劉曉菲 湯慶霞 豐會(huì)民

【摘要】隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，我國(guó)各個(gè)行業(yè)的發(fā)展也有了長(zhǎng)足進(jìn)步。針對(duì)建筑行業(yè)的三維建模來(lái)說(shuō)，也有更多可以利用的方法技術(shù)。就目前的無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)來(lái)說(shuō)，它具有非接觸測(cè)量、效率高以及信息豐富等多種有點(diǎn)。并且，在數(shù)字城市的建設(shè)中能夠發(fā)揮巨大的作用。利用無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)進(jìn)行建筑物的三維建模更是目前所研究的重點(diǎn)。借助于無(wú)人機(jī)對(duì)建筑物的屋頂以及墻面的掃描形成影像并進(jìn)行密集點(diǎn)云的生成匹配，然后，進(jìn)一步進(jìn)行點(diǎn)云的預(yù)處理，最后進(jìn)行三角網(wǎng)構(gòu)建，形成精細(xì)的建筑物模型。故，基于無(wú)人機(jī)技術(shù)的建筑物三維建模能夠成功實(shí)現(xiàn)。

【關(guān)鍵詞】無(wú)人機(jī);影像匹配;建筑物三維建模

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021.

10.129

時(shí)代在不斷的發(fā)展，人們對(duì)于信息的獲取也趨近于更加多元豐富的一面。三維空間信息技術(shù)的發(fā)展如今也是炙手可熱。就傳統(tǒng)的二維平面圖而言，其承載的信息量較少，所能夠表達(dá)的空間信息也是十分有限。因此，人們針對(duì)建筑空間的信息獲取則更加傾向于三維建模，利用三維圖形獲取更加直觀的空間感受。故，針對(duì)三維空間信息建設(shè)以及三維模型的構(gòu)建應(yīng)當(dāng)展開(kāi)深入的研究。通常來(lái)說(shuō)，三維建模是基于攝影測(cè)量以及三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行開(kāi)展的。利用三維激光掃描技術(shù)來(lái)獲取建筑物的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，從而進(jìn)行建筑物的三維模型構(gòu)建。而無(wú)人機(jī)成本低、操作簡(jiǎn)單靈活、受天氣等因素的影響較小，故利用無(wú)人機(jī)進(jìn)行小區(qū)域的航空影響獲取是十分方便快捷的。目前，不論是國(guó)內(nèi)還是國(guó)外，都針對(duì)建筑物的三維建模有了一定的研究。故，本次針對(duì)某建筑無(wú)進(jìn)行研究，基于無(wú)人機(jī)影像技術(shù)的建筑物三維模型構(gòu)建方法進(jìn)行研究。

1、無(wú)人機(jī)影像與激光點(diǎn)云匹配

本次所研究的建筑物為某小學(xué)教學(xué)樓，其建筑表面色彩艷麗，且紋理豐富。該建筑物存在一定的遮擋，遮擋范圍較小。故利用無(wú)人機(jī)進(jìn)行屋頂以及大部分墻面的影像拍攝;其余被遮擋部分則利用地面激光掃描儀進(jìn)行影像獲取。

1.1屋頂影像密集點(diǎn)云生成

本次研究所用無(wú)人機(jī)為大疆無(wú)人機(jī)及自帶相機(jī)。利用無(wú)人機(jī)對(duì)教學(xué)樓的屋頂進(jìn)行連續(xù)拍攝獲取影像，其鏡頭需要垂直向下。與傳統(tǒng)的航拍取影相比，無(wú)人機(jī)的要求則更為寬松。故，利用無(wú)人機(jī)拍攝到50張像素大小為4000*3000的屋頂與墻面影像。隨后，再利用PhotoScan軟件進(jìn)行屋頂與墻面影像的密集點(diǎn)云匹配與生成。

1.2墻面影像密集點(diǎn)云生成

現(xiàn)以東立面墻面為例，利用無(wú)人機(jī)進(jìn)行航帶法垂直拍攝。隨后，利用PhotoScan軟件進(jìn)行東立面墻面的影像密集點(diǎn)云的匹配與生成。但是，利用無(wú)人機(jī)進(jìn)行航帶法進(jìn)行攝影同樣存在一定的問(wèn)題。例如，無(wú)人機(jī)的GPS定位系統(tǒng)定位精準(zhǔn)度較差。在利于無(wú)人機(jī)進(jìn)行影像獲取時(shí)還需要外加一個(gè)控制點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)的控制，進(jìn)而得到東立面的墻面密集點(diǎn)云。如此所獲得的墻面密集點(diǎn)云能夠很好的還原墻面的形狀以及色彩等信息元素。

1.3墻面密集點(diǎn)云空洞修補(bǔ)

1.3.1墻面密集點(diǎn)云空洞修補(bǔ)

利用無(wú)人機(jī)進(jìn)行影像的獲取以及密集點(diǎn)云的匹配與生成后，所獲得的密集點(diǎn)云能夠大致呈現(xiàn)出教學(xué)樓的形狀等。但是，由于教學(xué)樓仍舊存在一定的遮擋，密集點(diǎn)云中會(huì)有一些空洞。這些空洞的出現(xiàn)就給教學(xué)樓等建筑物的建模帶來(lái)一定的困難。此時(shí)，需要利用ICP算法對(duì)這些漏洞空間進(jìn)行匹配。

1.3.2建筑物屋頂點(diǎn)云與墻面點(diǎn)云拼接

同樣是無(wú)人機(jī)的GPS定位問(wèn)題，建筑物的屋頂點(diǎn)云所生成的比例尺是有差距的。對(duì)此，最簡(jiǎn)單的解決辦法就是通過(guò)測(cè)量屋頂?shù)拈L(zhǎng)款距離進(jìn)行進(jìn)一步匹配。利用測(cè)量值對(duì)所生成的點(diǎn)云進(jìn)行比例尺的換算，從而進(jìn)一步生成更加精準(zhǔn)的三維點(diǎn)云圖像。

2、建筑物的三維模型重建

2.1點(diǎn)云數(shù)據(jù)的預(yù)處理

上述操作中所形成的密集點(diǎn)云在建筑物的三維模型重建工作還無(wú)法直接進(jìn)行利用。針對(duì)所生成的密集點(diǎn)云需要進(jìn)行建模前的預(yù)處理，如：點(diǎn)云壓縮、網(wǎng)格數(shù)據(jù)的生成等。針對(duì)點(diǎn)云壓縮通?？梢圆捎镁鶆虿蓸臃ā⑵骄嘀捣ǖ?。經(jīng)過(guò)壓縮后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)可結(jié)合Delaunay三角剖分法進(jìn)行墻面網(wǎng)格的創(chuàng)建。

2.2建筑物三維建模

通過(guò)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的預(yù)處理以及三角網(wǎng)格的建立可以得到一個(gè)墻面的三角網(wǎng)格圖。在三角網(wǎng)格圖的幫助下能夠展現(xiàn)出建筑物的一些外觀特征等。然而，針對(duì)一些外形規(guī)整方正的建筑物來(lái)說(shuō)，該方法所呈現(xiàn)出來(lái)的建筑物效果并不是十分良好。因此，再利用3D Max軟件對(duì)教學(xué)樓的模型進(jìn)一步進(jìn)行精細(xì)建模，從而得到教學(xué)樓的三維模型。

針對(duì)建筑物的墻體來(lái)說(shuō)，在進(jìn)行建模的過(guò)程中需要將該部分進(jìn)行凍結(jié)，其他暫時(shí)不需要展示的部位等也可以先進(jìn)行隱藏。隨后，再利用圖像進(jìn)行建模。建筑物的各建筑構(gòu)件的三維模型構(gòu)建時(shí)，則可以同樣的手法進(jìn)行構(gòu)建，將建筑物中會(huì)出現(xiàn)的門(mén)窗、雕花以及斗拱等等構(gòu)建出來(lái)。在此過(guò)程中，注意這些構(gòu)建的尺寸以及厚度等等，形成相應(yīng)的體量關(guān)系。

2.3建筑物模型質(zhì)量評(píng)價(jià)

關(guān)于基于無(wú)人機(jī)技術(shù)的建筑物三維建模來(lái)說(shuō)，其中仍舊需要注意的點(diǎn)有很多。首先，在此方法技術(shù)下所建立的三維模型是對(duì)影像的利用以及點(diǎn)云數(shù)據(jù)的計(jì)算所得來(lái)的。但是，圖像采集儀器所采集到的數(shù)據(jù)等往往存在不確定性。因此，在整個(gè)建筑物的三維建模過(guò)程中，從原始數(shù)據(jù)的采集到數(shù)據(jù)預(yù)處理以及建模等階段來(lái)看，該技術(shù)的不確定性一直存在，影響著建模的精確度。所以，往往最后利用該技術(shù)進(jìn)行建筑物的三維建模搜到精度的影響有所損失。因此，利用無(wú)人機(jī)技術(shù)進(jìn)行建筑物的三維建模所得到的建筑物模型通?？梢越普鎸?shí)反映建筑物的外形特征等，但對(duì)于建筑物的實(shí)際情況等則不能完全真實(shí)地呈現(xiàn)出來(lái)。對(duì)此，建筑物的三維模型則需要再一次進(jìn)行精度上的評(píng)價(jià)。利用距離法對(duì)建筑物進(jìn)行精度上的測(cè)量。通過(guò)比較建筑物的實(shí)際測(cè)量長(zhǎng)度與模型測(cè)量長(zhǎng)度進(jìn)行比較，差距較小，通常能滿(mǎn)足一般建筑物的建模要求。

結(jié)語(yǔ)：

本文針對(duì)無(wú)人機(jī)技術(shù)在建筑物的三維建模中的應(yīng)用進(jìn)行研究。利用無(wú)人機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過(guò)激光掃描等方法進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)的補(bǔ)充等。隨后，利用影像匹配以及密集點(diǎn)云的生成等為建筑物的三維建模打下基礎(chǔ)。針對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理從而進(jìn)一步開(kāi)展建筑物的三維模型的構(gòu)建得到三角網(wǎng)格圖像。最后，構(gòu)建較精細(xì)的建筑物模型還需要利用3D Max軟件進(jìn)行建模工作。通過(guò)建筑物模型的質(zhì)量評(píng)價(jià)，我們能夠知道：利用該技術(shù)方法所構(gòu)建的模型在一般條件能夠達(dá)到建模的要求，且建筑物質(zhì)量較為可靠。故，基于無(wú)人機(jī)技術(shù)的建筑物三維建模可適當(dāng)應(yīng)用與建筑行業(yè)中。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊存英.基于傾斜影像的建筑物提取與參數(shù)化三維重建[D].

[2]譚啟明.基于三維掃描和無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的古建BIM模型重構(gòu)應(yīng)用研究[J].安徽建筑，2020（9）.

[3]席敏哲.基于無(wú)人機(jī)傾斜影像的精細(xì)化三維模型構(gòu)建及智慧園區(qū)應(yīng)用研究[D].2020.

作者簡(jiǎn)介：

劉曉菲（1989.01-），性別：女，民族：漢，籍貫：山東昌邑，學(xué)歷：碩士研究生，職稱(chēng)：助教，研究方向：建筑、工程測(cè)量，單位：濟(jì)寧職業(yè)技術(shù)學(xué)院。