基于倾斜摄影三维建模的模型精细化修复方法研究

随着计算机技术和无人机技术的发展与成熟，基于倾斜摄影测量的实景三维也逐步进入了高速发展的阶段。近年来三维技术也大量应用于测绘领域。实景三维建设已经成为了一种新的趋势。该技术已经被广泛应用于智慧景区、古建筑保护、智慧城市等多个方向。重庆同汇为大家分享精细化实景三维模型对测绘领域的发展意义。

 

 

 

 

引言

 

       就近些年的研究方向来探讨，随着信息时代各行各业对空间数据需求的日益增长，常规的数据获取方式和数据处理模式已经不能满足信息化需要。测绘行业也逐步出现了大量新型测量方法和工具，Dom、Dem、数字化城市街景、点云数据库、实景三维也得到迅速发展。

      精细化实景三维模型能够呈现出虚拟现实的效果，逼真的储存建模对象的各方面信息，为后续研究和虚拟测量提供了最基本而全面的资料。减宇哲等人基于多源数据的三维建模方法研究，将三维激光扫描数据和倾斜摄影测量数据相融合，构建建筑模型。谭仁春等人总结了一套无人机倾斜影像三维建模的修复方法，将倾斜摄影和3D MAX等技术有效结合进行城市三维建模。研究不同的建模方法，修复模型漏洞，获得精细化实景三维有着重要的意义。

一、倾斜摄影技术

       倾斜摄影通过一个飞行平台搭载多个传感器的方式，获取了一个垂直、四个倾斜角度的影像数据，采用计算机影像融合技术、三维建模技术等，还原真实地理信息，测量成果具有真实的三维模型、纹理信息和准确的三维坐标。该技术以低成本、高效率等优势被广泛应用于应急指挥、交通执法、智慧城市、不动产测量等多个领域。倾斜建模软件主要有Smart3D、街景工厂、Pix4D、Photoscan等。重庆同汇勘测规划有限公司在贵阳三维项目中基于Smart3D处理的五镜头倾斜空三如图1所示。

图1 贵阳三维项目 倾斜摄影空三

二、模型修复技术

      通常基于倾斜摄影所得到的三维模型效果不佳，会出现无人机受天气影响产生影像几何畸变、阳光照射引起模型纹理不一致和破洞、分辨率不够导致的模型边缘变形较大和纹理模糊等问题。需要通过精细化修复来改善实景三维模型。模型修复软件主要有：Osketch、Dp-modeler、3Dmax、Geomagic、Meshmixer、模方等，模型修复方法主要有如下几种：

   2.1 Dp-modeler，基于倾斜影像，对建筑物进行重建，删除空中悬浮物，修复水面镂空。最后结合倾斜摄影的地表模型一起做三维展示。以重庆同汇勘测规划有限公司在贵阳三维项目的生产为例，其主要过程为：

 

（1）Smart3D准备正确的空三结果xml文件及航空影像：

图2 贵阳三维项目 导出空三文件

（2）Dp-modeler无法直接读取OSGB的数据，需要将OSGB数据转为OSG或者ive格式的数据导入进行编辑。

（3）导入smart3D成果，选择航空影像集，点击导入smart3d成果，将第一步smart3d准备的空三数据及照片导入进去，并对照片路径进行重新指定，确认无误后点击导入JAS工程：

 

图3 贵阳三维项目 导入smart3d成果并修改路径

（4）  构建金字塔并添加建模工程，开始建模：

图4  贵阳三维项目 Dp-modeler建模界面

       Dp-modeler软件主要基于倾斜摄影测量的空三成果和五镜头影像数据对模型进行重构，保证了模型精度和纹理真实性。再结合倾斜摄影的地形模型呈现出高质量的实景三维模型。这种单体化修模的方法主要特点是：精细化修复程度高，需具备一些建模基础，人工修改量较多，建模成果精细真实。其成果如下图所示：

 

图5 贵阳三维项目 Dp-modeler建模成果

2.2  Geomagic 、3D max、Meshmixer三者结合对倾斜摄影的模型成果进行局部修复和部分重要建筑的模型重构，通过不同类型的项目实践发现该三个软件各自的特点，结合起来可针对不同类型的建筑进行模型修复工作。

      Geomagic软件具有强大的面压平和漏洞填补功能，主要用于水面置平与修复。然后导入smart3D重新映射纹理即可。Geomagic属于逆向建模软件，对模型修改的功能强大，但手工创建模型的能力却很缺乏。当遇到smart3D分块中包含大面积水域时，通常会出现smart3D分块的一个或两个角没有面的情况，这时Geomagic不能通过相领的分块修补边缘漏洞，需借助max修复smart3d未跑出来的水面。以重庆同汇勘测规划有限公司在安居古镇的景区三维项目为例，修复效果如下图所示：

图6 安居古镇 geomagic水面压平和max水面修补

      3D max软件也可以对面进行压平和修复，但3D max里面最稳定的模型是以四边形的面形式存在，当倾斜模型这种大量的三角面导入3D max进行面层级编辑时就会卡顿，并且该软件所新建的水面导入smart 3D之后osgb模型的低层级金字塔文件容易出现空洞，模型出现缩小时有漏洞，放大显示则正常的现象。需要注意建模面数的把握以及四边面与三边面之间的转换。另外通过max材质编辑器还可以容易的提取取模型的纹理坐标信息，进而找到模型需要修改的材质位置，再利用ps对模型的材质进行修整和替换，比如对水面进行统一着色处理、对拉花的建筑纹理纠正等。

图7 安居古镇  max修补水面出现破洞及修复

      max还可以修复建筑变形严重的特征小部件，以及重要建筑进行整体重建。尤其是结构较为复杂的建筑重建。

图8 安居古镇  max重要建筑物整体重建

 

      Meshmixer是3D打印常用的一款模型修复软件，该软件对异性模型有很强大的编辑能力，但该软件在规则的房屋模型修复时不易体现建筑物的棱角。因此，实景三维修复过程中主要用Meshmixer修复较为复杂的异形建筑模型。

图9  meshmixer异形建筑修复

3 结论与探讨    

1、结论

      在摄影测量与计算机技术的快速发展基础上，实景三维技术也得到了快速发展，这对应急指挥、交通执法、智慧城市、不动产测量、智慧景区、古建筑保护都有重要意义。精细化实景三维不仅能够逼真的存储三维信息，还能为后期虚拟测量、智慧管理平台建设提供有效的基础数据，基于倾斜摄影三维建模的模型精细化修复方法在这实景三维建设过程中起着重要作用。

      本文以重庆同汇勘测规划有限公司所接触实际项目为背景，主要研究了不同类型的倾斜摄影模型修复方法，即Geomagic水面压平与漏洞修复、max水面修补与纹理替换、max单体模型重建、meshmixer异形模型修复、DP-modeler单体化重建等方法。结合不同的软件和方法弥补单一软件建模的缺点，有效修复了倾斜三维模型，完成精细化实景三维建设。

2、探讨

      目前倾斜摄影三维建模技术有效减少了人工成本，提高了建模效率；但要得到精细化模型则需要模型修复和重建，这一过程又需要投入大量人工，就需要研究参数化模型库、模型快速分类方法以提高精细化模型生产效率。

      另外虚拟现实技术将是未来仿真技术的重要方向，这也受到室内设计、数字化景区、智慧城市等多个领域的重视，实景三维技术的成熟将为虚拟现实奠定重要基础。

 

 

 参考文献

[1] 方沁. 基于 Unity 和 3dmax 的虚拟实验室三维建模设计与实现[D].北京邮电大学,2015.

[2] 曹潇雷,董燕.基于 ContextCapture 的无人机倾斜影像建模方法研究.昆明理工大学,2019.

[3] Sun C. Rapid Texture Retrivement for Building-Wall in 3D City Model[J].Editorial Board of Geomatics & Information Science of Wuhan University, 2005.

[4] 连 蓉,丁 忆，罗 鼎,魏文杰,李朋龙,林 熙.倾斜摄影与近景摄影相结合的山地城市实景三维精细化重建与单体化研究.重庆地理信息中心,2017.

[5] 朱国强,刘勇,程鹏正.无人机倾斜摄影技术支持下的三维精细模型制作.天津腾云智航科技有限公司,2016.