm以内。

2.3 方法三拼接试验

随着各地市实景三维建设的开展，瓦片数据更新的需求越来越多。在10cm分辨率三维模型基础上更新3cm分辨率瓦片，采用方法三解决该问题。根据低密度服从高密度原则，选择10cm三维模型为源数据，3cm为目标数据（图8）。沿着道路等平面地物绘制两数据重叠区域，基本原则为保证范围线上的两模型的地物基本一致，地物没有较大变化且平面坐标偏差不大；在该区域匹配模型控制点，即在源数据及目标数据间进行控制点采集，采集点间距为2m，共采集了1522个控制点；继而进行拓扑重构计算，完成接边处瓦片的融合（图9）。对接边处瓦片进行对比分析（图10），随机采集23个三维坐标如表3，拼接处平面坐标差值在8cm以内，高程差值在5cm以内。

2.4 试验结果分析

3种模型拼接方法均满足倾斜航空摄影三维建模精度要求，方法一，数据处理思路较简单，只需要在分块作业时，分区数据有一定影像及控制点的重叠，采用该方法3cm分辨率三维模型的高程接边精度在6cm以内；方法二，数据处理较方法一繁琐，需要将各个分工程接边处的空三成果合并及控制点转刺，但是该方法接边精度较方法一高，3cm分辨率三维模型的高程接边精度在2cm以内；方法三，相较方法一和方法二，是完成建模后对模型成果的处理，3cm与10cm分辨率模型接边平面差值在8cm以内，高程差在5cm以内。

在实景三维建设中，可根据项目情况选择最优方法完成模型无缝拼接和融合：对于相近分辨率及航高的倾斜航摄数据，可在同一工程中处理，可采用方法二进行三维建模全流程生产，在数据处理过程中完成了瓦片间的接边，避免了繁琐的模型成果接边工作，从而提高了生产效率；对于不同分辨率、不同项目获取、多元数据以及无法利用方法二接边的的三维模型，可利用方法三进行瓦片间的无缝融合。

3 结语

随着地形级、城市级等多级实景三维建设的广泛开展，三维场景生产建设面临数据海量、多尺度及场景更新的问题。本文提出了3种实景三维场景拼接融合的方法，并根据生产案例对3种方法进行了对比及适用性分析，3种拼接方法互为补充，可解决大部分的三维模型拼接问题。该研究为实景三维场景更新维护与应用提供了关键技术支撑，打造好自然资源三维立体时空数据库自然资源“一张图”的时空基底，更好服务于自然资源管理、城市精细化管理。

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Method and Application of Large Area Realistic 3D Model Splicing and Fusion

ZHANG Guangqing， WANG Xintian， ZHANG Yuntao， WU Qi， MENG Meng

（Shandong Provincial Institute of Land Surveying and Mapping， Shandong Ji'nan 250013， China）

Abstract：Accompanying with the development of the construction of 3D real scene in China， the reconstruction and updating of large scale real 3D models has become an urgent demand. The characteristics of its large modeling area， heterogeneous model results， and multi-scale have made scene splicing and fusion an urgent problem to be solved. In this paper， from the aspects of establishing spatial engineering with overlapping images and control points， and integrating spatial engineering with the same control points， the method of implementing 3D scene stitching from data processing has been explored. The applicability of three methods has been tested and compared through experiments. It can solve the problem of large scale 3D model stitching and promotes the efficient and high quality construction of real 3D scenes.

Key words：Large regions; real 3D model; multi scale; splicing and fusion

收稿日期：20231031；修訂日期：20231123；编辑：陶卫卫作者简介：张广庆（1987—），男，山东寿光人，高级工程师，主要从事摄影测量与遥感、实景三维建设等工作；Email：296869962@qq.com *通讯作者：王新田（1991—），女，山东聊城人，工程师，从事摄影测量与遥感、实景三维建设等工作；Email：wangxintianhope@163.com