面向对象的实景三维模型分层解译方法研究

面向对象的实景三维模型分层解译方法研究

李佳维

辽宁建筑职业学院，辽宁省辽阳市，111000

摘要：随着多视图三维重建技术的发展,倾斜摄影测量实景三维模型具有生产自动化程度高、真实性强、要素呈现全面等特点,在实景三维建设领域中应用越来越广泛。然而,模型用大量不规则的三角网刻画地表,数据量大,给展示、应用带来很大困难。倾斜三维模型由不规则三角网构成,常用的二次误差测度(QEM)网格简化算法采用一定的阈值进行总体简化,效果有限,简化后的结果在几何特征不明显的地方采用较少的三角形数量,在结构丰富的地方采用较多的三角形数量。由于植被表面不平坦,在数据分析时属于特征丰富的区域,使用了大量三角形表达,但这些植被几何特征实际上对实景三维数据需要记录和表达的内容意义不大。因此,有必要把植被单独提取出来,进行更高程度的简化。

关键词：实景三维模型；分层；方法

引言

近年来，航空摄影测量技术不断完善，机载的各式传感器也在不断发展，这使得低空倾斜摄影测量成为很多精细化应用的首选数据采集方式。倾斜摄影数据智能化处理平台也不断发展，如Context Capture和Pix4DMapper及大疆智图等商业软件，可以方便简单地利用多视影像数据获取测区的正射影像（DOM）与实景三维模型。通过对三维模型的分层分割和结果融合，一方面简化了三维模型解译的过程，实现解译效率的提升，另一方面实现解译精度的提升。

1倾斜摄影测量与实景三维模型建立

无人机倾斜摄影测量技术是指通过无人机搭载多镜头倾斜相机，经像控点布设、航线规划等步骤后，以设计好的航高、航向重叠度、旁向重叠度等参数运用飞控系统获取实验区多视影像。由于本次实验区地处高寒、高海拔地区，传统倾斜摄影测量方案不能保证建模精度，针对实验区局部地区航飞成果投影差大、居民地比例大且分布复杂等具体情况，优化了倾斜摄影方案的参数设置与航摄方法。实景三维模型成果利用重建大师软件和Ｇｅｔ３Ｄ全自动实景建模系统完成模型生成，通过ＳＩＦＴ特征匹配算法对倾斜摄影测量获取的航片进行影像匹配，通过自动空三加密、光束法区域网平差计算、多视影像密集匹配、生成不规则三角网（ＴＩＮ），进而生成数字表面模型（ＤＳＭ），再经过纹理映射、纠正模型，生成倾斜实景模型。

2生成的实景三维模型的优点

1)真实纹理反映建筑物。实景三维模型的建立打破了传统工业工厂平面图及正摄航拍无法描述地物立体形状与表面真实纹理细节的限制，让用户可以从不同视角浏览同一地物，可最大限度还原工业广场周边地物样貌，与传统三维建模比较，目视效果更加逼真。2)可量测数据。在生成的三维模型过程中对已知地面特征点进行刺点，输入地面坐标、高程，输出模型成果可进行地物长、宽、高、角度、面积、体积等信息量测。3)建模速度快、效率高，能在短时间内获取高清模型数据，在工程规划，消防救灾、灾害评估等得到广泛应用。

3面向对象的实景三维模型分层解译方法

3.1模型分层处理

本研究中，先采用布料模拟滤波（CSF）算法将由三维模型中所有三角面片顶点构成的点云（影像密集匹配点云）分为地面点云与非地面点云，再根据点云滤波结果完成模型的分层。CSF点云滤波。提出的CSF滤波算法是一个物理过程的模拟。假设有一块布足够柔软并有一定的黏性，将这块布放置于场景上。受重力作用，这块布将会慢慢下沉并附着于地表的建筑与树木上，最终形成数字表面模型的形状；再将地形倒置，假设这块布具有一定的刚性，那么这块布将会形成数字地面模型的形状。将这两个模拟过程结合，就可以从点云中分离出地面点云与非地面点云。本文使用CSF滤波算法完成模型三角面片顶点点云的分类。基于点云滤波结果的模型分层。本研究统计三角网格中的所有三角面片的3个顶点的属性，如果一个面片由两个以上的非地面点构成，就将该面片划分为立体地物部分的面片，此时模型分层结果较均衡，利于接下来的解译过程。

3.2倾斜摄影数据采集

航线自动飞行数据采集方式所获取数据质量高、影像重叠度均一。该方式缺点也很明显，由于要制定飞行范围的KML文件，所以需提前了解剖面情况，特别是剖面较为精准的位置范围。该方式有以下6个步骤：1）露头区域KML制作；使用无人机配套飞行软件或部分桌面端软件将剖面区域圈定出来制作成KML文件。2）无人机组装及测试；按要求组装好无人机，并进行简单的飞行测试，检查飞机控制及各项参数是否正常。3）飞行航线制定；通过无人机配套的飞控软件和KML文件制定航线，重点是设定剖面采集过程中的倾斜摄影相关参数，包括飞行高度、飞行速度、旁向重叠率、航向重叠率。飞行高度根据拟建立模型的精度进行确定，飞行速度不易过快，过快易导致照片模糊，航向重叠率和旁向重叠率分别为80%和75%。4）航线任务执行；无人机根据航线自动巡航并同步采集剖面倾斜影像和对应GPS坐标信息。5）空地信息互传；飞行过程中，无人机实时与遥控器进行图传，通过遥控器屏幕可实时查看当前无人机各类飞行状态参数及拍摄的剖面影像。6）返航与数据质量检查；飞行任务完成后，无人机自动或手动返航，检查拍摄数据是否覆盖整个剖面区域，检查照片是否清晰无模糊，若照片有问题，需进行补拍。

3.3模型生成

在Context Capture软件中新建工程，导入无人机拍摄的影像资料，初步自检完毕，进行空三测量，倾斜摄影空三运算是实景三维建模的非常重要的一步，因多个视角的照片需要考虑影像的畸变及部分拍照视线的遮挡的因素，该软件的空三平差处理是将上传的影像资料中正摄(正片)及倾斜摄影(斜片)集中进行混合平差，软件自动选择不同视角内最优模型生成高密度的点云，构建三维空间信息，获得最佳效果的纹理。同时在定位和地理参考选项中通过像控点输入坐标位置。最后提交空进行任务处理，在3D视图中查看生成的三维模型成果。通过在Acute3DViewer软件中观察生成的三维模型场景中地物的空间位置、形状、颜色、外观等与实际环境一致，各地物单位之间衔接流畅完整，建筑物轮廓清晰，各面纹理完整，与实际情况相符，细节较好地表现出来，但是大门玻璃顶棚下部区域等视线遮挡部分的形状、轮廓出现偏差，出现部分空洞现象，说明在玻璃这种缺少纹理特征又表面光滑的地方会无法匹配特征点，而产生模型效果差的现象。

结束语

本文提出了一种实景三维模型分层次解译方法，将实景三维模型分成地形表面与立体地物分层处理，降低了模型的解译难度。对于地形表面模型，抓住平坦无遮挡这一特性，获取正射影像，采用面向对象影像解译方法完成分类，再将分类结果映射到模型，简单高效；对于立体地物，根据三角面片拓扑关系，先完成单体化，再对单体化后的独立地物提取光谱、纹理以及几何结构多维特征，采用随机森林算法完成分类。实验表明，本研究提出的算法，模型解译精度高，很大程度上避免了解译过程中的椒盐噪声现象。

参考文献

[1]李妍妍.浅谈倾斜摄影在三维模型中重建的方法[J].测绘与空间地理信息,2019,42(12):156-157+160.

[2],超融合实景三维平台关键技术研究及应用.广西壮族自治区,广西壮族自治区自然资源遥感院,2019-12-20.

[3]徐兹正.倾斜摄影测量在实景三维建模中的应用探讨[J].化工管理,2019(30):212-213.

[4]张文清,杜芳芳.三维虚拟实景模型构建方法的探讨[J].科技视界,2018(09):240-241.

[5]黄鹤.城市实景三维模型建设的主力军无人机倾斜摄影测量[J].城乡建设,2018(06):62-65.

（2021年辽宁建筑职业学院校级科研项目）