淺談實(shí)景三維模型可視化方法研究

李聰聰

（北京建筑大學(xué)，北京100044）

隨著智慧城市建設(shè)的不斷發(fā)展，計(jì)算機(jī)數(shù)字可視化和通信技術(shù)的不斷升級(jí)，城市管理體系不僅需要大數(shù)據(jù)支撐體系下的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析功能，更需要具有真實(shí)直觀效果的模擬場(chǎng)景。實(shí)景三維模型是智慧城市建設(shè)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，是智能化位置服務(wù)、場(chǎng)景化建筑設(shè)計(jì)和應(yīng)急保障服務(wù)的必備條件。本文基于應(yīng)用場(chǎng)景，對(duì)比分析了現(xiàn)階段實(shí)景三維模型的構(gòu)建方法，為智能化城市管理服務(wù)提供可行的參考依據(jù)。

1 實(shí)景三維模型應(yīng)用場(chǎng)景

實(shí)景三維模型的構(gòu)建和研究對(duì)于互聯(lián)網(wǎng)地圖的發(fā)展具有重大研究意義，為智慧城市實(shí)景地圖的可視化提供真實(shí)感強(qiáng)、模擬程度高的地圖服務(wù)數(shù)據(jù)。實(shí)景是基于對(duì)真實(shí)地物拍攝、數(shù)據(jù)抽象采集技術(shù)實(shí)現(xiàn)的可視化模擬形式。目前，國(guó)內(nèi)針對(duì)實(shí)景三維模型可視化的應(yīng)用主要體現(xiàn)在：城市實(shí)景、景點(diǎn)實(shí)景、實(shí)景商家、實(shí)景房產(chǎn)、室內(nèi)全景秀及校園實(shí)景等方面，但較為成熟的服務(wù)是城市實(shí)景和景點(diǎn)實(shí)景。

2 實(shí)景三維模型構(gòu)建方法

實(shí)景三維模型的構(gòu)建主要包含幾何模型的構(gòu)建和表面紋理的可視化，現(xiàn)階段的實(shí)景三維模型構(gòu)建主要分為傳統(tǒng)人工建模、傾斜攝影快速建模、激光點(diǎn)云成像建模、深度學(xué)習(xí)場(chǎng)景建模，本文將基于模型構(gòu)建方法和可視化場(chǎng)景進(jìn)行對(duì)比分析。

2.1 傳統(tǒng)手工建模

傳統(tǒng)意義上的實(shí)景三維模型構(gòu)建主要是通過人機(jī)交互的方法，將二維的紋理數(shù)據(jù)與三維的幾何模型進(jìn)行手動(dòng)匹配，以實(shí)現(xiàn)模型近乎真實(shí)的可視化效果。常用的手工建模方法主要是基于二維的AutoCAD 圖紙，利用三維模型構(gòu)建軟件進(jìn)行重構(gòu)。以3dmax 為代表，以大比例尺地形圖為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對(duì)城市景觀三維模型進(jìn)行對(duì)象化的人工構(gòu)建，再利用紋理采集的材質(zhì)貼圖數(shù)據(jù)對(duì)模型表面進(jìn)行紋理映射。這種方法構(gòu)建的模型成果精度較高，且滿足智慧城市建筑物單體化的GIS 操作和應(yīng)用，每一個(gè)模型對(duì)象成果和其它實(shí)體對(duì)象是分離開的。現(xiàn)階段隨著高精度的建筑信息模型BIM的發(fā)展和應(yīng)用，運(yùn)用該模型構(gòu)建的實(shí)景三維模型更加具備建筑物全要素?cái)?shù)據(jù)的構(gòu)建和存儲(chǔ)，對(duì)于消防應(yīng)急領(lǐng)域、房屋管道設(shè)計(jì)、建筑室內(nèi)導(dǎo)航等應(yīng)用廣泛。

2.2 傾斜攝影快速建模

隨著無人機(jī)設(shè)備的不斷發(fā)展與升級(jí)，五鏡頭攝影范圍及多視角拍攝的廣泛應(yīng)用，顛覆了以往正射影像只能從垂直角度拍攝的局限，利用傾斜攝影搜集地物場(chǎng)景影像數(shù)據(jù)并快速建模成為大面積實(shí)景三維模型構(gòu)建的關(guān)鍵技術(shù)。無人機(jī)傾斜影像快速建模是利用多視角且高重疊度的影像數(shù)據(jù)，通過空三密集點(diǎn)云處理技術(shù)，根據(jù)影像中物體的像點(diǎn)坐標(biāo)與相機(jī)焦點(diǎn)坐標(biāo)，匹配計(jì)算地物實(shí)際的物點(diǎn)坐標(biāo)，并按照相應(yīng)的地物坐標(biāo)系統(tǒng)構(gòu)建地物量測(cè)范圍內(nèi)的實(shí)景三維模型。常用的傾斜攝影模型快速構(gòu)建軟件有ContextCapture（原為Smart3D）、空客的街道工廠以及Skyline 的PhotoMesh 等。該方法模型構(gòu)建的速度快、可視化效果直觀，但構(gòu)建的模型為大區(qū)域的MESH 網(wǎng)，不具備地物單體化能力，適合應(yīng)用在量測(cè)范圍較廣、地物可視化程度高的大區(qū)域場(chǎng)景中。

2.3 三維激光掃描建模

三維激光掃描建模方法主要分為空基激光掃描和地基激光掃描這兩種方法，通過采集地物實(shí)體的點(diǎn)云數(shù)據(jù)信息和紋理數(shù)據(jù)信息，利用點(diǎn)云配準(zhǔn)、點(diǎn)云重建、點(diǎn)云分割、三維重建以及紋理映射，最終構(gòu)建出地物實(shí)體的實(shí)景三維模型。近年來，三維激光掃描技術(shù)由于其高精度的測(cè)量特點(diǎn)，在傳統(tǒng)的古建筑數(shù)字化模型構(gòu)建方法中得到了廣泛應(yīng)用。該方法構(gòu)建的實(shí)景模型較為精細(xì)，但由于工程造價(jià)成本較高，在實(shí)際應(yīng)用中難以得到大量推廣使用。

2.4 SLAM快速掃描建模

視覺SLAM 是近年來新興的測(cè)繪行業(yè)即時(shí)定位與地圖構(gòu)建，其最早使用在軍事化領(lǐng)域中，在現(xiàn)階段室內(nèi)定位與導(dǎo)航應(yīng)用中的研究較為廣泛。SLAM技術(shù)是利用機(jī)器人在未知環(huán)境中從一個(gè)未知位置開始移動(dòng), 在移動(dòng)過程中根據(jù)位置估計(jì)和地圖進(jìn)行自身定位，同時(shí)在自身定位的基礎(chǔ)上建造增量式地圖，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的自主定位和導(dǎo)航。該方法構(gòu)建的實(shí)景三維模型具有較高的精度和可視化效果，但由于SLAM建模依賴于濾波器的選擇，所以對(duì)于誤差需要進(jìn)行不同的檢測(cè)和改正方法。目前SLAM設(shè)備器材處于壟斷階段，具有較為昂貴的設(shè)計(jì)成本。

2.5 深度學(xué)習(xí)場(chǎng)景建模

利用深度學(xué)習(xí)算法進(jìn)行多視角重建是近年來計(jì)算機(jī)視覺領(lǐng)域中三維重建新興的實(shí)景模型構(gòu)建方法。其經(jīng)典的方法之一是多視角立體視覺（MVS,mutiple view stereo）,主要分為區(qū)域增長(zhǎng)和深度融合，利用CNN 模型進(jìn)行多幀的立體匹配，以實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)體地物的三維重建及可視化。該方法的精度較高，具有良好的可視化效果。

3 結(jié)論

實(shí)景三維模型作為智慧城市建設(shè)和可視化智能管理的基本地理空間地圖數(shù)據(jù)，其精度的提高和真實(shí)場(chǎng)景重現(xiàn)能力的改善是實(shí)景模型和地圖服務(wù)研究的重要領(lǐng)域。現(xiàn)階段的實(shí)景三維模型構(gòu)建方法適用于不同的應(yīng)用場(chǎng)景，需要依據(jù)用戶實(shí)際應(yīng)用需求進(jìn)行定制。同時(shí)，隨著大數(shù)據(jù)和室內(nèi)定位導(dǎo)航領(lǐng)域的快速發(fā)展，實(shí)景地圖作為新型的表現(xiàn)形式對(duì)軟硬件的要求也愈發(fā)重要，部分模型構(gòu)建方法的可視化效果良好、精度高，但由于昂貴的數(shù)據(jù)采集成本，為可視化進(jìn)程中的數(shù)據(jù)處理帶來了較為嚴(yán)苛的挑戰(zhàn)。本文列舉的現(xiàn)階段實(shí)景三維模型構(gòu)建方法均具有一定領(lǐng)域和場(chǎng)景應(yīng)用范圍內(nèi)的優(yōu)勢(shì)，也在不同程度上有所欠缺，如何在提高實(shí)景三維的模型精度和可視化程度的同時(shí)，兼顧便捷發(fā)展并實(shí)現(xiàn)廣泛的工程化應(yīng)用，是今后的一個(gè)重要研究課題。