摘要：三維重建系統(tǒng)可重現(xiàn)城市園林景觀交錯帶空間格局，為城市生態(tài)環(huán)境規(guī)劃、城市空間布局提供有效的設(shè)計方式。城市園林景觀交錯帶空間格局三維重建系統(tǒng)基于雙目立體視覺原理采集園林景觀格局的二維圖像，根據(jù)兩幅二維圖像特征點得到對象的三維坐標點，構(gòu)建三維點云模型;基于視口轉(zhuǎn)換矩陣和屏幕坐標轉(zhuǎn)換值世界坐標系中，采用三角網(wǎng)生長算法構(gòu)建城市園林景觀交錯帶空間格局Delaunay三角網(wǎng)格模型，經(jīng)外觀渲染與紋理映射后，完成城市園林景觀交錯帶格局三維重建。系統(tǒng)測試表明，重建的三維城市園林景觀交錯帶空間格局布局合理、外觀逼真，體現(xiàn)了景觀交錯帶的主要特征。

關(guān)鍵詞：三維重建;城市園林景觀;交錯帶;空間格局;生長算法;系統(tǒng)測試

中圖分類號：TN911.73-34：TU986

文獻標識碼：A

文章編號：1004-373X（ 2019） 24-0154-04

城市園林景觀交錯帶空間格局是園林景觀設(shè)計的主要部分，是園林景觀脈絡(luò)、空間布局的主要體現(xiàn)“，。城市發(fā)展過程中需要不斷規(guī)劃城市園林景觀布局、優(yōu)化園林景觀交錯帶分布，以調(diào)節(jié)城市生態(tài)環(huán)境、節(jié)約城市規(guī)劃空間[2]。計算機技術(shù)高速發(fā)展，城市園林景觀交錯帶空間格局三維重建技術(shù)能夠高度還原城市園林布局[3]，將龐大規(guī)模的空間格局縮小在圖形軟件中，為逆向工程設(shè)計提供快速、有效的表達方式[4]。本文設(shè)計城市園林景觀交錯帶空間格局三維重建系統(tǒng)，目標是重現(xiàn)準確、逼真、可視化的城市園林景觀交錯帶空間格局，為再現(xiàn)城市園林景觀交錯帶、優(yōu)化城市園林景觀合理布局提供有效方式。

1 三維重建系統(tǒng)設(shè)計

城市園林景觀交錯帶空間格局三維重建總體思路如下：

1）基于雙目立體視覺原理獲取園林空間格局三維坐標，即采用相機拍攝得到同一場景、不同角度的兩幅圖像[5]，基于兩幅二維圖像得到物體各點三維坐標，利用各點構(gòu)建的三維模型是點的集合，即點云[6];

2）恢復三維點云屏幕坐標至世界坐標系中;

3）利用離散的點云數(shù)據(jù)構(gòu)建三角網(wǎng)格模型[7]，實現(xiàn)城市園林景觀交錯帶空間格局三維重建。系統(tǒng)組成如圖1所示。

1.1 三維點云模型構(gòu)建

攝像機基于雙目立體視覺原理獲取園林交錯帶空間格局的三維坐標，無干擾情況下雙目立體視覺原理如圖2所示。

基于雙目立體視覺原理，兩個攝像機內(nèi)外參數(shù)相同情況下，任意攝像機像平面中存在與另一臺攝像機對應(yīng)的特征匹配點時，基于式（1）可得到此點三維坐標[7]。

物體表面海量三維坐標點9成為點云，點云組成物體三維點云模型，基于三維點云模型構(gòu)建三角網(wǎng)格模型完成園林三維重建，在此之前應(yīng)將三維點云屏幕坐標轉(zhuǎn)換至世界坐標中。

1.2 三維模型屏幕坐標向世界坐標的轉(zhuǎn)換

屏幕坐標點向世界坐標系的轉(zhuǎn)換基于視口轉(zhuǎn)換矩陣實現(xiàn)，視口轉(zhuǎn)換矩陣為：

1.3 Delaunay三角網(wǎng)格構(gòu)建

三維模型坐標轉(zhuǎn)換至世界坐標系后，開始構(gòu)建三維網(wǎng)格模型，完成城市園林景觀交錯帶空間格局三維重建。收縮生長算法、擴張生長算法是三角網(wǎng)格生長算法的兩個方向[9]，系統(tǒng)采用三角網(wǎng)生長算法中的擴張生長算法構(gòu)建城市園林景觀交錯帶空間格局模型三維網(wǎng)格。算法構(gòu)建三維網(wǎng)格思路如下：連接點集中距離最小的兩點形成一條邊，基于Delaunay構(gòu)網(wǎng)原則獲取第三個點，三點連接得到三角形[10];沿著基線擴展連接距離較近的點（初始三角形的三邊為基線）得到多個三角形，全部離散點涵蓋在三角網(wǎng)中后，完成三角網(wǎng)格構(gòu)建。

基于上述過程實現(xiàn)城市園林景觀交錯帶空間格局三維重建，為提升模型美觀效果，最后對三角網(wǎng)格模型展開紋理映射，渲染模型外觀，得到逼真、可視化的城市園林景觀交錯帶空間格局三維模型。

2 系統(tǒng)測試

以某城市局部園林景觀交錯帶為實例展開仿真系統(tǒng)測試，評估本文的城市園林景觀交錯帶空間格局三維重建系統(tǒng)性能與效果。該園林景觀占地約1.12公頃，其中景觀交錯帶占地約0.89公頃，景觀交錯帶在園林景觀格局中的平面布局如圖3所示。該園林景觀包含現(xiàn)代園林、中國古典園林、鄉(xiāng)村庭院式園林以及自然風景園林四種園林風格。

2.1 系統(tǒng)三維重建結(jié)果展示

本文系統(tǒng)以城市園林景觀為實例構(gòu)建交錯帶空間格局模型，構(gòu)建的地形Delaunay三角網(wǎng)格模型如圖4所示。

圖4中，全部點均包含在三角網(wǎng)格中，說明構(gòu)建De-launav三角網(wǎng)格模型效果較好，不存在遺漏坐標點的情況，可準確還原地形起伏程度。

本文系統(tǒng)重建的現(xiàn)代風格的園林景觀交錯帶三維效果圖如圖5所示。

本文構(gòu)建的三維景觀交錯帶空間格局模型布局合理、外觀逼真，體現(xiàn)了景觀交錯帶的主要特征，用戶觀看三維重構(gòu)模型即可整體把握城市園林景觀空間格局的風格、布局等情況。

2.2 系統(tǒng)平均重建誤差分析

通過定量的方式評估本文系統(tǒng)重建城市園林景觀交錯帶空間格局的效果，采用平均重建誤差評估本文系統(tǒng)三維重建結(jié)果，平均重建誤差計算方法為：

基于平均重建誤差分析本文系統(tǒng)重建三維模型的效果，選取4條不同類型的景觀空間交錯帶作為三維重建對象，每個交錯帶取8個重建視角，基于式（4）計算本文系統(tǒng)重建城市園林景觀交錯帶空間格局的平均重建誤差，結(jié)果如表1所示。

表1中，本文系統(tǒng)重建城市園林景觀交錯帶空間格局的誤差有所不同，重建現(xiàn)代園林交錯帶格局、自然風景園林交錯帶格局的平均誤差在0.012 - 0.013之間，重建中國古典園林、鄉(xiāng)村庭院式園林交錯帶空間格局的誤差區(qū)間分別為0.010 - 0.012，0.015 - 0.016。由于不同類型的園林景觀構(gòu)造不同，導致本文系統(tǒng)重建景觀交錯帶空間格局誤差存在差異，但是總體誤差均低于0.1，符合精準重建標準，因此，本文系統(tǒng)是一種可靠的城市園林景觀交錯帶空間格局三維重構(gòu)系統(tǒng)。

3 結(jié)論

本文系統(tǒng)重建城市園林景觀交錯帶空間格局的效果逼真、布局合理，體現(xiàn)了景觀交錯帶的主要特征。文中首先采集園林空間格局的二維圖像后得到物體各點的三維坐標，構(gòu)建三維點云模型;將屏幕坐標轉(zhuǎn)換至世界坐標系后，利用離散的點云數(shù)據(jù)構(gòu)建三角網(wǎng)格模型完成城市園林景觀交錯帶空間格局三維重建。三維重建過程中，提取兩幅二維圖像的特征點十分關(guān)鍵，決定構(gòu)建的三維模型是否精準，因此，可從精準提取二維圖像特征點角度提升三維重建系統(tǒng)的建模準確度。

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作者簡介：丁志軍（1972-），男，山東濰坊人，碩士，高級工程師，研究方向為電子規(guī)劃設(shè)計。