基于无人机航测的区域场景快速三维建模实现

黄文锋 余振强

基于无人机航测的区域场景快速三维建模实现

黄文锋1余振强2

（1.河南省科学技术信息研究院，河南 郑州 450003；2.郑州轻工业学院计算机与通信工程学院，河南 郑州 450002）

传统的测绘方式在应急场景中有一定的局限性，无人机航测具有灵活、高效的优点，能快速获得高分辨率的影像。本文介绍了无人机航测的技术流程，基于ArcGis平台利用生成的DOM等制作场景中地物的线画图和二维电子地图，根据地物点云抽取其高程数据，快速建立起地物的框架三维模型。将框架模型导入SketchUp进行贴图和格式转换，实现了区域三维模型的快速建立。

无人机航测；应急场景；三维建模

1 研究背景

随着三维建模与仿真技术的快速发展，在公共安全和突发事件应急管理领域，已逐步应用计算机模拟开展应急决策和处置的救援演练［1］。快速、高效地建立高逼真度的场景三维模型是开展应急救援和模拟演练的基础。目前，通常采用航空摄影测量、依图而建和三维激光扫描技术等进行场景三维建模［2］。依图而建的方法主要是根据已有的数据资料进行建模，如地形图、建筑物立面图等，但由于缺乏统一标准，不同的需求需要采用不同算法，工作比较繁琐。三维激光扫描技术通过高速激光扫描测量的方法，大面积高分辨率地获取被测对象表面的三维坐标信息，从而建立被测对象的三维模型。但是，由于应急场景的交通等诸多不便因素导致车载三维激光扫描工作难以开展，而地基三维激光扫描仪仍需不断搬至不同的测站以获取被测对象的多面点云数据，其工作量繁重，无法满足应急场景的快速建模需求。无人机航测具有机动灵活、高效快速等特点，基于无人机航测的区域场景三维建模方法能快速、高效地建立场景三维模型，对提高场景直观性、效用性具有极其重要的现实意义。

2 基于无人机航测的场景建模技术流程

应急场景三维建模是事故发生处及周边区域的地形、地物在虚拟现实中的映射，其中地形、道路、建筑物等是最为关键的建模信息。因此，地形数据、道路矢量数据、建筑物的平面几何数据、三维高度数据和影像纹理数据是场景三维建模的核心数据。为快速、高效地获取高质量的建模数据，采用无人机摄影测量技术获得影像、点云、DOM（Digital Orthophoto Map）和 DSM（Digital Surface Model）数据［3］。根据生成的DOM等可以获取场景中地物的线画图，根据地物点云抽取其高程数据，快速建立起地物的框架三维模型。场景建模技术流程如图1所示。

图1 基于无人机航测的场景建模技术流程图

图2 测区的DOM成果

图3 基于航测影像的二维线画图

3 场景建模的实现

3.1 无人机航测外业参数设定

无人机航测可以灵活、快速地获取高分辨率影像。本文利用Trimble UX5获取了郑州轻工业学院科学校区的4.8cm分辨率的航测影像，其中行高150m，航向重叠度为90%，旁向重叠度为80%。飞控软件采用Aerial Imaging，影像处理软件采用Trimble Business Center 3.0，获取了测区的DOM（见图2）。

3.2 基于DOM的场景二电子地图制作

在ArcGis中加载面图层及影像数据，对影像的地物进行矢量化，获得二维线画图（见图3）。

对二维线画图进行分类构面，并添加注记等信息，得到基于航测影像的二维电子地图（见图4）。

图4 基于航测影像的二维电子地图

3.3 场景三维模型的制作

对二维电子地图中的建筑物添加高程字段值height，其中height字段的值通过无人机航测生成的点云数据的高程值匹配，利用二维电子地图属性的Extrusion选项卡选择height字段显示，具体实现过程为：①浏览矢量化数据，在ArcScene中浏览矢量化数据，右键属性/Extrusion选项卡/选height字段显示；②在ArcGlobe中加入影像数据，右键属性/Globe Extrusion选项卡/选height字段显示。

生成场景的三维白模型如图5所示。

图5 基于航测影像的场景的三维白模型

3.4 基于SketchUp的场景三维模型

为在多种三维模型平台中进行数据交互和转换，本文将ArcGis生成的三维模型换至SketchUp软件平台，通过SketchUp ESRI插件将面图层导出为skp文件格式［4］。系统将自动读出所选择矢量要素所在的Feature Class，并且提供自动建模选项。在SketchUp中贴纹理的标准单元是模型个体。可以在选中状态下，右键/炸开，依次对每个面进行贴图。只有在SketchUp操作空间中，被选中的模型才能以独立Multipatch要素导出；未被选中的模型也会被导出成Multipatch要素导出，但将作为一个整体要素存在于Multipatch图层中。同时，SketchUp中支持模型组合功能，一旦模型被组合后，将丢失对应矢量数据源的ID值信息，这样就无法在后期添加原始矢量数据的属性信息。具体操作步骤为：①选择需要导出的模型，点击“文件/导出/3D模型”；②在指定导出模型的保存路径时，需选择的文件类型为“ESRI MultiPatch(*.mdb）”；③单击导出后，系统将弹出导出高级选项，单击“Create”，系统将弹出提示对话框，提示用户创建Multipatch图层（Feature Class）。原始的空间参考将被带入到SketchUp环境中，并且在整个过程中将延续该空间参考；④单击“OK”后，字段添加完毕，返回到导出模型的初始窗口，再次点击“OK”，导出完成。

4 结语

本文研究了应急条件下的区域场景快速三维建模方法，利用无人机航测灵活、高效的特点获取应急场景的DOM、点云等数据，以ArcGis为平台利用生成的DOM等制作场景中地物的线画图和二维电子地图，根据地物点云抽取其高程数据，快速建立起地物的框架三维模型。但无人机航测生成的数据成果，对地物（地形）高差较大的区域会产生形变，需进一步提高像控和空三的质量，以提高区域场景的三维建模精度。

［1］袁狄平，靳学胜，张晓丽，等.基于图像建模的灭火救援虚拟场景生成技术［J］.灭火指挥与救援，2012（8）：853-856.

［2］李影，冯仲科，王海平，等.基于LIDAR点云的建筑物的三维建模［J］.林业调查规划，2011（6）：29-31.

［3］史华林.无人机航测系统在公路带状地形测量中的应用［J］.测绘通报，2014（6）：60-62.

［4］黄铭，肖明虹.基于Sketchup和ArcGIS的城市3维建模技术研究［J］.测绘与空间地理信息，2012（8）：151-154.

No Regional Scene Aerial Man-machine Rapid 3D Modeling Based on

Huang Wenfeng1Yu Zhenqiang2
（1.Henan Provincial Institute of Scientific&Technical Information，Zhengzhou Henan 450003；2.College of Computer and Communication Engineering,Zhengzhou University of Light Industry，Zhengzhou Henan 450002）

The traditional surveying methods have some limitations in the emergency scene,the UAV aerial has the advantages of flexible and high efficiency,can quickly obtain high resolution images.This paper introduced the technical process of UAV aerial,ArcGis platform using the DOM features such as making scenes in the line drawing and 2D electronic map based on feature point cloud extraction according to its elevation data,quickly established 3D model frame objects.The framework was model was imported into SketchUp for mapping and format conversion,and the rapid establishment of 3D model was realized.

UAV aerial；emergency scene；3D modeling

U212.2；P231

A

1003-5168（2017）09-0024-03

2017-08-02

河南省科技攻关项目（162102310579，162102210146）。

黄文锋（1966-），男，高级工程师，研究方向：信息管理；余振强（1993-），男，本科，研究方向：建筑物三维建模。