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倾斜摄影三维模型单体化研究及智慧城市应用

2021-05-11 来源:客趣旅游网
第41卷第5期2018年5月

测绘与空间地理信息

GEOMATICS&SPATIALINFORMATIONTECHNOLOGY

Vol.41ꎬNo.5Mayꎬ2018

倾斜摄影三维模型单体化研究及智慧城市应用

项志勇ꎬ张 畅

(浙江省第一测绘院ꎬ浙江杭州311100)

摘要:本研究通过对倾斜摄影数据快速获取建筑物三维模型技术的相关核心算法的设计、关键技术的攻关ꎬ制

定了一套高效率、高质量、低成本地利用倾斜摄影数据快速地进行建筑物三维模型重建的处理技术和方法ꎬ为其在国家测绘与其他相关领域的数字城市建设和应用提供技术保障ꎬ结合三维地理信息平台为各政府部门提供数字化、精细化的应用ꎮ

关键词:倾斜摄影ꎻ三维建模ꎻ单体化ꎻ智慧城市

中图分类号:P231   文献标识码:A   文章编号:1672-5867(2018)05-0191-04

StudyontheMonomerof3DModelingofObliquePhotographyandthe

ApplicationofSmartCity

(TheFirstSurveyingandMappingInstituteofZhejiangProvinceꎬHangzhou311100ꎬChina)

Abstract:Thisresearchaimstodesignasetofprocessingtechnologyandapproachsoftwarewhichishighefficiencyꎬhighqualityandlowercosttodealwithrebuildingrapidbuilding3dmodelbytheuseofobliquephotographydatathroughtacklingkeytechnicalprob ̄providevariousgovernmentdepartmentswithdigitalandrefinedapplicationsbycombiningthethree-dimensionalgeographicalinforma ̄tionplatform.

Keywords:obliquephotographyꎻ3Dmodelingꎻmonomerꎻsmartcity

lemsindesignofobliquephotographydata’quickaccesstorelatedcorealgorithmofBuilding3dmodeltechnologyꎬsoastoprovidetechnicalsupporttodigitalcityconstructionandapplicationinthefieldofnationalsurveyingandmappingandothersrelatedandto

XIANGZhiyongꎬZHANGChang

0 引 言

数字城市建设是城市信息化建设的基础支撑和重要保障ꎮ城市将成为大多数居民的生活空间ꎮ未来的城市管理将逐步实现数字化、“网格化”和智能化ꎬ城市规划、基础设施建设、项目设计以及审核批准等ꎬ都需要数字城市的支撑ꎮ数字城市建设是城市信息化工作的基础ꎬ促使城市管理和服务空间化、精细化、动态化、可视化[1

-2]

据的多视特性ꎬ可以对城市建筑进行快速三维建模ꎬ并由系统自动对三维模型上的各个面进行纹理搜索ꎬ并将最优的纹理自动映射到三维模型上ꎬ形成智慧城市建设中最终需要的基础数据[6]ꎮ

基于倾斜航空摄影数字影像ꎬ建成城市三维模型数

据ꎬ经过精确野外测量ꎬ建成高精度的基础影像数据源ꎬ将其加载到数字城市管理系统平台中作为底层数据ꎬ同时该平台能够结合地下管线、城市部件等基础数据[7

-8]

倾斜摄影技术的引进和应用ꎬ将开辟遥感影像应用的新领域ꎬ提高我国数字城市建设的基础数据获取的效率ꎮ由于是一种新技术ꎬ需要制订一整套高效的三维建模方案:针对倾斜摄影中不同角度采集的影像进行区域网平差算法和处理ꎻ通过空三区域网平差处理后的倾斜摄影数据可以被用来生产真正射影像ꎬ形成直观的智慧城市地面景观图[4

-5]

并在此基础上预留了基于城市管理、交通、安保系统、水利、能源等城市发展的不同行业的数据接口ꎬ用于开发适合相关行业的应用子系统ꎬ真正做到政府一套数据ꎬ多行业、多部门共享资源的综合性城市管理平台[9

-10]

1 研究目标

ꎻ利用人机交互系统结合倾斜摄影数

通过对倾斜摄影数据快速获取建筑物三维模型技术

收稿日期:2017-12-19

作者简介:项志勇(1971-)ꎬ男ꎬ浙江武义人ꎬ高级工程师ꎬ本科学历ꎬ主要从事航测与遥感、地理信息系统方面的生产管理、技术研发

等工作ꎮ

192

              

测绘与空间地理信息 

               2018年

的相关核心算法的设计、关键技术的攻关ꎬ制定一套高效率、高质量、低成本的利用倾斜摄影数据快速进行建筑物三维模型重建的处理技术和方法ꎬ为其在国家测绘与其他相关领域的数字城市建设和应用提供技术保障ꎬ结合三维地理信息平台为各政府部门提供数字化、精细化的应用ꎮ

2 关键技术

22.1.1 .1 单体化建模技术单体化建模技术路线如图技术路线

1所示ꎮ

图1 技术路线图Fig.1 Technicalroadmap

2.1.2 2.1.2.1 单体化建模

本研究采用两种编辑方式联合编辑

:

辑操作1)ꎬ直接在例如ꎬ删除多余面3DMAX中编辑、删除多余边等类似的编辑也ꎬ不需要准确位置信息的编可直接在3DMAX中进行ꎬ若在3DMAX中进行需要位置信息的编辑操作ꎬ则需要根据模型的实时反投确定模型的参数ꎮ

立体里面进行编辑的工具2)在SVS中进行立体编辑ꎬ主要实现需要位置信息的编ꎬSVS软件提供了部分在

辑操作ꎮ

2.1.2.2 切片工具也是针对面片的操作切片ꎬ需要在选中面的基

础上实现切片ꎮ

2.1.2.3 切割类似于切片切割ꎬ其区别在于切平面是一个有限的

空间面ꎬ切割面由模型面片的法相量与量测的两个点确定ꎬ量测时必须打开捕捉功能ꎬ捕捉模型上的两个点(顶点、边上的点或者面上的点)才能进行切割ꎮ

2.1.2.4 1)批量贴图

半自动纹理修饰

获取正确的几何模型后ꎬ选中需要贴图的模型(可以选择一个或者同时选择多个)ꎮ

2)若纹理出现遮挡或者色彩等不符合要求纹理编辑

ꎬ使用纹理

编辑功能ꎬ进行不同镜头纹理的选择ꎬ如图2所示ꎮ

图2 纹理编辑Fig.2 Textureediting

①②选择需要矫正的面通过选择纹理影像列表区域最佳纹理影像选择最佳纹理影像

ꎬ选择的目标是纹理面积大、变形小ꎮ

③选择最佳影像后调整纹理顶点ꎬꎬ剪切纹理

即可选择“坐标映射”功能ꎬ将会看到被选中的表面纹理坐标ꎬ若纹理坐标与“十字丝”标志对应不正确ꎬ可以关闭“坐标映射“后重新打开ꎮ提示:在坐标映射窗口通过鼠标滚轮可以缩放影像ꎮ

选择“顶点调整”命令后ꎬ在坐标映射窗口ꎬ鼠标落在

纹理顶点上时左键按下并移动鼠标ꎬ即可调整顶点ꎮ

选择“面平移”命令后ꎬ在坐标映射窗口ꎬ左键按下并移动鼠标即可移动整个平面ꎮ

当各个顶点都对应正确后ꎬ选择“裁切”命令即可完成被选中表面的纹理提取ꎮ

toshop④路径检查纹理贴图ꎬ若需要进一步处理ꎬ选择设置Pho ̄

3)外业通过拍照获取的照片外业照片贴图

ꎬ打开Photoshop后进行进一步的处理ꎮ

ꎬ可以通过增加连接线ꎬ对

2.1.3 局部需要精修的模型进行材质球纹理分配效率分析

以某城市为例分析采用本套技术思路进行倾斜三维

建模的效率ꎮ

1)作业范围约项目面积10.3448km22)①作业内容

ꎮ②1倾斜空三加密

③单体化模型制作

∶1000数字高程模型DEM3)①单体化建模周期倾斜空三周期作业效率:2017:2017年年44月月1527日日—4—5月月2812日日单体化质检周期:2017年5月12日—5月18日人员设备情况见表1ꎮ

第5期

项志勇等:倾斜摄影三维模型单体化研究及智慧城市应用

表1 人员设备情况Tab.1 Personnelandequipment

193

件架构体系ꎬ可实现开发环境(SDK)与运行环境

备注11152

人员数量(个)单体化采集纹理提取质检

时间(d)11152

电脑个数

696

2.2.2 平台工具

(RunTime)的统一ꎬ并提供丰富的二次开发接口(COM)ꎮ

1)地形影像处理工具(TerrainBuilder):将影像

(DOM)地形(DEM)数据进行编译发布处理成金字塔结构的瓦片式数据ꎬ并支持大数据量影像数据的多机并发处理ꎮ

信息的特征点线数据直接生成高精度的地形数据并编译垂直河堤等特征地物ꎮ

据的mash和纹理进行分级处理ꎬ形成满足StampGIS三维平台要求的模型数据格式ꎬ从而实现高效的三维模型数据加载ꎮ

的POI、道路、控规等矢量点线面数据发布成显示和搜索

4)矢量数据处理工具(VectorBuilder):将系统中用到3)模型数据处理工具(ModelBuilder):对三维模型数2)高精度地形生成工具(TINBuilder):基于带有高程

  ②项目样本分析:每个项目具有代表性的1km生产分析ꎬ生产效率见表2ꎮ

表2 生产效率表

Tab.2 Productionefficiencytable

项目名称

模型数量

模型类型及占比复杂房屋20%一般房屋60%简单房屋20%

建模效率(人/d)0.052km2

备注单体化+提取纹理

发布成TIN金字塔数据ꎬ可精确地表现陡坎、路牙、斜坡、

XX1660栋/km2

2.2 三维地理信息系统平台2.2.1 平台概述

StampGIS是国际领先的具有完全自主知识产权的大

数据ꎬ或根据矢量面自动生成简单建筑模型ꎬ提供三维平台进行浏览和查询ꎮ

型3DGIS平台软件ꎬ其在精细化大场景渲染、真实美观的可视化效果、地上地下一体化、海量空间数据管理、三维数据全要素实时在线更新和三维地下管线自动化生成等方面具有核心技术竞争优势ꎬ支持倾斜摄影测量数据、BIM数据、分布式部署、物联网集成和云计算架构ꎬ可无缝聚合ArcGIS、天地图等第三方服务ꎮ平台采用开放的软

3 精度指标

3.1 空三加密精度

倾斜摄影测量获取的航摄影像是数字影像ꎬ无须内定向ꎻ本研究进行空三加密处理、加密点中误差和绝对定向后ꎬ对基本定向点残差、检查点及区域网间公共点的误差都进行了约定ꎬ空三加密现差见表3ꎮ

表3 空三加密限差

Tab.3 Aerialtriangulationencryptionerrorrestriction

成图比例尺

点别基本定向点检查点公共点基本定向点检查点公共点

平面位置中误差

平地0.130.1750.350.30.50.8

丘陵地0.130.1750.350.30.50.8

山地0.20.350.550.40.71.1

高山地0.20.350.550.40.71.1

平地0.110.150.30.20.280.56

高程中误差丘陵地0.20.280.560.260.40.7

山地0.260.40.70.40.61.0

高山地0.40.610.751.22.0

1:5001∶1000

3.2 三维模型建模

平面精度和高程精度见表4ꎮ

表4 平面精度和高程精度表

Tab.4 Thefollowingtableofplaneaccuracyand

    elevationaccuracy

影像地面分辨率

0.050.100.20

平面位置中误差

0.30.61.2

高程位置中误差

0.750.80.4

  三维数据产品的总体质量应满足完整性、几何精度、逻辑一致性的要求ꎮ三维数据产品的完整性应符合下列要求:

1)数据要素不应有遗漏ꎮ

2)错漏情况及房型测量的检查:检查过程是把矢量3)高程切准情况的检查:质检部立体检查ꎬ主要检查4)推方的检查:在立体像对上ꎬ检查该推方的面有没

套合在立体像对上进行ꎬ检查差错漏以及房型的综合取舍的准确情况ꎮ

矢量的高程切准情况ꎮ

194

              

测绘与空间地理信息 

               2018年

有推方ꎮ

5)建筑采集模型根据项目要求不同进行一级建筑模型数据应统一以“m”为计量单位ꎮ

、二级建筑、三级建筑、四级建筑的划分ꎬ具体技术要求及标准如下①:

一级模型不仅能反映实际建筑的大小一级模型技术要求

、整体结构ꎬ还应能精确反映建筑的外立面、屋顶结构形式ꎬ以及各类附属设施等细节ꎮ模型的纹理应与建筑外观保持一致ꎬ反映出纹理的实图案、颜色、透明度等ꎬ区别出建筑的不同质地ꎬ纹理中不得含有建筑物体以外的物体ꎬ物体的立面及屋顶变化细节应清晰可辨ꎮ建筑物的侧面纹理采用实地拍照方式获取ꎬ顶部纹理利用高分辨率倾斜影像获取ꎮ

一级模型的技术参数标准:任何一个维度(平面、凹凸结构)超过0.5m的结构特征均应进行几何建模ꎻ与实际物体的结构平面位置误差不得超过0.6mꎻ与建筑物高度差不得超过0.8mꎻ单个模型的面数控制在6000个以内ꎬ特别的建筑如古建筑可适当放宽②ꎮ

二级模型能够反映实际建筑物的主要特征二级模型技术要求

、材质、结构以及房屋屋顶及外轮廓等基本特征ꎬ贴图能反映出建筑物细节结构ꎬ反映外立面上的阳台、窗户、广告牌及各类附属设施内容ꎬ反映出屋顶结构形式与附属设施等细节ꎬ纹理需与实际基本一致ꎬ能反映建筑物体的颜色、质地和图案等ꎮ纹理中不得含有建筑物体以外的物体ꎬ物体的立面及屋顶变化细节应清晰可辨ꎮ建筑物的侧面纹理采用实地拍照方式获取ꎬ顶部纹理利用高分辨率倾斜影像获取ꎮ

二级模型的技术参数标准:任何一个维度(平面、凹凸结构)超过1m的结构特征均应进行几何建模ꎻ与实际物体的结构平面位置误差不得超过0.6mꎻ与建筑物高度差不得超过③0.8mꎻ单个模型的面数控制在3000个以内ꎮ

三级模型能够表现建筑物的整体轮廓和结构三级模型技术要求

ꎬ模型纹理需与实际情况基本一致ꎬ能反映建筑物体的颜色、质地、图案和局部细节特征ꎮ建筑物的顶部纹理利用高分辨率倾斜影像获取ꎮ建筑物临街面纹理需通过实际拍摄获取ꎬ其他侧面可采用倾斜影像ꎬ使用时需确保不同侧面之间的纹理色彩过渡自然ꎮ

三级模型的技术参数标准:任何一个维度(平面、凹凸结构)超过1.5m的结构特征均应进行几何建模ꎻ与实际物体的结构平面位置误差不得超过1mꎻ与建筑物高度差不得超过④1.5mꎻ单个模型的面数控制在1500四级模型能够表现建筑物的整体轮廓和结构四级模型技术要求

个以内ꎮ

ꎬ纹理贴图通过倾斜影像或模型库中已有的模型纹理表现ꎬ顶部纹理可利用高分辨率倾斜影像获取ꎮ

四级模型的技术参数标准:任何一个维度(平面、凹凸结构)超过2m的结构特征均应进行几何建模ꎻ与实际物体的结构平面位置误差不得超过2mꎻ与建筑物高度差不得超过1.5mꎻ单个模型的面数控制在500个以内ꎮ

4 应用示范

4.1 地下管线三维管理

城市地下管线三维管理系统ꎬ可有效整合地下各类管线数据ꎬ实现地下管线的三维可视化展示和统一集中管理ꎬ为城市的施工建设提供准确的资料ꎬ为科学管理提供辅助决策依据ꎮ城市地下管线三维管理系统可使城市管理从粗放式、被动式、二维图纸化管理转变为精细化、主动化、三维可视化的管理ꎬ为环境治理、城市规划、建设和管理、城市应急防灾等方面提供科学的决策依据ꎮ

4.2 城市三维规划审批

城市三维规划辅助决策系统ꎬ以现有二、三维空间信息数据库资源为基础ꎬ综合运用遥感、地理信息、虚拟现实、数据库等技术ꎬ实现三维规划分析、审批、管理等业务应用ꎬ解决目前三维城市规划系统应用领域单一、应用功能单一、应用程度低等问题ꎬ实现了对建设方案全方位的审核分析ꎬ为城市规划工作提供专业的应用服务ꎬ为规划辅助决策提供了强力的支持ꎬ提高了城市规划工作的科学性和城市管理效率ꎮ

4.3 三维数字城市建设

数字城市建设是指利用地理信息、数字化技术以及网络手段给政府、企业与公众提供一个信息服务与辅助决策的平台ꎬ它是城市信息化建设的发展方向ꎮ三维GIS作为数字城市中地理信息技术的一个重要组成部分ꎬ通过构建一个真实的、直观的虚拟环境ꎬ给人们带来更为全面、充分的位置信息ꎬ实现信息展现立体化、工作管理精细化、应急指挥直观化ꎬ提高城市管理水平ꎬ有效改善城市软环境ꎮ凭借卓越的城市三维数据生产能力ꎬ为多个城市建设了三维数字城市ꎬ通过构建三维数字城市模型ꎬ真实地还原城市风貌ꎬ实现地上地物要素的模拟三维显示ꎬ为用户提供美观、便捷的城市三维展示引导服务ꎬ方便用户了解城市建设情况ꎮ

4.4 三维数字社区管理

三维数字社区管理系统用物联网接入技术、数据建库技术等先进技术ꎬ整合社区管理业务数据ꎬ对人、户、房、地、事件、物、组织、单位、服务管理等八大要素信息进行地图联动及综合分析ꎬ打造实景可视化的数字社区环境ꎬ实现了社区网络化、数字化、动态化、精细化的管理ꎬ实现了“以图管房、以房管人、以人查房”等应用ꎮ同时系统与社区视频监控系统集成ꎬ对空巢老人、重点人员等进行重点监控ꎬ提升了小区治安管理环境ꎮ

5 结束语

本研究基于倾斜摄影技术研究三维模型单体化技术ꎬ并结合三维地理信息平台ꎬ研究其在智慧城市中的应  

(下转第201页)

第5期

蒋汪洋等:多旋翼无人机航测系统在地形图测绘中的应用

201

小于0.2m的要求ꎮ由实验数据可以得出结论:多旋翼无人机航摄系统可以用于地形图测绘ꎬ且平面精度可以达到厘米级别[3]ꎮ

4 结束语

本文通过研究多旋翼无人机航摄系统的组成、特点和原理ꎬ以及相机的自检校ꎬ提出其航空摄影的理论基础ꎬ总结出其有别于固定翼无人机的特点ꎮ在经过实际摄区的航摄ꎬ在外业控制点和测量点位对比后ꎬ实验对比分析验证了地形图测图领域应用的其可行性ꎮ鉴于无人机在今后有广泛的应用前景ꎬ此文可为多旋翼无人机航摄系统参与地形图测绘提供参考ꎮ

表3 高程位置精度对比表

Tab.3 Elevationpositionaccuracycomparisontable

点号P1P2P3P4P5P6P7P8P10P9

解算Z(m)100.725100.263101.237105.273104.283102.362117.273125.163108.234118.273

实测Z(m)100.563100.354101.04105.44

ΔZ(m)-0.091-0.167-0.1820.0920.2810.0960.0460.0920.1970.162

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104.191102.544117.181124.882108.138118.227

[编辑:刘莉鑫]

(上接第194页)

用ꎬ取得了较好的效果ꎮ但在项目建设中ꎬ仍存在待完善之处ꎮ因此ꎬ未来的研究主要方向为:一是提高三维模型单体化效率ꎬ提升自动化程度ꎻ二是进一步挖掘智慧城市对三维模型地图数据的需求ꎬ通过倾斜摄影三维建模技术更好地为智慧城市建设服务ꎮ

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[编辑:任亚茹]

(上接第197页)

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[编辑:张 曦]

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