浅谈实景三维模型可视化方法研究

李聪聪

（北京建筑大学，北京100044）

随着智慧城市建设的不断发展，计算机数字可视化和通信技术的不断升级，城市管理体系不仅需要大数据支撑体系下的数据统计和分析功能，更需要具有真实直观效果的模拟场景。实景三维模型是智慧城市建设的数据基础，是智能化位置服务、场景化建筑设计和应急保障服务的必备条件。本文基于应用场景，对比分析了现阶段实景三维模型的构建方法，为智能化城市管理服务提供可行的参考依据。

1 实景三维模型应用场景

实景三维模型的构建和研究对于互联网地图的发展具有重大研究意义，为智慧城市实景地图的可视化提供真实感强、模拟程度高的地图服务数据。实景是基于对真实地物拍摄、数据抽象采集技术实现的可视化模拟形式。目前，国内针对实景三维模型可视化的应用主要体现在：城市实景、景点实景、实景商家、实景房产、室内全景秀及校园实景等方面，但较为成熟的服务是城市实景和景点实景。

2 实景三维模型构建方法

实景三维模型的构建主要包含几何模型的构建和表面纹理的可视化，现阶段的实景三维模型构建主要分为传统人工建模、倾斜摄影快速建模、激光点云成像建模、深度学习场景建模，本文将基于模型构建方法和可视化场景进行对比分析。

2.1 传统手工建模

传统意义上的实景三维模型构建主要是通过人机交互的方法，将二维的纹理数据与三维的几何模型进行手动匹配，以实现模型近乎真实的可视化效果。常用的手工建模方法主要是基于二维的AutoCAD 图纸，利用三维模型构建软件进行重构。以3dmax 为代表，以大比例尺地形图为基础数据，对城市景观三维模型进行对象化的人工构建，再利用纹理采集的材质贴图数据对模型表面进行纹理映射。这种方法构建的模型成果精度较高，且满足智慧城市建筑物单体化的GIS 操作和应用，每一个模型对象成果和其它实体对象是分离开的。现阶段随着高精度的建筑信息模型BIM的发展和应用，运用该模型构建的实景三维模型更加具备建筑物全要素数据的构建和存储，对于消防应急领域、房屋管道设计、建筑室内导航等应用广泛。

2.2 倾斜摄影快速建模

随着无人机设备的不断发展与升级，五镜头摄影范围及多视角拍摄的广泛应用，颠覆了以往正射影像只能从垂直角度拍摄的局限，利用倾斜摄影搜集地物场景影像数据并快速建模成为大面积实景三维模型构建的关键技术。无人机倾斜影像快速建模是利用多视角且高重叠度的影像数据，通过空三密集点云处理技术，根据影像中物体的像点坐标与相机焦点坐标，匹配计算地物实际的物点坐标，并按照相应的地物坐标系统构建地物量测范围内的实景三维模型。常用的倾斜摄影模型快速构建软件有ContextCapture（原为Smart3D）、空客的街道工厂以及Skyline 的PhotoMesh 等。该方法模型构建的速度快、可视化效果直观，但构建的模型为大区域的MESH 网，不具备地物单体化能力，适合应用在量测范围较广、地物可视化程度高的大区域场景中。

2.3 三维激光扫描建模

三维激光扫描建模方法主要分为空基激光扫描和地基激光扫描这两种方法，通过采集地物实体的点云数据信息和纹理数据信息，利用点云配准、点云重建、点云分割、三维重建以及纹理映射，最终构建出地物实体的实景三维模型。近年来，三维激光扫描技术由于其高精度的测量特点，在传统的古建筑数字化模型构建方法中得到了广泛应用。该方法构建的实景模型较为精细，但由于工程造价成本较高，在实际应用中难以得到大量推广使用。

2.4 SLAM快速扫描建模

视觉SLAM 是近年来新兴的测绘行业即时定位与地图构建，其最早使用在军事化领域中，在现阶段室内定位与导航应用中的研究较为广泛。SLAM技术是利用机器人在未知环境中从一个未知位置开始移动, 在移动过程中根据位置估计和地图进行自身定位，同时在自身定位的基础上建造增量式地图，实现机器人的自主定位和导航。该方法构建的实景三维模型具有较高的精度和可视化效果，但由于SLAM建模依赖于滤波器的选择，所以对于误差需要进行不同的检测和改正方法。目前SLAM设备器材处于垄断阶段，具有较为昂贵的设计成本。

2.5 深度学习场景建模

利用深度学习算法进行多视角重建是近年来计算机视觉领域中三维重建新兴的实景模型构建方法。其经典的方法之一是多视角立体视觉（MVS,mutiple view stereo）,主要分为区域增长和深度融合，利用CNN 模型进行多帧的立体匹配，以实现对实体地物的三维重建及可视化。该方法的精度较高，具有良好的可视化效果。

3 结论

实景三维模型作为智慧城市建设和可视化智能管理的基本地理空间地图数据，其精度的提高和真实场景重现能力的改善是实景模型和地图服务研究的重要领域。现阶段的实景三维模型构建方法适用于不同的应用场景，需要依据用户实际应用需求进行定制。同时，随着大数据和室内定位导航领域的快速发展，实景地图作为新型的表现形式对软硬件的要求也愈发重要，部分模型构建方法的可视化效果良好、精度高，但由于昂贵的数据采集成本，为可视化进程中的数据处理带来了较为严苛的挑战。本文列举的现阶段实景三维模型构建方法均具有一定领域和场景应用范围内的优势，也在不同程度上有所欠缺，如何在提高实景三维的模型精度和可视化程度的同时，兼顾便捷发展并实现广泛的工程化应用，是今后的一个重要研究课题。