淺談三維地形建模系統(tǒng)及無人機在單體建筑建模中的應(yīng)用

1 引言

地理信息系統(tǒng)(GIS)技術(shù)隨著時代的發(fā)展被賦予了不同的時代內(nèi)涵，隨著時代的變遷無時無刻不在發(fā)生著深刻的變革，伴隨著“數(shù)字地球”建設(shè)和虛擬現(xiàn)實(Virtual Reality)技術(shù)從無到有的快速蓬勃發(fā)展，地理信息系統(tǒng)技術(shù)從傳統(tǒng)的描繪二維世界，已遠遠不能滿足當今社會發(fā)展的需求，三維(3D)地理信 息系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)運而生，這種新的三維建模系統(tǒng)具備更加強大的空間信息處理和分析能力，使得地理信息表現(xiàn)形式更加豐富多彩，并且直觀逼真。在無人機 被應(yīng)用于三維建模之前，通常是利用衛(wèi)星或者載人航空技術(shù)提供的遙感資料進行三維建模，利用這兩種方法建立的三維地形模型有很多局限性，比如成本昂貴、實時性較差等。而無人機技術(shù)的日新月異以及無人機市場的逐漸成熟讓無人機的應(yīng)用越來越廣泛，無人機從最初的種類和用途單一到現(xiàn)如今的種類繁多以及功能多樣，這給無人機進行三維地形建模帶來了無限生機。利用無人機遙感所提供的影像 數(shù)據(jù)進行三維地形建模，在試驗中收獲了良好的效果，虛擬現(xiàn)實更加清晰、栩栩如生。本文從三維地形建模系統(tǒng)和無人機在單體建筑建模中的應(yīng)用進行探討。

2 三維地形建模系統(tǒng)

在地理信息的實際應(yīng)用過程中，三維地形建模所提供的可視化專題地圖，反映的地理信息狀況更加完善、科學、有效，打破傳統(tǒng)二維工作模式的束縛， 能夠極大提高工作效率。三維地形建模系統(tǒng)通常由五個步驟組成，第一步是利用衛(wèi)星或者載人航空或者無人機提供的遙感影像獲取最原始的數(shù)據(jù)資料， 一般這些數(shù)據(jù)都需要進行預(yù)處理，因為無人機遙感本身或者飛行時的姿態(tài)會導(dǎo)致影像外部幾何變形， 因此需要對原始影像數(shù)據(jù)進行變形糾正，幾何變形糾正一般是通過參照大比例尺的地形圖數(shù)據(jù)，有一些是通過參照實地測量控制點坐標，這一步完了之后利用相關(guān)的圖像處理軟件，對所獲取的影像進行光譜補償和鑲嵌拼接;第二步是把影像數(shù)據(jù)分割成不同的子區(qū)域，用來表示目標對象的各個表面，這種影像數(shù)據(jù)分割可以基于好幾種不同的算法，比如基于邊界檢測和基于表面提取的算法等;第三步的目的是為了獲取目標完整的三維信息，這就需要從不同的角度或者視點進行觀測，獲取相應(yīng)的距離圖像， 最后再將這些距離圖像進行深度融合，建立目標對象的立體三維模型，即距離圖像的配準;第四步和第五步是進行幾何建模和紋理建模。一般是運用 2D 光學圖像和 3D 距離圖像獲取周圍目標對象的三維地理采樣信息，進而重構(gòu)目標三維立體模型。在這五個步驟當中，距離圖像分割和配準是最關(guān)鍵的兩步， 直接影響最終建立的三維模型質(zhì)量，由于距離圖像分割和配準基于的一些算法精度不是很理想，導(dǎo)致三維建模仍然有很大的提升空間。

3 無人機在單體建筑建模中的應(yīng)用

隨著無人機技術(shù)的快速發(fā)展，無人機越來越多地被應(yīng)用于無人機遙感領(lǐng)域，從而進行三維建模。由于無人機一般都是進行低空飛行，因此無人機遙感技術(shù)主要是應(yīng)用于獲取一些近地表目標物的信息， 比如單體建筑物。無人機遙感技術(shù)作為一種新興遙感技術(shù)，具有較強的時效性，成本低廉以及安全的優(yōu)勢，發(fā)展?jié)摿^大，世界各國投入了大量的人力物力財力在無人機遙感的開發(fā)與應(yīng)用上面。下面就簡單探討一下無人機在單體建筑建模中的應(yīng)用。

利用無人機對單體建筑物進行三維建模過程中，由于無人機的航線一般是在二維尺度上，為了能夠?qū)θS立體建筑物進行全覆蓋，無人機的航線在規(guī)劃時就需要從二維擴展到三維尺度上。目前測繪行業(yè)應(yīng)用最廣的三維建模方法為航空傾斜攝影測量，但由于攝影角度并非可以隨時進行調(diào)節(jié)，相對來說比較固定，因此存在一定程度的盲區(qū)，這就直接導(dǎo)致了獲得的單體建筑物三維信息存在缺失。業(yè)內(nèi)利用無人機遙感獲取的三維信息主要有兩種，這兩種方法分別為近景攝影測量和航空攝影測量，無論哪一種，各有利弊。近景攝影測量由于距離較近，因此獲取的建筑物三維信息精度比較高，缺點在于花費的時間成本較高以及無法獲取建筑物頂面的三維信息。航空攝影測量獲得的建筑物三維信息所需的時間較短，不足之處是經(jīng)濟成本較高并且不能完整地收集建筑物側(cè)面信息。如果能夠?qū)⑦@兩種方法綜合使用，取長補短，并且合理設(shè)計無人機三維航線，則可以大大提高三維建模的質(zhì)量與效率。

利用無人機遙感對單體建筑進行三維建模一般由四個環(huán)節(jié)組成，首先啟動程序環(huán)節(jié)，輸入建筑物高度、相機參數(shù)等初始數(shù)據(jù);然后程序自動規(guī)劃出三維航線;之后無人機飛行進入工作狀態(tài)，對單體建筑物進行拍照以獲取相應(yīng)的圖像資料;最后對獲取的一手影像資料進行處理并建模。比較關(guān)鍵的一個環(huán)節(jié)在于三維航線的規(guī)劃，因為在實際應(yīng)用過程中，三維建模的對象很多并非是簡單規(guī)則的單體建筑物，這給全面獲取其信息造成了很大的困難，這就要求無人機從不同角度進行觀測并拍照，如果無人機飛行過程中只攜帶了一個相機的話，航線規(guī)劃要考慮到三個方面，分別是側(cè)面與頂面、面與面銜接處、底邊優(yōu)化的航線規(guī)劃。經(jīng)試驗論證這種方案可行性很高， 能夠較全面完整地獲取單體建筑的三維信息，并為三維建模提供精確可靠的一手遙感影像資料。

4 結(jié)束語

本文主要簡述了三維地形建模系統(tǒng)的五個工作步驟，分別為數(shù)據(jù)獲取、圖像分割、圖像配準、幾何建模以及紋理建模。這五個工作步驟環(huán)環(huán)相扣，相輔相成，其中最為關(guān)鍵的兩步是距離圖像的分割和距離圖像的配準，這直接影響著最終建立的三維地形模型的質(zhì)量，在實際工作當中，我們都需要高度重視。隨著地理信息科學及相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，遙感影像數(shù)據(jù)對于世界各國的重要性不言而喻，另外由于無人機遙感在單體建筑建模中擁有著得天獨厚的優(yōu)勢， 特別是針對世界上一些不發(fā)達國家，無力支撐起資金以及技術(shù)投入巨大的航空航天領(lǐng)域，但無人機遙感平臺的出現(xiàn)為這種尷尬的局面提供了一種全新的思路，因其成本較低，精度較高、操作簡單、對工作環(huán)境要求不是很苛刻、靈活機動等優(yōu)勢，合理規(guī)劃無人機的三維航線，就能夠提供完整的建筑物三維地理信息，十分有利于單體建筑的精細化建模，未來針對單體建筑三維建模中潛力很大。