基于Web3D的倾斜三维实景模型漫游系统实现

范香香

(蚌埠市勘测设计研究院，安徽 蚌埠 233000)

1 引 言

随着计算机技术和高效率测绘技术的发展以及市场的迫切需求，高逼真、快速、高效地建立三维实景场景已经成为测绘地理信息领域的研究热点。倾斜航空摄影在同一平台上搭载多台相机，从多个角度同时采集影像数据，通过软件处理，利用倾斜航空摄影航片生成三维模型，这种三维模型能够精准表达三维场景的地形和地表覆盖。倾斜摄影三维建模技术具有大场景、高精度、高效率等特点，在城市规划、交通建设等测绘中被广泛应用[1，2]。倾斜摄影三维模型的可视化技术是影响其应用范围的关键。

目前，倾斜三维实景模型漫游主要采用专业软件平台或者自行开发的桌面版可视化软件来实现，这种方法的优点是显示效果好、漫游过程流畅、可拓展功能强大，但是仍存在一些问题，需要客户安装特定的软件、只能局限在本机中浏览特定存储的场景、三维场景更新速度慢等问题[3]。为了解决以上问题，本文探索了一种基于Web3D方式浏览倾斜三维实景模型的方法，免去用户安装软件、消耗大量时间下载完整三维场景的过程。

2 倾斜摄影数据采集与实景三维快速重建

2.1 倾斜摄影数据的快速采集

倾斜摄影测量[3～5]是在一架飞机上搭载多个不同角度的相机(一般1个垂直、4个倾斜共5个相机)，可以在较为相似的拍摄条件下获取不同角度的照片(如建筑物顶部、侧部的特征和纹理信息)，增强数据的相关性，更能基于图像自动化生成三维模型。通过倾斜摄影测量不仅可以生成精度较高的三维模型，还能获取建筑物表面纹理信息，大大提高了测绘的效率，降低了三维建模的成本。本文以安徽财经大学作为试验区域，采用YS-8无人机搭载QX5.0倾斜摄影相机对安徽财经大学进行拍摄，为了保证后期倾斜摄影数据质量，航向重叠率、旁向重叠率一般设在75%以上，最终获取地面目标高分辨率多视影像数据。

2.2 实景三维快速建模

传统大场景三维建模成本高、效率低，建立的模型也是简单模型，逼真度较低。而倾斜摄影测量获取的三维场景模型，通过多视角匹配，再进行整体联合平差，最后通过空三解算求出测区所有影像的相片参数，平面和高程精度能满足建立三维模型的要求。

图1 倾斜三维实景模型快速构建流程

在野外利用无人机采集完实验区域的相片之后，需要利用影像数据构建三维模型，本文采用Smart3D Capture软件进行处理。首先将采集的足够重叠度的影像数据和定位POS数据导入到软件中进行空三加密，软件会自动提取每张影像中的特征点，并对不同影像中同名特征点进行匹配，恢复影像的空间位置与姿态，生成高密度点云数据，然后在点云的基础上构建地物TIN模型，再根据TIN模型形状及位置进行模型自动纹理映射，最后进一步对模型进行整饰、编辑、质量检查，修正建筑物畸变和部分纹理缺失等问题，得到具有高逼真的三维实景模型[6，7]，如图1所示。利用倾斜摄影技术经自动纹理映射之后得到的三维实景模型，如图2所示。

同时为了后续更好转换成Web3D三维模型格式，最后模型输出OBJ格式的模型。OBJ文件格式是一种采用文本格式存储的标准三维模型文件格式，就有较好的通用性，并支持模型三角面数据和材质信息，其中OBJ文件存储如顶点、贴图、法线等三维几何信息，MTL文件存储贴图材质信息索引。

图2 倾斜三维实景模型

3 基于Web的漫游系统的实现

3.1 Web3D场景可视化关键技术

三维场景往往数据量巨大，一般系统难以平滑浏览，需要采用一些数据处理和可视化技术才能保证三维场景的流畅漫游，而Web技术更是难以一次性承载大量的三维实景模型，所以如何解决海量三维实景模型流畅漫游问题是基于Web3D的三维场景可视化的关键技术。倾斜三维场景中包含大量三角网格和纹理贴图，其数据量巨大，往往 1 km2的数据就能达到1GB左右。而基于Web的三维场景可视化不仅仅可以加载如此大数据量的三维模型[8]，还需具备三维场景的平移、旋转、缩放、查询等一系列功能，所以要满足海量三维数据Web显示，就需要通过地理分块、多细节层次等功能上进行优化。

为了更好满足Web3D场景可视化关键技术的要求，本文采用Cesium来实现倾斜摄影数据的Web可视化。Cesium是一个基于JavaScript编写的使用WebGL的地图引擎[9，10]，用来渲染3D地球、2D区域地图和多种GIS要素，不需要安装任何插件就能在支持最新HTML5标准的浏览器上运行，支持WebGL硬件加速，非常适合动态数据在GIS图层上的展示平台。

Cesium为了保证web浏览器能稳定加载海量倾斜模型数据，为批量模型加载添加一个快速索引和数据集的整体性描述，从而减少渲染循环中需要处理的实体数据量，最终实现三维模型加载效率的提升。

3.2 基于Web3D的倾斜三维实景模型漫游系统实现流程

正是Cesium已经具备上述功能和优点，本文采用Ceiusm平台建立安徽财经大学三维实景漫游系统，主要实现三维可视化漫游以及模型、属性查询两大功能，具体流程如图3所示：

图3 基于cesium的倾斜三维实景系统建立技术流程图

(1)构建的倾斜三维模型格式为OBJ格式，但是Cesium所加载的三维实景模型格式是3Dtiles，所以需要将安徽财经大学OBJ格式的倾斜模型转化为后缀为b3dm的3DTiles格式。3DTiles瓦片数据集是用树形空间数据结构组织的瓦片集合，每个瓦片都有一个包围盒完全相应的三维数据，并分块渲染，可以大量减轻浏览器和GPU的负担。同时，每一个分块的元数据属性以JSON格式定义，分别定义了所包围的地理区域(boundingVolume)、屏幕视点到三维模型的距离(geometricError)、节点属性(refine)、分块数据的元数据和数据的地址(content)等内容(如图4所示)。

本文基于NodeJs环境开发的objTo3d-tiles脚本将OBJ文件中三维几何信息转换成适合高效的流媒体传输的b3dm文件，再根据每个三维数据的元数据、显示范围生成JSON属性文件，并与模型文件放在同一文件夹中，以便Cesium检索动态加载模型。

图4 3DTile分块JSON数据格式[11]

(2)加入各建(构)筑物、道路、雕像等模型的空间信息和属性信息，用于漫游系统中三维模型查询、高亮显示、叠加分析等各种空间分析功能。

(3)在Cesium的启动页面index.html中创建新的Cesium3DTileset，并加入已经转换好格式的安徽财经大学三维模型路径，即可在打开网页时加载显示倾斜三维模型。为了更好体现三维模型与周边环境之间的位置关系，以bing的遥感卫星影像为模型的底图。

同时为了实现用鼠标点击就可以查询Cesium三维模型对象功能，首先在Cesium代码中Viewer类options参数开启infoBox控件，infoBox主要作为信息显示的载体，然后编写一个鼠标点击触发事件，当鼠标点击待查询建筑物时即可弹出相应的介绍信息。

(4)在服务器安装和设置IIS服务，将已经配置完成的Cesium代码放入相应的Web目录中，打开相应的网址即可利用浏览器漫游倾斜实景模型以及属性的查询，三维实景漫游系统如图5所示。

图5 基于Cesium的倾斜三维实景漫游系统

3.3 漫游系统的性能测试分析

为了测试基于Cesium的倾斜漫游平台的性能，本文在CPU为 3.3 GHz、内存为 16 G的电脑中以Chrome浏览器分别对不同大小的模型加载时间进行了分析，如表1所示。

不同模型大小的加载时间 表1

经对不同大小的三维模型进行测试，基于Cesium的倾斜漫游平台可以流畅浏览不同大小的倾斜三维模型，无明显卡顿，可以满足用户浏览查询的需求。如表1所示，加载一个180M的倾斜三维模型需要 2.33 s，而随着模型大小的增大，加载时间线性增大，当加载 6.95 GB的模型的时间，需要耗时 8.99 s。

4 结 论

倾斜摄影三维建模具有建模效率高、真三维、全自动等特点，给三维城市模型建设带来了新的契机，随着倾斜自动化建模生产工艺的日渐成熟，倾斜三维实景模型快速高效地展示成为研究的重点。针对目前倾斜三维实景模型常需要安装特定的软件、只能局限在本机中浏览特定存储的场景、三维场景更新速度慢等问题，在分析三维实景可视化关键技术的基础上，本文建立一种基于Web3D的倾斜三维实景模型漫游系统，将倾斜摄影测量采集并重建的安徽财经大学三维实景模型，利用开源地图引擎Cesium通过浏览器显示，实现了倾斜三维实景模型的漫游和信息查询功能。基于Web3D的倾斜三维实景模型漫游系统构建简单，更新维护成本低，用户浏览查询方便，提高了三维数据模型的使用率，将在以后的测绘成果展示和空间信息服务中扮演非常重要的角色。