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摘 要 ：随着实景三维中国建设理念的提出,生产各种具有属性信息的三维模型成为时代所需。本文对倾斜摄影测量三维 模型单体化及属性挂接流程进行研究,首先探讨倾斜摄影测量三维建模的原理 ;然后,基于实景三维模型,利用倾斜实景模型 单体化技术,完成地理对象单体化及属性数据库的搭建。本文以小寨村为例,在实景三维模型上可以实现网页端属性查询,扩 大了应用范围,对于智慧乡村的建设具有一定的参考意义。
关键词：倾斜摄影测量,三维建模,单体化
Single Construction and Service Sharing of Tilt Photogrammetry 3D Model
LI Jun1. YANG Dehong1. WU Fengzhen1. PAN Junhua2. ZHOU Jiahou1. DENG Yunlong1
(1.Faculty of Land and Resources Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming Yunnan
650093;2.Kunming Renweifeng Technology Co., Ltd., Kunming Yunnan 650215)
【Abstract】： With the proposal of the concept of real-life 3D China construction, it is necessary for the times to produce various 3D models with attribute information. In this paper, the process of three-dimensional model simplification and attribute attachment of oblique photogrammetry is studied. Firstly, the principle of three- dimensional modeling of oblique photogrammetry is discussed. Then, based on the three-dimensional real- life model, using the technology of tilting real-life model monomer, the geographic object monomer and the construction of attribute database are completed. Taking Xiaozhai Village as an example, this paper can realize the attribute query on the web page on the real-life 3D model, which expands the application scope and has certain reference significance for the construction of smart villages.
【Key words】： tilt photogrammetry;three-dimensional modeling;monogenization
实景三维中国建设是“十四五”时期基础测绘转型 升级发展的重要任务之一,在技术大纲中,也明确指 出,需加快建设实景三维中国。当前,无人机倾斜摄影 测量技术已成为获取三维模型的主要技术手段,相较于 传统摄影测量,倾斜摄影测量能够高效、低成本的获取 到数据,更真实的反映地物,并且能够满足大比例尺的 测绘要求 [1]。然而,倾斜摄影测量所生成的三维模型是 一个连续且不可编辑的整体,仅仅是一张“皮”,不能 对目标地物进行选中、属性查看与编辑,极大的限制了 它的应用领域。三维模型单体化为三维模型的应用提供 了新方法,在实现三维模型方便快捷管理的同时,最大 程度地发挥出倾斜摄影测量的优势,推动三维模型的发展与应用 [2]。
近年来,越来越多的研究开始倾注于三维模型单体 化研究, 文献 [3] 利用 DP-Modeler 软件, 通过由已有 三维模型重新绘制各要素模型的方式实现了单体化 ;文 献 [4] 对 3 种倾斜摄影单体化方法进行了归纳总结,探 讨了各自的优缺点 ;文献 [5] 融合 LiDAR 点云及倾斜 摄影测量两种技术,综合运用两种技术各自优势,对城 市区域和重要地物构建高精度、精细化的三维单体化模 型,并进行了技术探索 ;文献 [6.7] 对倾斜摄影测量的 单体化技术进行讨论研究,提出了不同的单体化方法。 但是以上所提出的方法仅仅讨论了单体化的技术,单体 化后的应用相对较少,特别是网页端下的应用。
本文基于 Super Map 软件,对实景三维模型进行 单体化操作,并挂接建筑物的基本属性信息,创建乡村 基础信息数据库, 探讨基于 Super Map 的实景三维模 型单体化构建方法,并应用 Javascript 编程语言进行数 据发布、共享,实现网页端的查询功能,对于推动乡村 规划、实现智慧乡村具有一定的现实意义。
1 无人机倾斜摄影测量三维建模
无人机倾斜摄影测量技术是通过在同一飞行平台上 搭载多台传感器,同时从多个角度采集地面影像,获取 地面物体更完整准确的信息,随后利用计算机视觉原理 自动识别匹配同名点,生成三维密集点云,在点云的基 础上构建不规则三角网 (TIN),最后从影像中获取地物 的几何关系及纹理特征,结合影像 POS 数据以及地面 控制点数据完成三维重构 [8]。
2 实景三维模型单体化
倾斜摄影测量三维建模所获得的实景三维模型无法 对目标地物进行选择、查询与分析,单体化是指可以对 目标地物单独选中,并且附加属性、属性编辑及高亮显 示。而我们所需的三维模型大部分都需要属性查询,这 也是最基本的 GIS 功能,所以很有必要对三维模型进行 单体化处理。
目前常见的四种单体化方式为切割单体化、ID 单 体化、动态单体化及重建单体化 [9]。
2.1 切割单体化
切割单体化,就是利用各类目标地物的二维矢量 面,对倾斜模型进行物理切割,将原始三角网分割开, 重新生成不规则三角网,以达到单体化的目的。该种方 式可以将各种地物单独分离开,独立于原始的不规则三 角网,分离出来的模型还可以在其他环境使用,而不用 考虑原始数据和周边环境,大大提升了单体成果的应用 空间和价值 [10]。
2.2 ID 单体化
ID 单体化是指结合已有的二维矢量面数据,将对应 的矢量面的 ID 值作为属性赋给三角网中的每个顶点,那 么同一地物对应的三角网顶点就存储了同一个 ID 值 [11], 当鼠标选中某一个三角面片时,根据这个三角面片顶点 的 ID 值得到其他 ID 相同的三角面片并高亮显示, 就实 现了单独选中某一地物的效果。矢量数据集中存储 ID 值 的字段就是关联字段,也可以指定其他字段作为关联字段。 但是,该种方式没有真正意义上实现模型单体化,也并 没有对模型进行分割,给管理与应用带来极大的不便。
2.3 重建单体化
模型重建单体化, 就是将无人机飞的倾斜影像,通过自动建模软件,生成实景三维模型,然后通过第三方 软件,进行人机交互,以人工干预的方式,实现目标地 物边界提取、模型纹理贴图、模型重建,重新构建单个 的三维模型,以达到目标地物在实景模型中的分离效 果,从而达到三维模型单体化的目的 [12]。
2.4 动态单体化
动态渲染单体化是指在三维渲染时动态的将分类图 层叠加到倾斜三维模型上,利用与目标模型对应的矢量 面为用户提供“单体化”的表达和操作 [13]。其实现原 理为 ：将矢量面套合在模型的区域范围之内,矢量面像 贴图一样自上而下的贴合在模型表面,采用此种单体化 方式,既保证了三维模型的渲染效果,也不破坏模型的 数据结构,在实际应用过程中,仅需改变相应的图层, 就可以实现各类地物的单体化,是最便捷、最轻量化的 单体化方式,极大地提升了数据的便利性与灵活性。
相对于其他三种单体化方式,动态单体化是最快 速、最便捷、最轻量化的处理方式,大概流程为先将倾 斜三维模型生成 DSM,对生成的 DSM 进行矢量面绘 制,将地物二维矢量面叠加到三维模型上,通过渲染、 贴对象的方式完成三维模型单体化。
2.4.1 数据预处理
(1) 新建球面场景, 生成倾斜摄影配置文件。由于 数据格式的多样性,需要格式的转换才能实现不同格式 的数据在软件中展示。在 SuperMap iDesktop 10i 中, 利用生成配置文件的方式,添加 XML 的源文件,确定 模型中心点, 将 OSGB 的数据生成同一坐标系下的三维 数据配置文件。
(2)模型加载。通过新建三维切片缓存图层的方 式,将生成的格式为 .SCP 的配置文件加载到场景中, 成功后将三维模型缩放到本图层,即可完成三维实景模 型的加载。
(3)生成 DSM。裁剪边缘有锯齿的无效区域影像 并生成影像金字塔,将倾斜三维模型生成 DSM 数据, 特别需要注意的是需要将相机高度设置超过本区域内的 最高点高程,否则将导致生成 DSM 失败。这提供了另 外一种精确绘制矢量面绘制方式,可以明显地看出哪些 是建筑物及边界,生成的 DSM 数据如图 1 所示。
2.4.2 地物矢量面绘制
(1)矢量面绘制。根据生成的 DSM 数据,将研究 区的房屋、道路、河流等完成矢量面绘制,要确保矢量 化必须为一个封闭的区域,与实际地物高度吻合,如 图 2 所示为矢量化后的部分房屋。
(2)矢量面贴对象。将矢量面的属性中高度模式设置为贴对象,使三维模型与矢量面完美套合。还可以根 据实际需要选择展示颜色与透明度等属性。
2.4.3 属性编辑
(1)二维面属性表结构编辑。为实现智慧乡村的目 的,也方便管理与数据更新,将户主、性别、年龄、门 牌号、身份证号、手机号、房屋面积、总人口数等基础 信息作为字段加到属性表中。
(2)信息录入。根据外业或其他方式获取乡村的基 础信息,设置合适的字段类型,将信息加到三维模型上 对应的位置,实现属性挂接的目的。
3 实验分析
3.1 试验区概况
本文以云南省昭通市鲁甸县小寨镇为试验区,是典 型的山区乡村,小寨镇地势东北高、西南低,此次试验 区地形起伏不算很大,建筑物相对较为集中,且视野相 对较为开阔,地物特征明显、无遮挡,能确保无人机的 飞行任务顺利完成。
外业控制点坐标成果采用 GPS-RTK 方式获取, 坐 标系统为 CGCS2000 国家大地坐标系。
3.2 实验结果分析
3.2.1 实景三维模型结果
将外业控制点数据导入 Context Capture 软件,通 过空三加密、多视影像联合平差、多视影像密集匹配、 真正射影像纠正、纹理映射等步骤,全自动化生成实景 三维模型,部分三维模型如图 3 所示。
由图 3 所知, 利用倾斜摄影测量技术生产的三维模 型成果完整,反映地物全面,地物清晰度较高,并且外 形特征、相对位置与实际情况一致 ;地物无拉花、模型 等现象 ;模型上不存在大面积空洞 ;建筑物、道路、基 础设施等轮廓清晰,色调统一 ;植被等种类、高度等与 实际情况相符合。
3.2.2 单体化模型结果
以叠加矢量面完成单体化技术为支撑,对倾斜影像绘制地物等矢量面,生成 DLG 数据成果,完成实景三 维模型单体化。为方便管理与维护,还需将基础信息录 入到单体化后的三维模型上,实现属性查询、分析、以 及高亮显示的功能。如图 4 所示为房屋单体化以及属性 挂接效果,由于数据保密性,所以将查询结果设置为空。
4 服务发布与共享
为改变实景三维模型单体化基于软件完成的现状, 扩大应用领域, 本文通过 Visual Studio Code 平 台, 基于 JavaScript 编程语言完成三维模型的网页端共享 与查询,大概流程为加载倾斜模型、属性信息编辑、信 息显示,实现网页端点击模型即显示目标属性信息。
(1)模型加载。将矢量面转化为 .json 格式的数据 类型,并将转化后的实景三维模型加载到网页中。
(2) 功能实现代码编写。获取点击目标的区域, 将 得到的信息通过气泡窗口来显示。
(3) 属性信息查询。通过该方式, 三维模型可以在 网页中显示,点击任意一栋建筑物,将会弹出气泡窗 口,如图 5 所示。在原始气泡上附加字段信息,并增加个人头像加载功能。
5 结语
本文利用倾斜摄影测量的关键技术,研究利用 Super Map 完成三维模型单体化的方法。在三维实景模型的 基础上,进行模型单体化,创建属性数据库并挂接属 性信息,实现模型与数据信息的一一对应关系。结合 DSM 完成高效的单体化构建方法,并用 JavaScript 语 言实现网页发布与查询,并对弹窗进行了美化,点击建 筑即显示属性信息。倾斜三维模型单体化极大地扩展了 三维模型的应用范围,特别是在乡村规划上,如产业分 析、现状分析、违章建筑信息等,将对乡村规划的建 设、实现智慧乡村的目标起到一定的推动作用。
参考文献
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