城市实景三维建模技术方法探讨

城市实景三维建模技术方法探讨

江敏

常州市测绘院 213000 江苏省常州市

摘  要: 由于各种检测方法的进步,空间数据的研究和地理信息系统事业获得了蓬勃发展。在此语境下,空间地理信息的三维可视化表现因其比较之于传统二维表达而有着更直接、更准确和更精确的空间地理特征,而地理空间信息的三维空间可视化表现则是其重点。在地方国情监控、城市交通模拟、地方经济可持续发展研究等诸多应用领域,三维地理信息系统也发挥着巨大的功能。所以,城市规划三维实景模型对研究城市规划的发展趋势有着很大的意义。

关键词：城市实景；三维建模；方法

1实景三维建模技术

现如今实景的三维建模技术需要依靠倾斜摄影去进一步完成，许多城市都需要较为成熟的三维建模技术进行支撑，倾斜三维建模具备了全自动生产、建模过程精确、贴图纹理颜色更符合实际情况等优点。而LiDAR倾斜三维建模则可结合二种手段所各有的优点,以提高建模效率、改善建模精度,并克服了传统人工建模方法真实度低与精度较差的问题。

目前,三维模型的关键技术大致包括3种:人工模型,倾斜摄影模型和激光雷达模型。人工建模也就是通过三维模型的软件,如三DMAX,Maya等根据现有的图片和大比例尺城市规划图等来建模。该模型技术的性能很优秀,只是工作时间较长,与真实世界反差较大,且人工成本昂贵,适合进行小区域、固定对象的三维空间模型。在城市三维模型方面,一般不使用该技术。谭仁春根据人工模型的不足,研制出人机交互的辅助工具,大大提高了人工模型的效果,不过这种技术花费了巨大的技术投入和资金成本,仍无法适应大型城市三维模型的需要。倾斜拍摄检测技术,是中国测绘与遥感行业近年来发展起来的一种新型技术手段,通过这种技术手段能够迅速获得实际地物各个方面的图像,从而获取了比较细致的实际物体侧面数据,所得到的信息也比较能够直接、准确的表达实际地物特性;同时,无人机倾斜拍摄也具备了效率高、成本低、快捷方便等的优势。目前,该技术已经在许多领域中开展了试验和研究。

2建模原理

而在三维建模技术之中，一般都是采用较大重合度的摄影，利用同名点的技术，通过数字的计算模式进行三维定点，以此来完成模型的建立，也就是即在收集到合适的倾角摄影和区域点云结果,通过自动智能化方法对二种信息加以解算并综合处理,从而迅速得到三维模型。

3技术指标分析

3.1自动化程度

倾斜三维模型,在密集点云采集、Mesh模型建立、纹理映射、模型加工等整个流程上都能够进行了完全智能化的,因此智能化度超高。倾斜三维建模的技术市场化度也很好,在国外的如法国Bentley公司的ContextCapture，美国AgiSoft公司的Photo.Scan、Pix 4D有限公司的Pix 4D mapper、Astrium有限公司的Street Factory、Skyline有限公司的PhotoMesh,日本境内的还有珠科创新的Altizure。以技术成熟度较高的Context Capture系统为例,单机就可以完成对8000~10000个文字图片的自动化管理与建模,而如果引入了集群式的管理方法,则能够提高其数字产出质量。LiDAR倾斜三维模型,从点云分析、DEM设计、DOM加工、纹理贴图各方面基本能够完成软件的自动化工作,与建筑物模型中使用的核心模型方法有所不同,其智能化水平存在一些差异。武汉华正的实景三维图像技术及快速建模平台(3D Real World)可对倾斜图像和同位置激光点云二种信息加以高智能化的解算与综合处理,从而迅速形成了实景三维模型。由于该产品并不对外发售,核心算法也尚未发布,故商品化程度较低。除此之外,目前市场上最主要的建筑模式都基本采取了半自动的构建方法,通过立体的对比进行轮廓的采集，通过建筑的模式库进行筛选，利用匹配的技术进行建筑建模。

3.2可视化效果

倾斜三维模型是一种对地理空间的全维度表达,故模型必须逼真、可信。然而，由于该技术主要采用摄影测量的基本原理，在弱纹理特征、精细纹理特征、近、远表面特征等模型中还存在一些先天性缺陷，因此容易出现纹理地形建模空白、局部整体景观结构不足、纹理映射失真、纹理严重失真等现象，在一定程度上影响了真实场景三维模型的综合质量。LiDAR倾斜式三维模型能够发挥二种技术手段的优点,特别是在建筑物模型上。可克服建筑构造缺失,纹理映射困难等问题,从而提高了模型效率,并增加了模型精确度。但基于该方法更侧重于对地貌、建筑的表现上,对植物、景观等地物要素的表现上则相对欠缺。目前有二个方法:一是通过三dmax建模批量设计的方法来表现,另一个是直接通过DEM、DOM产生的三维场景来实现表现,这二个方法在准确度、真实效果方面都比不上倾斜三维建模。三点三数据精度的三维建模技术虽可以实现严格的空三加密处理,但由于噪声干扰或图像特征点不明确的干扰,所对应的数据结果存在着较大的不确定性、随机性,解算获得的三角网无法达到对应比例尺定位精度的需要,因此采用该类数据结果开展的三维研究,结论可靠性较差。如果要改善模型的准确度,则必须减少飞行高度、并增加倾斜图像的分辨率;如果要达到l:1000的精度要求,尽管许多机构都需要进行1.5cm、2cm或者更高的影像,以达到l:500的精度要求,但此方法也会提高外业测量和内业建模难度,从而不能适应城市的实景三维模型建设。由于LiDAR倾斜三维模型使用了精确的激光点云来作为模型TIN网构建的主要信息源,其过程中严谨地按照传统摄影测量方法,所以,拥有相当好的测量准确性和精度稳定性,总体以及部分的高度、水平精度都可以满足1:1000的常规模型精度标准。尽管LiDAR技术已经基本能够满足1:500的精度需求,但在应用于倾斜相机上时,仍必须减少飞行高度、增加成像分辨率,同时基于稳定性、工程成本等的综合考量,因此现阶段城市的实景三维模型精度一般仍以1:1000居多。

3.4生产成本

LiDAR倾角三维模型,因为同时使用了机载雷达(LiDAR)和倾角照相二个技术方案,在硬件上,就必须同时支持二套装置,而且机载激光扫描方法设备价格比较昂贵,动辄要数百万,所以设备生产成本也比较高。针对外业采集,该方案就必须进行二个航飞,需要得到点云和倾角照片,所以整个外业的制造时间比较偏长。而针对内业制造,尽管倾角影像技术减少了建筑模型制造环节,但由于介于目前主要的建筑物模型仍以零点五自动化模型为主,所以整个建筑制造周期还是比较偏长。综上所述,LiDAR倾角三维模型相比于传统倾角三维模型的成本还要高。

4结束语

实景三维建模技术是随着时代发展趋势的技术,包含了时代的发展动力,也包含了当代社会发展的现状和进程。在其自身发展的过程中，伴随时代的需求，也早已成为了业界的主流展现形式。在实景三维建模技术的运用过程,是对城市规划的集中体现,也是对于科技和时代发展的最好时期和发展阶段。 而三维建模则广泛应用于社会的各个领域当中，成为了现代社会视觉文化的重要组成之一，而三维建模的发展需要与传统的手绘技术相结合，并且在制作质量上需要得到一定的提升，不仅仅是科技的进步，文化和思想也需要进步。相信在不久的将来，实景三维建模技术会为我们展现出更为庞大的效果的设计，丰富制作，呈现出丰富的内涵及外延。

参考文献：

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