基于多视角影像的实景三维单体化建模探究

杨晓英,马旭燕,辛兵厂,杨德芳,徐江明,蔡娇楠,陈雯超,韩娅婕

(1.青海省自然资源遥感中心,青海 西宁 810001;2.青海省地理空间信息技术与应用重点实验室,青海 西宁 810001)

新时期测绘地理信息工作明确要求着力推动新型基础测绘体系一体化建设,加快构建实景三维中国,促进自然资源精细化管理和治理能力现代化,推动经济社会高质量发展[1-3]。目前,部分实景三维模型成果主要以“连续三角网+贴多视角影像”方式生产,其成果精度差、纹理拉花严重、无结构,无法形成测绘级别的产品,整个场景中各类地物要素粘连在一起,形成“一张皮”,不能将建筑物、地面、城市部件、树木等要素分级别、分层次表达,还存在着数据量庞大、单体化困难、不能关联相应专题属性等难题,无法满足行业部门之间深层次的应用需求[4-6]。为实现实景三维模型更好地在经济社会发展和自然资源管理等领域中推广应用,需对模型数据进行深层次的精细化处理,以便实现城市要素的对象化、单体化、层次化。国内部分地区已在实景三维模型建设方面展开了先行试点工作。例如,2018年广西制作了全区实景三维地表模型和覆盖部分城市、县建成区的精细实景三维模型,成为全国最早建成实景三维地理信息系统的省份之一[7]。

本文以青海省循化县积石镇为例,研究适合青海省建制镇建成区实景三维单体化模型建模的技术方法。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

青海省共有142个建制镇,其建制镇分布具有点多(上百个)、线长(各州市均有)、面窄(规模小)等特点。青海省建制镇分布如图1所示。通过实地调查,青海省建制镇建成区的建筑主要包括:宗教建筑、文物古迹;富有现代化气息的各类建筑;形态规整、结构简单的西部特有的“庄廓”民居建筑。按照这些建筑的几何实体结构、表现细节、文化特色、重要程度等,结合倾斜摄影模型制作规范,青海省建制镇建成区精细单体化模型分级标准如表1所示。

表1 青海省建制镇建成区精细单体化模型分级标准

图1 青海省建制镇点位分布图

循化县积石镇地处青藏高原边缘地带、南高北低、四面环山、山谷相间。结合“天地图·青海”兴趣点数据、分辨率优于0.5 m卫星遥感数据以及青海省建制镇建成区精细单体化模型分级标准,将循化县积石镇建成区建筑物分为一级模型、二级模型、三级模型、四级模型,具体模型等级划分如图2所示。

图2 循化县积石镇单体化模型分级图

1.2 数据来源

利用分辨率优于0.5 m的卫星影像图进行像控点概略位置布设,作业区内相邻像控点间距为300～500 m。作业区像控点布设概略位置如图3所示。选用L型(0.5 m×0.5 m)布设像控点,用红漆喷绘,并利用RTK测量像控点。采用飞马管家进行航线设计。多视角影像航向重叠度设置为80%,旁向重叠度设置为70%,整个航摄区域要保证边缘区域多视角影像全覆盖,接边处要确保相邻航摄区至少重叠两条基线,航线设计如图4所示。利用飞马D2000无人机搭载5镜头全画幅定制改装索尼相机进行航摄,其有效总像素为3.05亿,镜头下视焦距为40 mm、斜视焦距为56 mm,传感器尺寸为35.7 mm×23.8 mm,像元尺寸为3.76 μm×3.76 μm。共获取10 km2分辨率优于0.025 m的多视角影像数据。

图3 像控点概略位置布设图

图4 航线设计示意图

2 研究方法

通过外业获取研究区域像控点数据、多视角影像数据后,先通过DP-Smart软件进行空三加密、实景三维自动化建模等工序,并导出成果所需坐标系空三文件、未畸变影像数据文件、OSGB格式和OBJ格式的模型数据文件,将上述文件导入DP-Modeler软件完成影像工程配置,再利用该软件完成区域内建筑物单体化模型生产及实景三维场景修饰。最终将建筑物单体化模型数据、实景三维场景修饰数据融合到实景三维地理信息管理与应用服务综合平台中。总体技术设计如图5所示。

图5 总体技术设计

2.1 数据预处理

2.1.1 空三加密

倾斜摄影数据空中三角测量使用多视角联合平差,联合平差需要充分考虑多视角影像的几何变形、影像之间的遮挡关系[8-9]。利用DP-Smart软件将下视影像、倾斜影像进行“多层次、逐像素”密集匹配,并进行多视角联合自由网平差,再结合外业获取的像控点坐标、各级影像上自动匹配的同名像点,通过区域网光束法平差迭代联合解算,最终获取所有相机自检校参数以及影像的真实空间位置和角度关系。

2.1.2 大场景三维模型构建

通过分析并选择适中的影像匹配单元,逐步开展特征匹配和密集匹配生成高密度点云。根据生成的密集点云数据进行大场景三维建模,并实现快速自动化纹理映射。模型构建基于Tile划分计算,自动选择多视角上的最佳像对模型,生成具有三维尺度的密集点云数据。对高密度点云数据进行抽稀等处理后,点云自动转换为不规则三角网构TIN模型。根据内在几何关系,将TIN模型进行平滑和优化。根据三维TIN的空间位置信息,从影像中自动获取最佳视角影像纹理并映射与白模对应的纹理,构建完整的大场景三维模型。

2.2 单体化模型数据生产

利用DP-Modeler 集精细化单体建模软件,通过特有的倾斜摄影测量算法,结合空地联合作业模式,集成空地数据,有效弥补航空影像对于底商、地面、城市部件等信息的缺失。通过透视成像原理对照原始影像进行交互式联动建模。自动检索多视角影像,在任意表面进行结构物的快速操作[10-11]。优先对几何建筑模型进行自动纹理映射,并完成纹理的融合处理。

2.2.1 建模工程配置

利用DP-Modeler 区块划分工程配置工具对数据进行任务划分。将导出的全部数据文件导入到DP-Modeler软件中进行模型构建。在实际生产项目中按作业区的范围大小、建模人员多少等因素划定建模区域。

2.2.2 几何结构勾勒与纹理映射

将研究区域的空三成果与多视角影像数据集成在DP-Modeler软件中,对单体化建筑几何结构按单体化模型等级勾绘。在勾绘建筑轮廓前,要设置基础面。基础面用于确定高程基准面,通过自动检索多视角影像,在下视影像图上可快速勾勒建筑物的顶部结构轮廓。根据建筑物顶部及侧面的多视角影像图,可勾勒建筑物的侧面及立面的主体轮廓[12]。经过推拉、编辑、微调等方式可获取三维单体化模型的几何结构细节。

2.2.3 纹理映射

倾斜摄影测量可以采集建筑物侧面纹理的特征,实现多张建筑物侧面纹理融合贴图。利用特有的图像处理算法,可从多张影像中自动选出最优影像图。一键完成单体化模型的贴图[9],仅对不符合贴图的建筑物面进行人工微调,实现单体化建模的最优效果。这样可大幅度提升单体化建模的效率。单体化模型纹理映射效果如图6所示。

a 一级模型骨架 b 一级模型纹理映射

2.3 实景三维场景修饰

绝大多数情况下,纹理映射完成后生成的实景三维场景数据已可直接使用。但由于同名点无法精确匹配或者反光面对同名点造成干扰等因素,自动生成的实景三维场景模型中部分地物存在悬浮物、漏洞、阴影等,因此,后期要对实景三维场景中的地物进行局部修饰。研究区域的实景三维场景修饰主要是对地物悬浮物、漏洞进行删除与修复。路灯悬浮物删除如图7所示。

a 路灯悬浮物删除前 b 路灯悬浮物删除后

2.4 单体化模型与场景数据融合

利用DP-Modeler软件将研究区域实景三维场景数据中的建筑物进行踏平处理后,将单体化模型数据与修饰后的实景三维场景数据进行融合。在实景三维地理信息管理与应用服务综合平台上可增加建筑物的地理位置属性、几何结构属性、社会属性及专业属性。单体化模型与场景数据的融合如图8所示。

a 建筑物踏平后的场景数据 b 单体化模型

3 精度验证

单体化模型的精度验证是评定单体化建模质量与完整性的重要环节。精度验证主要从单体化模型的纹理信息完整性、点位平面位置精度、高度精度等3个方面进行验证[13]。对研究区域的4个等级模型区域分别均匀抽取25个检查点进行精度验证。通过外业巡视和内业检查验证单体化模型的纹理信息完整性。利用全站仪实地测量建筑物的特征点,对位置精度、高度精度进行验证[14]。本文精度验证利用了增强现实系统——AR-Explorer软件平台。经验证,本文建立的单体化模型纹理细节清晰、无几何扭曲变形、无漏洞。对单体化模型的平面、高程、高度误差及其对应的中误差进行统计分析。精度误差结果如图9及表2所示。

表2 研究区域单体化模型中误差统计

精度验证结果表明:(1)实景三维单体化模型等级的平面精度、高程精度均满足国家《三维地理信息模型数据产品规范》的相关规定,同时可满足青海省建制镇建成区大比例尺地形图成图的精度要求;(2)实景三维单体化模型等级的高度精度较高,其精度满足国家试点区域单体化模型等级要求的精度规范。

4 结论

以循化县积石镇实景三维单体化建模为研究对象,以采用无人机获取的高分辨率影像为数据源,构建了研究区域实景三维单体化模型的建设方法,提出了实景三维场景数据与单体化模型数据融合生成实景三维单体化模型数据的技术框架,并对研究区域的一、二、三、四级单体化模型进行精度验证。

结果表明本文建设的单体化三维模型具有“高精度、高逼真、单体化”的特点,并能对实景三维单体化模型进行独立的属性关联,可为青海省经济社会发展和自然资源精细化管理、“数字海东”建设、国土空间规划设计、应急救援决策、智慧公安、生态修复、房产管理、安全维稳管理、城市管理及综合性智慧平台应用提供高质量的地理信息三维数据底板,可为青海省“十四五”建制镇建成区实景三维精细单体化建模批量生产提供有效的技术支持。