劉錕銘，唐 敏，李永樹，李 政，郭加偉

(1.西南交通大學 地球科學與環(huán)境工程學院，四川 成都 610031；2.中鐵二院工程集團有限責任公司，四川 成都 610031)

基于無人機影像自動恢復三維場景系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的設(shè)計與實現(xiàn)

劉錕銘1，唐 敏2，李永樹1，李 政1，郭加偉1

(1.西南交通大學 地球科學與環(huán)境工程學院，四川 成都 610031；2.中鐵二院工程集團有限責任公司，四川 成都 610031)

無人機影像自動恢復三維場景所需的數(shù)據(jù)種類多、數(shù)據(jù)量大、結(jié)構(gòu)復雜，如何高效一體化組織管理數(shù)據(jù)成為恢復三維場景系統(tǒng)的關(guān)鍵。從數(shù)據(jù)庫的概念模型、邏輯模型和物理模型出發(fā)，開發(fā)一套高效的三維場景數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，根據(jù)地物的特點對地物模型設(shè)置點位坐標和方位坐標，并設(shè)計出相應(yīng)的數(shù)據(jù)存儲表結(jié)構(gòu)，有效解決地物模型自動精確置入地形模型的問題。最后通過海南省某條鐵路線段數(shù)據(jù)進行驗證，實驗結(jié)果表明該數(shù)據(jù)庫的有效性。

三維場景；數(shù)據(jù)庫；建模；無人機影像

無人機遙感系統(tǒng)具有成本低、機動靈活、攜帶方便、適宜高危地區(qū)勘測的特點，對載人飛機、航空遙感和衛(wèi)星遙感進行有效的補充，具有廣泛的市場開發(fā)前景[1-2]。隨著立體視覺三維重建技術(shù)的發(fā)展，人們對測量精度、測量范圍、操作復雜度、經(jīng)濟效益及自動化程度等方面提出更高的要求。如何結(jié)合序列無人機影像，建立一套自動高效的精細化三維場景系統(tǒng)具有重要而深遠的意義。由于無人機影像數(shù)量級達到TB級以上，生產(chǎn)的產(chǎn)品差異較大，而且地物種類繁多，大小各異，每個地物要求精細化建模程度也不一樣。因此造成基于無人機影像恢復三維場景的數(shù)據(jù)具有海量性和復雜性等特點，這些數(shù)據(jù)特征影響數(shù)據(jù)的存儲與管理，因此良好的數(shù)據(jù)庫設(shè)計是高效組織與管理數(shù)據(jù)和實現(xiàn)自動恢復三維場景的關(guān)鍵。

目前三維建模數(shù)據(jù)庫大部分都針對特定領(lǐng)域的數(shù)據(jù)，其通用性與擴展性不強[3]。李強等運用IDL交互式數(shù)據(jù)語言實現(xiàn)了數(shù)據(jù)庫中圖像的查詢、檢索、顯示、分析等[4]；袁偉韜等以O(shè)racel數(shù)據(jù)庫為平臺，提出利用Spatial結(jié)合傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫索引B樹和hash結(jié)構(gòu)，以及基于線性四叉樹空間數(shù)據(jù)庫的索引機制對點云數(shù)據(jù)進行組織管理[5]。張為等通過界址模型制作、建筑模型制作和數(shù)據(jù)檢查及入庫等手段，來建設(shè)三維地籍數(shù)據(jù)庫[6]。許平等對我國林地現(xiàn)狀和布局的空間數(shù)據(jù)和矢量數(shù)據(jù)按照統(tǒng)一規(guī)范和標準進行采集、組織和管理，從而完成林地“一張圖”數(shù)據(jù)庫的建設(shè)[7]。

本文根據(jù)DOM、DEM、點云、紋理、三維模型、地形模型等數(shù)據(jù)的特性，對三維場景系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫從概念模型、邏輯模型和物理模型進行設(shè)計[8]，結(jié)合SQLServer數(shù)據(jù)庫開發(fā)出一套高效一體化的自動三維場景數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，從而實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的有效存儲與管理，提高三維場景系統(tǒng)的運行效率，并對恢復的三維場景進行可視化。

1 數(shù)據(jù)庫的總體設(shè)計與實現(xiàn)

1.1 概念模型

針對無人機影像自動恢復三維場景系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的特點，從概念上建立對三維場景系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的表達模型。數(shù)據(jù)庫通過專題層、表達層和幾何層3個層次進行完整的表達，圖1為數(shù)據(jù)庫的總體設(shè)計思想，其中，▽表示對象之間的繼承關(guān)系，◇表示組成關(guān)系，“1 1..*”表示一對多關(guān)系。

圖1 三維場景系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫概念模型

在專題層，地形和地物同構(gòu)成系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的專題內(nèi)容。三維地形建模是恢復三維場景的基礎(chǔ)性工作，主要通過DOM疊加到DEM上實現(xiàn)地形的可視化。在三維場景系統(tǒng)中，需要表達的地物主要包括：建筑物、道路網(wǎng)絡(luò)和其他設(shè)施。根據(jù)需求將地物類別分成簡單地物與復雜地物，簡單地物利用參數(shù)化建模方法批量生成并存儲，復雜地物由于表達較精細，繼承性和可復用性較弱，需要用3D MAX三維建模軟件去構(gòu)建。在表達層，由無人機影像構(gòu)建好的三維模型組成三維對象，并通過LOD對象實現(xiàn)三維對象的多尺度表達。在幾何層，面要素的模型主要有：格網(wǎng)結(jié)構(gòu)(Grid)、邊界表示(BR)法、不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)等，體要素的模型主要有：3D柵格(array)、四面體格網(wǎng)(TEN)、八叉樹(Octree)、結(jié)構(gòu)實體幾何法(CSG)等，本文通過點、線、面、體等幾何要素實現(xiàn)三維對象的表達。

1.2 邏輯模型設(shè)計

為了提高無人機影像自動恢復三維場景系統(tǒng)運行效率，實現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的有序組織，需要對數(shù)據(jù)庫進行邏輯模型設(shè)計。圖2為系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的邏輯模型，該模型的設(shè)計按照存儲數(shù)據(jù)類型可以分成地形數(shù)據(jù)庫、紋理數(shù)據(jù)庫和三維模型數(shù)據(jù)庫。地形數(shù)據(jù)庫由數(shù)字高程模型與DOM組成，其中，DOM不僅可以作為地形模型和地物模型頂面的紋理，還可以用來觀察地物的頂面，分析地物的幾何特征，為后續(xù)的建模提供重要的模型框架。

圖2 三維場景系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫邏輯模型

在模型中添加紋理使模型更加形象，同時增加模型的逼真程度。三維場景里的地物大小各異，詳盡不同，如果所有地物模型都采用實地采集的紋理將會增加系統(tǒng)的冗余度，降低系統(tǒng)運行效率，同時也沒有實際意義。并且每個地物模型的重要程度和需要表達的詳盡程度都不一樣，因此一些重要地物采用實地采集的紋理，一般地物調(diào)用公共紋理庫的紋理，這樣可以最大程度地減少資源的投入。紋理數(shù)據(jù)的來源包括無人機影像處理得到的數(shù)字正射影像、野外數(shù)碼相機拍攝的紋理以及公共紋理庫的紋理。

三維模型數(shù)據(jù)庫是三維場景系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的核心，因為地物模型的建模、存儲、管理和展示都與三維模型數(shù)據(jù)庫有關(guān)，并且三維模型數(shù)據(jù)庫設(shè)計直接影響到系統(tǒng)的運行效率。地物的重要程度和需要表達的詳盡程度除了通過紋理還可以通過建模的方式來控制。簡單模型的構(gòu)建采用參數(shù)化建模方法，這種方法繼承性與可復用性較高，可以實現(xiàn)批量建模。復雜模型采用專業(yè)的建模軟件構(gòu)建，構(gòu)建的三維模型繼承性與可復用性都比較差，適合構(gòu)建復雜地物。三維場景需要恢復的地物包括：建筑物、道路網(wǎng)絡(luò)和其他設(shè)施，建筑物按照功能分成居住建筑、公共建筑、工業(yè)建筑和農(nóng)業(yè)建筑等；道路網(wǎng)絡(luò)按照功能分成橋梁、隧道、涵洞、鐵路和交通燈等；其他設(shè)施包括植被、雕塑等等。

1.3 物理模型設(shè)計

針對地形數(shù)據(jù)庫、紋理數(shù)據(jù)庫和三維模型數(shù)據(jù)庫在數(shù)據(jù)存儲環(huán)境及數(shù)據(jù)管理上的差異，分別設(shè)計不同的物理存儲方式。地形數(shù)據(jù)庫主要由DEM數(shù)據(jù)集和DOM數(shù)據(jù)集組成，由于DEM和DOM數(shù)據(jù)存儲量巨大，需將DEM數(shù)據(jù)集和DOM數(shù)據(jù)集按照“金字塔分層+均勻分塊”[9-11]的技術(shù)進行存儲管理，并建立明確的映射關(guān)系，地形的三維重建正是將多個DEM金字塔層數(shù)據(jù)集和多個DOM金字塔層數(shù)據(jù)集按照建立好的映射關(guān)系進行疊加顯示。

紋理數(shù)據(jù)庫存儲的主要是模型的紋理，但是地物種類繁多、差異較大的特性導致紋理數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)量巨大，本文采用紋理名稱文件與紋理文件映射的方法來管理紋理數(shù)據(jù)，可以實現(xiàn)屬性信息和位置信息等多種查詢。貼圖紋理的命名要求唯一性，采用“地區(qū)_地物類別_地物名稱_地物具體面”的方式命名，如“成都_建筑物_人字形房屋_左側(cè)面”。

三維模型數(shù)據(jù)庫的設(shè)計包括簡單模型的構(gòu)建、存儲與復雜模型的修改、存儲。三維場景系統(tǒng)采用DirectX作為圖形渲染API，模型文件格式采用微軟常用的“.X文件”格式，即模型紋理文件與模型文件分開存儲，這樣不但可以減少資源的使用，還能提高模型渲染效率。為了提高模型管理，查詢和檢索的效率，對模型的存儲進行了設(shè)計，其中ID為模型編號，Name為模型名稱，Type為模型種類，Properly為模型屬性描述，Model為模型文件，Texture為映射到紋理數(shù)據(jù)庫的路徑。

2 三維建模系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫關(guān)鍵技術(shù)

2.1 簡單模型的構(gòu)建與表結(jié)構(gòu)設(shè)計

簡單地物采用參數(shù)化建模方法批量生成并存儲，此處采用基于圓柱投影的參數(shù)化建模方法[12]?；谥嫱队癧13]的參數(shù)化建模是根據(jù)點云數(shù)據(jù)和DOM獲取地物點參數(shù)信息，通過地物點的參數(shù)信息反解地物的三維空間數(shù)據(jù)，將三維空間數(shù)據(jù)投影到平面上進行Delaunay三角形平面構(gòu)網(wǎng)，利用平面上的拓撲信息映射到三維空間，最終達到建模目的。為了使簡單地物能夠批量生成并自動精確置入地形模型中，需要對構(gòu)建地物模型的參數(shù)數(shù)據(jù)進行表結(jié)構(gòu)存儲設(shè)計。

構(gòu)建好的地物模型如果不進行方位調(diào)整，置入地形模型中的位置是隨機的。如圖3所示，地物B為置入地形模型中的隨機位置，它是通過Lenght，Width，Height，a(Point_1)等參數(shù)構(gòu)建的地物模型，它沒有進行方位坐標的設(shè)計，地物A為地形模型中的真實位置，a，b，c與a′，b′，c′分別為地物A與地物B對應(yīng)的坐標點。為了使構(gòu)建好的地物能夠自動精確置入地形模型中，需要增加一個坐標方位點進行控制，如圖3點b即為選擇好的坐標方位點，利用式(1)求出點c′坐標，同理，地物其他點坐標根據(jù)參數(shù)求出。此時，忽略影像誤差和量測誤差的影響，b點c點將會與b′點c′點重合，即地物可以精確置入地形模型中。

圖3 地物方位坐標的設(shè)計

(1)

根據(jù)上述原則，對人字形房屋模型的構(gòu)建進行表結(jié)構(gòu)設(shè)計，其中ID表示模型的編號，Point_1，Length，Width，Height，Slant_height為模型構(gòu)建參數(shù)，Point_2為確定房屋方位的點坐標，Texture為映射到紋理數(shù)據(jù)庫的路徑。將人字形房屋的建模數(shù)據(jù)錄入數(shù)據(jù)庫便可批量生產(chǎn)模型，并可根據(jù)點位坐標與方位坐標自動精確置入地形模型中。

2.2 復雜地物模型置入場景的表結(jié)構(gòu)設(shè)計

以3DMAX為平臺進行復雜地物三維模型的構(gòu)建，導入數(shù)據(jù)庫進行坐標方位設(shè)計，使模型自動精準地置入地形模型中。在3DMAX構(gòu)建模型時設(shè)定以模型鉛垂線上的點為建模坐標的原點，沿模型任意一角點方向為建模坐標系的y軸，形成右手坐標系，這樣在調(diào)整模型方位時可以避免平移操作，減少計算量。通過DOM或?qū)嵉亓繙y得到該原點和角點對應(yīng)的大地坐標，通過此步驟可以解決不可復用性地物的模型置入問題，如地方性火車站、標志性建筑物等。具有可復用性且不對稱地物的模型需要進一步確定模型方位，如接觸網(wǎng)桿、路燈等。圖4(a)為鐵路兩旁接觸網(wǎng)桿的正確位置，圖4(b)，(c)，(d)為可能出現(xiàn)的錯誤位置，置入場景后還需判斷模型是否旋轉(zhuǎn)180°。

圖4 接觸網(wǎng)桿

對于這類具有可復用性且不對稱的地物模型，在量測原點和角點對應(yīng)的大地坐標時，需額外量測從原點沿角點方向的任意點作為模型是否旋轉(zhuǎn)的判斷點。假定原點對應(yīng)的大地坐標為Point_1，角點對應(yīng)的大地坐標為Point_2，判斷點對應(yīng)的大地坐標為Point_3，對應(yīng)的判斷參數(shù)為Whril。如果式(2)成立，Whril為0，即不旋轉(zhuǎn)；否則Whril為1，旋轉(zhuǎn)。基于上述原則，設(shè)計出如表1的復雜地物模型置入場景的表結(jié)構(gòu)。其中ID為地物編號，Type為地物類型，Point_1、Point_2為地物坐標，Point_3為判斷點，為空值，即不進行判斷，Texture為模型紋理，Whril為判斷參數(shù)。

(2)

表1 復雜地物模型置入場景的表結(jié)構(gòu)設(shè)計

3 數(shù)據(jù)入庫與讀取及三維場景顯示

3.1 數(shù)據(jù)整理與編輯入庫

以某條鐵路段為例，鐵路全長51.9 km，從鐵路中線向兩旁各延伸500 m區(qū)域進行三維場景的恢復。實驗數(shù)據(jù)為2015年拍攝的序列無人機影像，其分辨率為0.02 m，經(jīng)過處理得到DOM，DEM和點云數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)大小分別為258 G，7.48 G和25.8 G。紋理數(shù)據(jù)為后期野外采集的影像和部分公共紋理庫的紋理，總數(shù)約為16 000張。

將采集的紋理編輯整理錄入紋理數(shù)據(jù)庫，同時將DOM，DEM數(shù)據(jù)生成金字塔文件并均勻分割成8塊區(qū)域錄入地形數(shù)據(jù)庫。對于簡單地物模型，通過點云數(shù)據(jù)量測地物特征點坐標來獲取模型參數(shù)，并將參數(shù)錄入三維模型數(shù)據(jù)庫，利用參數(shù)化建模方法批量構(gòu)建地物模型并存儲。對于復雜地物模型，用3DMAX實現(xiàn)模型的構(gòu)建，并將模型編輯整理錄入三維模型數(shù)據(jù)庫。

3.2 數(shù)據(jù)庫的批量讀取

三維場景的恢復需要把地物模型置入地形模型中，讀取相應(yīng)地區(qū)的DEM，用紋理映射技術(shù)將DOM與地形疊加顯示生成地形模型，再讀取模型位置表即可將模型批量置入。復雜地物模型按照表1數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)生成相應(yīng)的模型位置表，如圖5為部分地物模型位置表，通過Point_1、Point_2和Point_3字段就可將模型自動精確置入地形模型中。利用參數(shù)化建模方法構(gòu)建的地物模型可直接置入地形模型中。

圖5 地物模型位置表

3.3 三維場景顯示

通過三維場景數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)將上述數(shù)據(jù)采用SQLServer數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)編輯入庫，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的一體化管理與建庫，總共恢復地物模型為8 000個，將DOM與DEM疊加得到單位為700×1 000 m2的8個地形模型。如圖6(a)為單位區(qū)域的DOM，圖6(b)為對應(yīng)恢復的單位區(qū)域三維場景。如圖7(a)為單個地物的DOM，圖7(b)為對應(yīng)恢復的公路橋梁、火車站廣場與火車站、人字形房屋和欄桿，通過圖7(b)可以看出，除去影像處理誤差和量測誤差的影響，地物模型置入場景中的位置與DOM基本疊合。

圖6 DOM與恢復的三維場景對比

圖7 DOM與模型置入位置對比

4 結(jié) 論

本文對如何利用無人機影像自動恢復三維場景系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫進行詳細分析，對系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的概念模型、邏輯模型、物理模型進行設(shè)計，實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲、管理的一體化。根據(jù)地物的復雜程度，運用基于圓柱投影的參數(shù)化建模方法和3D MAX建模方法對地物進行建模，同時為地物模型的存儲設(shè)計相應(yīng)的表結(jié)構(gòu)。采用參數(shù)化建模的規(guī)則和設(shè)定建模世界坐標系的方法，對點位坐標與方位坐標進行設(shè)計，使地物模型能夠自動精確的批量化置入地形模型中，實現(xiàn)基于無人機影像自動恢復三維場景系數(shù)數(shù)據(jù)庫的設(shè)計，可以實現(xiàn)復雜場景中三維場景的快速重建。并結(jié)合海南省某條鐵路線段進行恢復三維場景的實驗，驗證三維場景數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的有效性。

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[責任編輯：李銘娜]

Design and realization of UAV image automatically recovering 3D scene system database

LIU Kunming1, TANG Min2, LI Yongshu1, LI Zheng1, GUO Jiawei1

(1.School of Earth Sciences and Environmental Engineering,Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031,China;2.China Railway No. Two Bureau Engineering Group Co.Ltd,Chengdu 610031,China)

UAV image can automatically recover 3D scene, which needs a large variety and number of data, and complicated structure, And to organize and manage data in hige efficience and integration becomes the key to recover the 3D scene system. This paper, starting from analysis of concept model,logical model and physical model of database, designs an efficient management system for 3D scene database. According to the characteristics of ground object, it sets point coordinate and azimuth coordinate of terrain model, and devises a corresponding data storage table structure. By this way, it can help ground object model imbedded into terrain model automatically and accurately. Finally the data in some railway of Hainan Province are used to verify the validity of this database.

3D scene; database; modeling; UAV image

引用著錄：劉錕銘，唐敏，李永樹，等.基于無人機影像自動恢復三維場景系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的設(shè)計與實現(xiàn)[J].測繪工程，2017，26(6)：60-65.

10.19349/j.cnki.issn1006-7949.2017.06.011

2016-05-23；

2016-06-28

國家“十二五”科技支撐計劃課題(2014BAL01B04)；四川省教育廳自然科學項目(15ZB0453)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金資助(2682013ZT26)；國土資源部地學空間信息技術(shù)重點實驗室開放基金支持(KLGSIT2015-03)

劉錕銘(1992-)，男，碩士研究生.

P208

A

1006-7949(2017)06-0060-06