基于倾斜摄影的两种建模方案及效果对比分析

张萌，林丽群，汪正祥，夏慧琼，石远坤，李亭亭，马国飞

(1. 湖北大学资源环境学院, 湖北 武汉 430062； 2. 海南热带海洋学院创意设计学院, 海南 三亚 572022；3. 神农架国家公园管理局神农架金丝猴保育生物学湖北省重点实验室, 湖北 神农架林区 442421)

0 引言

近些年，科普教育在我国逐步发展，对国家公园及一些自然保护地起到了很好的载体作用，但科普内容与形式都较为单一，大多从科普宣教规划设计、解说系统、解说形式、路线等进行规划，受众者不易理解和接受.为提高教育过程的效率，使用GIS和遥感、互联网等技术手段作为在环境教育领域创新项目的主要方向具有极大的前景[1].用3S和虚拟现实技术(VR)为代表的现代空间信息技术对自然保护区、国家公园、湿地公园等构建的数字旅游[2-3]、数字景区[4]、虚拟现实旅游[5-6]等进展很快.

无人机倾斜摄影技术可以全自动、高效率地构建地表全要素三维模型，且场景真实，是目前数字化应用中的热点[7-8].目前无人机数据在数字城市、智慧城市中有合理的解决方案[9].真三维场景模型结合情景式科普教育的交互式系统是国家公园科普宣教可尝试的方向，可以更好地利用三维场景增加大众对科普教育地的交互感和认知[10].但无人机获取的三维模型精度低，后期模型单体化耗时长、高精度三维模型产生的费用成本高等问题一直有待突破，另外多数应用系统对倾斜摄影所生成的三维模型的使用有许多自身的限制[11-12]，如模型格式不融洽和模型耗内存较大等问题，均限制了倾斜摄影三维模型的应用.

本研究中以神农架国家公园科普教育系统为例，针对以上问题，有效利用无人机倾斜摄影技术，探寻简单、易于推广应用的方案.首先在模型构建方面，本研究区域是自然保护地，不同于城市以建筑为主体，而是以具有自然地形地貌特征的森林、岩石等为主体，因此不能简单利用模型工具构建模型；其次在三维场景搭建方面，以倾斜摄影模型搭建模拟真实三维场景需要与之契合的平台，Unity3D是当前全球市场上主流的游戏引擎，借助Unity3D 三维虚拟引擎，研究其对无人机三维模型的处理能力、数据的适用性、系统性能等，将真实地形模型搭建虚拟三维场景，探索实现公众基于三维模型的科普教育新产品.

1 数据获取

神农架国家公园位于大巴山东缘、湖北省西北部，垂直海拔跨度398.0～3 105.4 m.神农架国家公园具有独特的自然地理环境、丰富的生物多样性与生态系统类型、古老的地质遗迹等，是普及各类动植物资源、生态系统类型、地质地貌构造等自然科学知识和开展资源保护与环境保护教育的绝佳场所.实验区数据采集分布点如图1所示.

图1 神农架国家公园数据采集分布点图

在实地野外数据采集过程中，设计大疆无人机精灵4 P以120 ～ 200 m的飞行高度、80%的航向重叠度、60%的旁向重叠度的飞行参数完成正射，以25°偏角完成4个角度的倾斜摄影.在实际野外数据采集中，由于神农架国家公园区域的飞行高度受限，且山行走势非常险峻，仅部分地形开阔区域能够完成4个角度的倾斜摄影，这对后期建模产生了一定影响.实验中以神农架国家公园三堆河入口飞行场景为例，根据地形调整完成正射及一个角度的倾斜拍摄，实际飞行场景范围为379 m×387 m，飞行高度120 m，如图2所示.

本实验基于无人机航拍获取的影像数据分别构建基于FBX的三维模型和DSM+DOM的地形三维模型，利用Unity3D进行场景搭建以及漫游、交互功能的实现，对两种三维模型的建模方案进行比较分析，技术路线如图3所示.

2 数据处理与模型构建

2.1 三维地形场景构建场景模型包括地形和地物两部分，考虑到倾斜摄影的特点和本系统漫游功能的需求，对实验中静态地形三维模型，尝试基于三维模型格式和基于地形的两种无人机产品数据，实现三维场景模型；对于部分精细的物模型则采用3DMax建模.

2.1.1 基于FBX模型方式 无人机航拍的影像经过建模软件处理产出OSGB、OBJ、FBX等当前主流的三维模型格式，能够创建细节丰富的三维实景模型，实验中地形场景采用FBX三维模型格式，作为Unity3D的静态加载模型.

针对FBX三维地形模型，采用三维修模软件如Dpmolder或Geomagic等，利用其补洞、纹理映射等功能进行模型的编辑处理，对模型进行平滑处理.

2.1.2 基于DSM+ DOM的地形方式 基于地形模型的的三维场景构建流程如图4所示，采用地形高度数据叠加纹理，在Unity3D下结合地形Terrain编辑，通过虚拟引擎渲染三维效果.

图4 基于地形模型的三维场景构建流程

由于研究区为山地且森林覆盖茂密，无人机高空获取的地形信息为森林覆盖的高度，通过无人机获取的数字表面模型DSM部分细节会因此丢失并造成误差，且生成的地形表面起伏不平，将增加后期在Unity3D中Terrain插件树木种植的难度，因此实验中尝试一种平均地表高度提取方式，利用Unity3D的地形编辑功能实现地形平滑处理，再进行场景纹理贴图和场景实现.

针对DSM + DOM地形模型，借助Unity3D的地形插件完成场景构建，首先需要将DSM修正，得到具有地表特征信息的DOM.为满足后期场景浏览效果，借助Unity3D 中Terrain绘制高度(Paint Height)及平滑高度(Smooth Height)等工具对DSM进一步精细处理，以DOM作为纹理进行贴图，最后利用种树工具(Paint Trees)进行人工植被覆盖.

2.2 其他模型构建无人机数据自动处理时，部分人工建筑物或精细地物出现扭曲变形或失真效果，如房屋、特殊石头等三维模型，对于这部分精细静态物体则通过3D Max完成建模，满足后期浏览的视觉效果[13]，自动生成与人工构建的模型效果对比如图5所示.

图5 自动生成与人工构建的模型效果对比

3 三维场景交互的实现

利用Unity3D跨平台三维引擎，结合C#或Javascript脚本语言实现场景的浏览，完成交互式功能的设计和实现，达到仅利用电脑或手机移动平台就可以实现场景浏览和知识学习的效果，以真实背景和互动的方式让受众者更容易理解相关专业知识.

三维场景构建的实验中，我们着重探究FBX模型和地形模型这两种方式在Unity3D三维场景浏览时能否满足系统功能需求和视觉浏览的要求.其中涉及到的主要的技术是：场景建模技术、交互技术、场景漫游技术和碰撞检测技术[14].若要实现自然、精确的人机交互，必须解决碰撞等问题，相机加入碰撞后能更好地解决模型的穿插问题[15].

漫游是交互式科普系统实现的关键，简单的交互用JavaScript可实现在漫游系统中用鼠标按键控制自由行走的功能, 或以快捷键 WSAD 分别实现上下左右的移动[16].场景漫游技术主要包括键盘控制和鼠标控制, 能让用户在虚拟城市系统中前后左右任意方向行走，同时能控制运动的速度.

4 分析

4.1 三维场景的构建分析两种方式建立的三维地形场景中，FBX模型能一定程度地还原真实地形，例如河流、石头能在一定尺度内呈现出较好的视觉效果，但不足以支撑地面漫游.

通过DSM + DOM数据，采用raw格式的高度和纹理在Unity3D中渲染得到的地形模型，虽然初始形成的整体效果在各方面的表现均不理想，例如树木、石头等地物已经失去原有的形状，但是这种方式生成的地形模型可以直接用作后期浏览和交互操作的地形场景，并且可以在Unity3D下直接进行二次处理.图6(a)是FBX模型在Unity3D下的三维效果，图6(b)是DSM + DOM模型在Unity3D下的三维效果.

图6 两种模型在Unity3D下的三维效果

图7是FBX模型处理前与处理后的对比.图8是地型模型处理的效果.总体而言，图6～8表明，基于地形方式的优势表现在可以直接对其进行平滑、种树、与人工构建的模型进行叠加等处理，并添加风吹草动，树叶摆动等自然效果.FBX模型在河流、石头和公路上的显示效果比基于地形方式更贴近自然真实效果.但基于地形方式和FBX模型在植被显示上均不理想，无法满足浏览的视觉要求.FBX模型在Unity3D下处理涉及到花草、植被、水、风等具有物理性质的地物，需要写脚本判断模型的各个顶点，对于模型的实现有一定的难度.实验表明，在三维场景构建方面，基于DSM + DOM的地形模型更适用与Unity3D结合实现科普系统的建立.

图7 FBX模型处理前与处理后的对比

图8 地型模型处理效果

4.2 三维场景的实现分析三维场景的流畅运用是本实验系统开发方面中的关键，实验对比了以上两种三维场景构建方式在Unity3D运行中实现效果和性能参数的表现.

4.2.1 实现效果 以国家公园入口处为例做功能展示，通过人物对话形式完成神农架国家公园的总体概况介绍，实现专业知识的科普；通过控制人物行走跑动、飞行的动作方式增加交互操作性和画面动态感，实现科普系统的代入性.图9(a)和图9(b)分别为基于地形模型和基于FBX模型的电脑桌面或安卓手机端系统界面，其中基于地形的手机端APP大小为80 M，可发布至互联网.

图9 两种模型的科普系统局部场景图

从实现效果看，由于在基于地形方式中采用Unity3D的Terrain功能，添加树木、草地等地物，解决了植被效果不理想的问题，使场景效果更精细、更美观；而基FBX模型即使在修饰模型以后，由于在后期不易于实现树木等覆盖，效果仍然不够理想.

4.2.2 性能参数 利用Unity测试工具profiler采用最高画质对基于FBX模型和基于地形的两套系统进行性能测试，分别测试系统的CPU、GPU 渲染Rendering和Memory内存消耗，各项指标值越低代表性能越好.

CPU的响应耗时上，FBX模型平均维持100帧/s,地形模型平均维持60帧/s，说明基于FBX的系统运行流畅度优于基于地形模型的系统运行流畅度.GPU图形处理器方面，基于地形的模型draw call总数达到2 374，需要处理的三角形数量1.2 M，顶点数量1.2 M；基于FBX模型draw call总数为63，三角形数量6.5 M，顶点数量4.5 M.基于FBX模型的GPU运算消耗远小于基于地形的模型的GPU运算消耗.内存分配方面，基于地形的内存分配，最高分配1.55 G内存(其中显存可分配1.24 G)，基于FBX模型最高分布1.07 G(其中显存可分配390 MB).系统性能参数方面，Unity3D中，基于地形的方式比基于FBX模型的方式更加耗能.

4.3 分析本实验中基于FBX的模型无法实现大范围的精细场景，在没有添加花草树木等自然地物的前提下，虽然基于FBX模型的科普系统性能更优化，但是由于国家公园的科普更多涉及到花草植被，实现物体的叠加需要脚本判断模型的各个顶点，难以实现大范围的精细场景.因此，FBX的地形模型更适合应用于一定尺度下的、不需要精细浏览的大型场景的展示.基于地形构建的三维场景经Unity3D的Terrain编辑后的场景更加美观，能较好地满足地面浏览需求，更容易让系统受众者产生代入感，但其不足之处在于纹理细节不是真实的地面纹理，如河流、石头等细节部分均采用贴图的方式表现.

总体而言，基于FBX模型细腻度消耗资源比基于地形的模型小，但基于地形的模型对于复杂的交互和物理性质更易于实现.相比较而言，在有交互式的自然保护地科普系统中更适宜采用基于地形模型的方式实现，而FBX模型更适用于大场景的地貌展示.

5 结语

本研究中将无人机数据与虚拟引擎技术相结合，以神农架国家公园入口处为研究对象，通过对无人机数据采集、处理，完成三维地形模型的编辑与构建、结合Unity3D实现真实场景的虚拟搭建，探究利用虚拟引擎技术给大众提供身临其境的学习互动互联网App系统的可行性.实验发现Unity3D能够较好地处理FBX模型和地形模型，对于小场景的真三维地形的实现、浏览和交互操作都能较理想地完成，并能够保证场景的流畅运行，同时探讨了这两种方式的适用范围.此外，这一过程的经济、劳动和时间消耗小，这为科普教育的发展提供了一种新的面向大众的可行性方案，对国家公园科普教育的展示与推进有非常重要的积极意义，也为无人机获取的真实场景和虚拟引擎结合提供了一种新的应用思路.