王凱松 劉增良 董志海

(1. 北京市測繪設(shè)計研究院, 北京 100038; 2. 城市空間信息工程北京市重點實驗室, 北京 100038)

0 引言

傾斜攝影測量技術(shù)是近年來測繪領(lǐng)域逐步發(fā)展起來的新型測繪技術(shù),通過在同一飛行平臺上搭載多臺傳感器,可以同時從多個角度采集影像,獲得近地高分辨率的建筑立面信息,大大降低城市三維建模的成本[1]。通過聯(lián)合空中三角測量、影響匹配,可以獲取地物全方位的點云數(shù)據(jù),再利用點云數(shù)據(jù)構(gòu)建三角網(wǎng)模型,通過紋理映射快速完成三維實景模型的構(gòu)建,商業(yè)軟件Context Capture、Street Factory等基于以上技術(shù)路線能實現(xiàn)全自動建模[2-3]。這類軟件生成的實景三維模型是“全要素、全紋理”的可測量的Mesh模型,但是Mesh模型是“一張皮”,沒有針對地物進(jìn)行劃分,同時由于傾斜攝影的特點,會導(dǎo)致遮擋嚴(yán)重的部分,尤其是模型底部會存在紋理和結(jié)構(gòu)扭曲的問題。單體化是指將三維模型中各類地物劃分為單獨的對象,具有矢量數(shù)據(jù)特性,只有單體化后的三維模型才能夠?qū)崿F(xiàn)每個地物作為一個實體進(jìn)行選擇、顯示、查詢、管理[4]。

當(dāng)前三維模型單體化的方法分為兩大類,第一類是邏輯上的單體化,其核心思想是不改變Mesh模型的結(jié)構(gòu)和紋理,只在展示時將地物對應(yīng)的三角網(wǎng)做特殊渲染,具體實現(xiàn)方式有:實體編碼(Identity Document，ID)單體化,利用三角面片中每個頂點額外的存儲空間,將對應(yīng)地物的ID值進(jìn)行存儲,可以實現(xiàn)地物的查詢和高亮顯示[5];動態(tài)單體化,在傾斜模型進(jìn)行展示時,通過間接方式實現(xiàn)矢量范圍內(nèi)的三維模型高亮顯示,從而實現(xiàn)單體化的目的[6]。這一類單體化方法的優(yōu)點是不破壞Mesh模型的結(jié)構(gòu),地物分類方式可以根據(jù)不同業(yè)務(wù)靈活改變,但是不能解決Mesh模型的扭曲問題。第二類單體化方法是物理上的單體化,具體實現(xiàn)方式有:切割單體化,通過對Mesh三角網(wǎng)進(jìn)行切割,將地物提取成單獨模型[7],這種方式會破壞Mesh模型三角網(wǎng)結(jié)構(gòu),同時由于三維模型數(shù)量增多,三角網(wǎng)數(shù)量未減少,會降低在三維平臺的渲染效率;重建單體化:以傾斜攝影測量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源,通過對地物模型進(jìn)行重構(gòu)實現(xiàn)模型的單體化,重建方式又分為基于點云數(shù)據(jù)的重建、基于立體像對的重建、基于Mesh的重建,其中基于點云的重建是自動化的,但是由于使用的點云數(shù)據(jù)往往是機(jī)載數(shù)據(jù),點密度低會導(dǎo)致模型結(jié)構(gòu)還原度不好,只能達(dá)到LOD2級別,基于立體像對和Mesh的方法是半自動化的,模型結(jié)構(gòu)通過手動建模方式獲得,貼圖從航片中自動進(jìn)行映射,代表性的商業(yè)軟件有武漢智覺空間(SVS)的SVSModeler、武漢天際航的DP-Modeler,通過這兩種方式重建的模型可以解決Mesh模型底部扭曲問題,同時可以大幅減少模型三角面數(shù)量。

本文的研究路線采用了基于Mesh模型的重建單體化方式,對地物進(jìn)行重建。

1 總體框架

基于Mesh模型的重建單體化的建模技術(shù)路線是:直接在傾斜攝影測量獲得的Mesh模型上進(jìn)行三維特征點拾取,由點構(gòu)面,由面形成體,獲得單體化三維模型結(jié)構(gòu)信息;基于空三中航片的內(nèi)外方位元素,利用共線方程篩選和計算模型各個面的紋理,獲得單體化三維模型的紋理信息。從而得到重建后的單體化三維模型。總體技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 技術(shù)路線圖

2 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

本文基于實景三維模型、空三文件、傾斜攝影航片、手持拍攝照片進(jìn)行三維模型重建,其中前三種文件可以在商業(yè)軟件中一次性生成。

對于通過傾斜攝影采集的航片,首先,進(jìn)行預(yù)處理,排除掉有缺陷的數(shù)據(jù),再進(jìn)行勻光勻色操作,確保航片色調(diào)一致;其次，進(jìn)行空中三角測量,獲得多視影像的高精度外方位元素,再基于多視影像密集匹配,獲得高密度三維點云；再根據(jù)點云構(gòu)建TIN網(wǎng);最后，根據(jù)空三結(jié)果,為TIN中每個三角形進(jìn)行紋理計算、貼圖；最終生成實景三維模型[1]。

在生成實景三維模型后,將空三成果、實景三維Mesh模型、無畸變的傾斜攝影航片進(jìn)行輸出,作為模型重建的數(shù)據(jù)源。

3 模型結(jié)構(gòu)重建

3.1 Mesh模型坐標(biāo)拾取原理

Mesh模型在三維環(huán)境中加載,顯示時是在以視點為原點的觀察坐標(biāo)系(View Coordinate System,VCS)中,屏幕顯示為屏幕空間,用戶通過點擊屏幕上某一點,返回得到該屏幕點當(dāng)前顯示的三維坐標(biāo)。其算法是:點擊屏幕坐標(biāo),得到客戶區(qū)坐標(biāo);由客戶區(qū)坐標(biāo)變換得到該點的VCS坐標(biāo)A;從觀察點發(fā)出射線,指向A,計算該射線與三維空間中所有物體的交點,本文的拾取方法只需要返回距觀察點最近的一個交點B,此時B為VCS坐標(biāo)系下的三維點,需要通過坐標(biāo)變換,求得B點在世界坐標(biāo)系(World Coordinate System，WCS)下的坐標(biāo)B′并返回,即完成Mesh模型的坐標(biāo)拾取[8]。本文使用OSG(Open Scenen Graph)實現(xiàn)Mesh模型的加載、顯示和坐標(biāo)拾取。關(guān)鍵代碼如下:

osg::Vec3d getPos(osgViewer::View* view,const osgGA::GUIEventAdapter& ea)

{

osgUtil::LineSegmentIntersector::Intersections intersections;

if(view->computeIntersections(ea, intersections))

{

osgUtil::LineSegmentIntersector::Intersections::iterator iter

= intersections.begin();

return iter->getWorldIntersectPoint();

}

return osg::Vec3d(0.0,0.0,0.0);

}

3.2 基于Mesh模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)重建

以實景三維模型作為底圖,加載到建模軟件中,根據(jù)地物的特點,每個地物重建時可以拆分為多個基本類型地物分別建模,每種基本類型地物根據(jù)其各自特點使用不同功能進(jìn)行重建,以建筑物為例,其基本類型主要有:平頂房、屋脊房、女兒墻等,重建過程中輔助以不同模型加工功能,如:切割、擠出、拖拽等。重建過程中,普通樓房可以作為多邊形平定房屋進(jìn)行建模,首先確定房屋基準(zhǔn)面,即樓房頂面,在建模軟件中,可以對實景模型進(jìn)行點擊拾取操作來確定坐標(biāo),確定基準(zhǔn)面后,將視角切換至頂視圖,以垂直向下的正射視角繪制房屋輪廓線,繪制完畢后,生成輪廓面,再向下擠出生成樓房主體,一般擠出至地物附近Mesh模型的最低點,這樣可以保證重建后的模型不會與地形模型存在縫隙。主體繪制完畢后,針對陽臺等部件,對主體進(jìn)行切割和擠出操作。由于是在軟件中疊加實景模型作為底圖,因此,可以實時觀察重建模型與實景模型是否吻合,同時還可以切換至航片視角,疊加航片進(jìn)行對比,保證模型的還原度和精度。針對樓房頂部的電梯房等附屬結(jié)構(gòu),可把它視作小的平頂房屋進(jìn)行建模,建模完畢后,將部件與主體進(jìn)行合并,生成一個完整的建筑物模型。在實際操作中,為每個作業(yè)員分配一個測區(qū)進(jìn)行建模,根據(jù)固定的編號規(guī)則為每個獨立地物分類編號命名。

4 模型紋理重建

由于重建模型是基于實景三維模型建立的,因此,可以直接利用傾斜航片根據(jù)空三成果對重建模型進(jìn)行自動映射。重建模型是由多邊形構(gòu)成的,只需要對模型的每個多邊形分別進(jìn)行紋理映射即可。

4.1 紋理來源篩選

首先由于傾斜攝影的重疊度較高,模型的每個點都能對應(yīng)多張航片,因此,需要對紋理進(jìn)行優(yōu)選。優(yōu)選的原則有以下幾個方面:(1)像素數(shù)量,即該面在各個航片的投影,以面積最大的為優(yōu);(2)角度,以航片的朝向與面的法向量夾角,約接近180°者為優(yōu);(3)遮擋情況,以遮擋最小者為優(yōu)。實際生產(chǎn)中,三個條件有可能出現(xiàn)矛盾,遮擋最小的航片有可能與面的法向量夾角較小,所以需要針對不同航攝情況,對貼圖規(guī)則進(jìn)行配置[9]。

4.2 紋理映射

紋理映射主要利用了共線方程

(1)

式中,x,y為像點的像平面坐標(biāo);x0,y0,f為影像的內(nèi)方位元素;XS,YS,ZS為攝站點的物方空間坐標(biāo);XA,YA,ZA為物方點的物方空間坐標(biāo);ai,bi,ci(i=1,2,3)為影像的3個外方位角元素組成的9個方向余弦[10]。

針對單體化模型上某個面,已知面上的某點空間坐標(biāo)A(X,Y,Z),利用共線方程,可以計算出該點在航片上的投影a(x,y),從而可以計算出該點的像素值。針對整個面,首先根據(jù)航片分辨率,計算該面的最優(yōu)貼圖尺寸,先生成空白貼圖,并計算該面各個節(jié)點的紋理坐標(biāo)。針對空白貼圖上的每個像素點P(u,v),先計算出該點對應(yīng)的WCS坐標(biāo)系下的坐標(biāo)P′(X,Y,Z),再利用共線方程求得其對應(yīng)的航片像素坐標(biāo)p(x,y),獲取到像素值后賦給像素點P,循環(huán)遍歷貼圖的每個像素可得該面完整的貼圖信息,對單體化模型的每個面進(jìn)行上述計算,可完成整個單體化模型的紋理映射。

紋理映射自動完成后,需要人工進(jìn)行檢查,將遮擋嚴(yán)重的紋理進(jìn)行人工篩選,或調(diào)用Photoshop等圖像處理軟件進(jìn)行修飾[11-12]。

4.3 紋理修飾

傾斜攝影近地面部分常常存在遮擋,因此,在重點地區(qū),如商業(yè)街、步行街、特色街區(qū)等,需要使用手持拍攝的照片進(jìn)行人工紋理替換。在替換時應(yīng)注意由于手持拍攝的照片拍攝距離近,其分辨率要遠(yuǎn)高于傾斜攝影航片,因此,需要在不影響清晰度的同時,將手持拍攝圖片的紋理分辨率進(jìn)行適當(dāng)降低,以免出現(xiàn)模型紋理過大的情況。此外還需要對手持拍攝的紋理進(jìn)行顏色調(diào)整,使其色調(diào)、飽和度等接近航片,以免造成視覺上的突兀感。

5 實驗與分析

本文采用某街區(qū)作為實驗區(qū),采用地面分辨率為5 cm的傾斜攝影數(shù)據(jù),使用本文的方法針對城市中常見的居民樓、寫字樓等建筑物進(jìn)行三維模型重建,實際單體化三維模型重建效果如圖2所示,單體化模型成果與傾斜影像對比如圖3所示。

圖2 單體化模型成果

圖3 影像與模型對比圖

通過單體化模型重建,能夠較好地解決建筑底部結(jié)構(gòu)和紋理扭曲問題,圖4展示了同一建筑的實景模型與單體化模型,左側(cè)的實景模型存在大面積的結(jié)構(gòu)扭曲和紋理變形,右側(cè)的單體化模型通過重建有效解決了此問題。

圖4 模型對比圖

本技術(shù)基于實景三維模型進(jìn)行模型特征點采集,相對于傳統(tǒng)建模技術(shù),作業(yè)人員可以直接觀察到三維實景,可觀察到的實景細(xì)節(jié)更多,采集的特征點更為豐富。傳統(tǒng)建模技術(shù)中,內(nèi)外業(yè)分開進(jìn)行,外業(yè)先進(jìn)行建筑物底面輪廓采集、紋理信息采集,內(nèi)業(yè)人員對照建筑物圖紙、輪廓信息、實拍圖像進(jìn)行建模,建筑物的頂部結(jié)構(gòu)在測量中無法采集,因此，常常和現(xiàn)實情況不相符,側(cè)面結(jié)構(gòu)如陽臺、飄窗等,也和現(xiàn)實尺寸有出入,并且丟失許多細(xì)節(jié);采用本文技術(shù),基于實景三維進(jìn)行單體化模型重建可以很好地避免以上問題,并且可以獲得更多的模型細(xì)節(jié),建筑物的女兒墻、電梯間、老虎窗、房檐的結(jié)構(gòu)都得到了精確地表達(dá)。在本實驗中,采用本文的建模方法構(gòu)建單體化三維模型,相比傳統(tǒng)三維建模方式,在生產(chǎn)效率上提高了3倍左右,精度和還原度大大提高,經(jīng)過檢驗,模型平均平面套合精度可以達(dá)到±0.20 m,高程套合精度達(dá)到±0.12 m。滿足LOD3級別模型的要求。

6 結(jié)束語

本文從生產(chǎn)實踐出發(fā),以實景Mesh模型為基礎(chǔ),以傾斜航片為主,輔以地面拍攝照片,探索出了半自動的單體化三維模型重建方法。實驗表明,該方法實現(xiàn)地物的單體化模型重建,同時能夠解決實景Mesh模型底部結(jié)構(gòu)扭曲紋理不清晰問題。相較傳統(tǒng)手工建模方法,模型精度和還原程度更高,同時由于貼圖采用自動化方式,效率也比傳統(tǒng)手工建模有所提高,所生產(chǎn)的模型能夠滿足LOD3級標(biāo)準(zhǔn)。該方法精度和效率較高,具有一定的實用價值。

本方法還有以下幾個方面需要進(jìn)一步深入研究:

(1)模型建模效率可進(jìn)一步提升:針對簡單結(jié)構(gòu)模型,如平房、規(guī)則樓房等,需要研究參數(shù)化建模方式,在保障模型精度的情況下,利用規(guī)則庫進(jìn)行自動化建模,減少一部分人工操作工作量。

(2)貼圖遮擋問題需進(jìn)一步解決:本方法中重建模型由多邊形構(gòu)成,紋理映射也是針對每個面進(jìn)行映射,紋理映射時存在一定比例遮擋的情況,需要研究自動化算法,減少或避免紋理遮擋情況,能大大減少人工修改,進(jìn)一步提升效率。