摘要: 三維建模已經(jīng)成為測繪數(shù)字化過程中不可缺少的重要一環(huán)。Smart3D 軟件在快速低成本實現(xiàn)精細(xì)三維模型的構(gòu)建、大比例尺DOM 的制作以及三維模型的可視化展示等方面擁有巨大優(yōu)勢。本文借助傾斜攝影測量技術(shù)和Smart3D 軟件實現(xiàn)精細(xì)三維模型的快速構(gòu)建，規(guī)范和分析了數(shù)據(jù)獲取的主要流程和數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵技術(shù)，對比和探討了利用點云和影像數(shù)據(jù)建模的精度和優(yōu)缺點，總結(jié)了三維建模過程中相關(guān)數(shù)據(jù)的質(zhì)量要求和評價標(biāo)準(zhǔn)。最后指出了影像建模仍面臨的一些問題，仍需要進一步研究。
關(guān)鍵詞: Smart3D; 三維模型; 數(shù)據(jù)質(zhì)量
1. 引 言
傳統(tǒng)的三維建模和低空攝影測量技術(shù)已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足當(dāng)下快速精細(xì)建模的要求。傳統(tǒng)三維建模主要依靠二維的平面矢量圖、正射影像圖等數(shù)據(jù)為底圖建立白膜，通過將高程數(shù)據(jù)和拍攝的紋理數(shù)據(jù)貼在白膜上來構(gòu)建。由于傳統(tǒng)的建模方法效率低，勞動強度大、生產(chǎn)成本高等缺點，將逐漸被淘汰。傳統(tǒng)低空攝影測量技術(shù)，廣泛應(yīng)用在大面積區(qū)域調(diào)查、安全監(jiān)測、災(zāi)害應(yīng)急、環(huán)境保護等諸多領(lǐng)域。通過無人機搭載傳感器，快速、高效、便捷地獲取高分辨率影像數(shù)據(jù)，從而制作DOM( 數(shù)字正射影像) 和DEM( 數(shù)字高程模型) 。但是由于傳感器和數(shù)據(jù)處理算法等軟硬件的限制，并不能快速高效地還原最真實的三維場景。
無人機攝影測量具有靈活快速、高效便捷、成本較低、影像分辨率高等特點大大促進了傾斜攝影測量技術(shù)的發(fā)展。傾斜攝影測量徹底改變了人工建模的弊端，通過自動化的數(shù)據(jù)處理手段大大加快了大場景精細(xì)三維模型的生成速度。傾斜攝影測量技術(shù)也顛覆了傳統(tǒng)低空攝影測量只能從垂直角度獲取數(shù)據(jù)的局限，在無人機上同時搭載多個傳感器，從多個角度獲取影像數(shù)據(jù)，能夠更加真實全面立體反映地表物體的局部細(xì)節(jié)和整體層次。利用傾斜攝影測量技術(shù)獲取豐富的紋理信息數(shù)據(jù)，生成密集三維點云和TIN 格網(wǎng)模型，結(jié)合自動化實景建模模型，實現(xiàn)三維場景的快速、高效、低成本的真實還原。
2. 數(shù)據(jù)獲取的主要流程
傾斜攝影測量主要有地面飛控系統(tǒng)、無人機、控制測量三個部分組成。飛控部分主要規(guī)劃設(shè)計無人機的飛行航線、航高、以及對無人機飛行監(jiān)視控制和數(shù)據(jù)通信等，無人機部分主要由機載定位系統(tǒng)和多視相機組成，控制測量主要是航測區(qū)域的控制網(wǎng)設(shè)計和像控點的測量。無人機航拍前需要對測區(qū)進行現(xiàn)場踏勘，首先根據(jù)已有GPS 控制點位去合理布設(shè)像控點，像控點的數(shù)量和位置依據(jù)實際測量規(guī)程要求的精度和測區(qū)范圍的大小均勻布設(shè)。其次根據(jù)申請的空域時間和范圍合理規(guī)劃飛行航線，保證影像的航向重疊、旁向重疊、分辨率等符合作業(yè)要求。在航線的設(shè)計中，一般設(shè)置30%的旁向重疊度，66%的航向重疊度。對于模型的自動生成，旁向重疊和航向重疊會要求更高[1]。再次要在已知的高精度點位上架設(shè)基站，在無人機起飛規(guī)定時間前開機，降落后在規(guī)定時間內(nèi)關(guān)機。在測量時，需要量取天線高，記錄基站開關(guān)機的具體時間，并進行像控點的測量。最后組裝無人機和設(shè)置相機參數(shù)，實施無人機航拍，飛行結(jié)束后，分別下載無人機數(shù)據(jù)和基站數(shù)據(jù)。
在影像數(shù)據(jù)的獲取過程中，會受到相機鏡頭畸變在內(nèi)的儀器本身以及天氣變化在內(nèi)的外界自然影響而產(chǎn)生的不可避免的誤差。如果不對原始影像進行預(yù)處理，會直接影響到后期成果數(shù)據(jù)的精度和質(zhì)量。影像數(shù)據(jù)后續(xù)處理基于數(shù)字?jǐn)z影測量、多視影像聯(lián)合平差、計算機視覺等相關(guān)算法，數(shù)據(jù)處理過程中無須人工干預(yù)，具有高伸縮性和高效性。利用AgisoftPhotoscan、Smart3D capture 等相關(guān)軟件，在有無控制點的情況下，都可以實現(xiàn)多視圖多視角的三維重建，還原最真實的三維場景。同時利用相關(guān)數(shù)據(jù)處理軟件實現(xiàn)對三維模
型的高度、面積、長度、體積等實現(xiàn)精準(zhǔn)量測。傾斜攝影測量技術(shù)獲取多視角的高分辨率影像數(shù)據(jù)，并實現(xiàn)大場景精細(xì)三維場景的最真實還原。數(shù)據(jù)獲取處理的主要流程。
3. 數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵技術(shù)
3. 1 多視影像密集匹配和空三解算
由于傾斜攝影測量獲取的影像是范圍廣而且多視角的，各個航帶間的影像視場差別較大，傾斜立體影像間往往存在較大的幾何畸變，增加了影像匹配的難度[2]。多視影像的密集匹配就是尋找連接點構(gòu)網(wǎng)的過程，同時消除多視影像數(shù)據(jù)中的冗余信息。影像匹配的算法分三類: 灰度匹配、特征匹配和關(guān)系匹配，匹配的共性就是在影像上按照匹配策略需找同名點[3]?；赟IFT 算法為代表的特征匹配，匹配的誤差較多、耗時較長。在傾斜攝影測量中導(dǎo)入處理影像數(shù)據(jù)，同時添加POS 數(shù)據(jù)可以輔助多視影像的匹配，依據(jù)POS 數(shù)據(jù)可以粗略得到原始影像的外方位元素，進行相關(guān)算法的粗匹配剔除一些誤匹配點，進而再重新精確匹配[4]?？杖馑愕木褪怯跋耖g精確幾個拓?fù)潢P(guān)系重建的過程。根據(jù)地面布設(shè)的像控點，并以共線方程為基礎(chǔ)，進行光束法區(qū)域網(wǎng)平差。
3. 2 多節(jié)點并行計算的實現(xiàn)
并行計算是將計算任務(wù)分解成多個并行的子任務(wù)，分配到具有并行處理的計算節(jié)點上，通過各節(jié)點上的處理器相互協(xié)同，共同解算并行子任務(wù)，從而使得計算加速。并行計算系統(tǒng)主要有并行機，并行算法和并行編程三個重要組成部分，如圖2 所示。并行計算的基礎(chǔ)是并行機，并行機的核心組成是處理器、內(nèi)存和互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。通過互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)將并行機串聯(lián)起來，在并行機上實現(xiàn)影像數(shù)據(jù)的同步、共享和訪問。針對特定應(yīng)用類型進行互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計，可以極大提升并行計算能力和效率。并行算法的主要設(shè)計分為任務(wù)分解、通信設(shè)計、任務(wù)聚合和處理器映射四個步驟，根據(jù)并行算法通過并行編程環(huán)境編制為程序并運行得到計算結(jié)果[5]。
影像數(shù)據(jù)的密集匹配和空三解算可以在任何一臺并行機上實現(xiàn)，在模型重建過程中，將模型劃分為若干個大小長度相等的規(guī)則瓦塊。依據(jù)并行算法和程序，通過互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)使得串聯(lián)的并行機同時對劃分好的規(guī)則瓦塊進行并行計算。通過并行計算的實施，極大地提高三維模型計算和生成的速度，同時降低了三維模型對計算機硬件的配置要求。
3. 3 面向GPU 的LOD 可視化
在傾斜攝影測量的三維模型的可視化需要CPU和GPU 協(xié)調(diào)合作完成，紋理映射、模型繪制以及場景的渲染主要依靠GPU 的性能和效率。GPU 具有小緩存多核的架構(gòu)和快速高效的并行計算能力，適應(yīng)GPU的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)必須能夠充分發(fā)揮GPU 高速處理和高效渲染的能力，避免計算機硬件數(shù)據(jù)帶寬沖突問題[6]。傾斜攝影測量生成的模型數(shù)據(jù)進行分塊分級處理，對于生成的瓦塊數(shù)據(jù)建立四叉樹或者八叉樹的空間索引模型，從而提高數(shù)據(jù)的讀取效率，減少數(shù)據(jù) I /O 操作，加快數(shù)據(jù)的調(diào)度和繪制?；谒牟鏄渌饕Y(jié)構(gòu)的多細(xì)節(jié)層次模型( LOD) ，如圖3 所示。在三維模型數(shù)據(jù)生成過程中，通過不同的簡化比例得到三維模型數(shù)據(jù)的LOD，一般至少有5 層～6 層，多的可達10 層左右[7]。
4. 數(shù)據(jù)質(zhì)量分析與比較
4. 1 LiDAR 建模的特點分析
三維激光掃描技術(shù)具有非接觸、高精度、全天候等諸多優(yōu)點，廣泛應(yīng)用在文物保護、安全監(jiān)測、城市規(guī)劃等相關(guān)領(lǐng)域。通過對海量的點云數(shù)據(jù)進行配準(zhǔn)、精簡、分割、封裝、補洞等一系列煩瑣的操作構(gòu)建三角網(wǎng)模型，同時海量點云數(shù)據(jù)的處理完全依賴計算機硬件配置的高低[8]。彩色模型生成主要是通過將三角網(wǎng)模型進行UV 展開，再將紋理數(shù)據(jù)一一對應(yīng)手工映射。這種方法不僅耗時長、效率低、精度不高，同時紋理映射的質(zhì)量一般，如下圖4 所示。傾斜攝影測量作業(yè)范圍更大，影像數(shù)據(jù)量要比同范圍的點云數(shù)據(jù)量更小，將影像數(shù)據(jù)和控制點數(shù)據(jù)導(dǎo)入后，自動實現(xiàn)多視影像聯(lián)合平差、密集匹配和空三解算。數(shù)據(jù)處理中對計算機硬件要求較低，可以實現(xiàn)并行計算，可以獲取密集點云、三角網(wǎng)模型、彩色模型以及正射影像等諸多成果數(shù)據(jù)，支持網(wǎng)絡(luò)發(fā)布等諸多優(yōu)點。利用三維激光點云建模和傾斜攝影測量建模的比較。
三維激光掃描建模技術(shù)由于精度高、成本高等特點，更適應(yīng)于構(gòu)建小范圍的精細(xì)模型，不適應(yīng)于大場景三維模型的構(gòu)建。傾斜攝影測量在大場景三維模型構(gòu)建中成本低、范圍廣、效率高等優(yōu)點更加突出，同時精度也能滿足三維模型和大比例尺DOM 制作的精度要求。為了驗證成果數(shù)據(jù)精度，在航測區(qū)域布設(shè)了8 個控制點，其中4 個建?？刂泣c，剩余4 個為模型驗證點，如表2 所示。X，Y，Z 為實測的坐標(biāo)值，X'，Y'，Z'為對應(yīng)三維模型的坐標(biāo)值，△X，△Y，△Z 為殘差值，經(jīng)過計算中誤差均符合相關(guān)模型和制圖的規(guī)范要求。在實際的工程項目中，可以根據(jù)需求將兩種建模方法相結(jié)合。大場景三維模型的快速構(gòu)建采用傾斜測量技術(shù)攝影，小范圍精細(xì)模型構(gòu)建采用三維激光掃描技術(shù)，實現(xiàn)多源數(shù)據(jù)下多層次不同粒度三維模型的融合統(tǒng)一。也可以利用三維激光掃描獲取的高精度點云數(shù)據(jù)和傾斜攝影測量技術(shù)生成的三維模型數(shù)據(jù)進行分析、對比和校正，從而提高三維模型數(shù)據(jù)的整體精度。
4. 2 數(shù)據(jù)質(zhì)量要求以及評價標(biāo)準(zhǔn)
外業(yè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量要求主要是像控點的精度和影像的質(zhì)量。像控點的精度直接影響到三維模型數(shù)據(jù)的幾何精度。像控點的布設(shè)間距根據(jù)三維模型精度要求與像片比例尺的不同而不同，一般平均0.5 km ～ 20 km，采用E 級GPS 網(wǎng)的作業(yè)要求進行像控點聯(lián)測就可以達到三維模型對像控點的精度要求。根據(jù)GPS 網(wǎng)的布網(wǎng)要求以及起算點和像控點的分布來布設(shè)GPS 網(wǎng)，網(wǎng)中應(yīng)聯(lián)測三個以上的公共點?？紤]到高程擬合，在網(wǎng)的四周和中心需要聯(lián)測一定數(shù)量的水準(zhǔn)點。影像的質(zhì)量好壞直接影響到三維模型等成果數(shù)據(jù)的質(zhì)量。無人機獲取的影像數(shù)據(jù)首先基于人為經(jīng)驗的視覺特征要滿足清晰、無色差、色調(diào)一致，同時影像數(shù)據(jù)的幾何指標(biāo)、構(gòu)象指標(biāo)、其他指標(biāo)等也要符合規(guī)定要求，綜合人為和客觀兩種評價構(gòu)建影像質(zhì)量綜合評定模型[9]。
內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理出來的三維模型數(shù)據(jù)要求各要素應(yīng)該完整，沒有遺漏，同時沒有冗余，模型包括其組成部分的幾何位置精度要符合規(guī)范要求。三維模型各個部分各個要素的分類編碼要正確，屬性項或者屬性值應(yīng)該完整正確。三維模型數(shù)據(jù)的存儲格式和空間位置的拓?fù)潢P(guān)系具有一致性，同時三維模型數(shù)據(jù)應(yīng)具有較強的現(xiàn)勢性等[10~12]。通過多個項目實踐，基于傾斜攝影測量生成的大場景多角度三維模型的完整性、位置精度、屬性精度、表現(xiàn)精度、邏輯一致性等均符合數(shù)據(jù)質(zhì)量的控制要求。
5. 結(jié) 語
傾斜攝影測量快速生成的三維實景模型在智慧城市、災(zāi)害應(yīng)急、國土安全、文物保護等諸多領(lǐng)域中發(fā)揮越來越重要的作用，同樣也面臨著較多的挑戰(zhàn)。由于硬件或者拍攝技術(shù)等因素，對地面上高度較低且不規(guī)則物體的真實還原還不夠好。面對傾斜攝影測量技術(shù)快速生成的大場景三維模型，仍需要進一步對模型開發(fā)和利用，模型單體化和數(shù)據(jù)的融合是傾斜攝影測量面臨的亟待解決的問題。目前實現(xiàn)所謂的“單體化”，只是在利用外包圍合將模型特定部分進行高亮顯示而已，并沒有真正意義上實現(xiàn)三維模型各要素的自動分層、分割和提取。實現(xiàn)將矢量的二維數(shù)據(jù)和三維模型數(shù)據(jù)相融合以及真正意義上的模型單體化，三維模型數(shù)據(jù)的分析、查詢、編輯也將成為現(xiàn)實。
