一种基于多源数据融合的文物三维建模方法

2020-10-09罗秋李国柱甘淑

软件 2020年8期

罗秋李国柱甘淑

摘要：针对基于单一数据源对建筑物进行三维模型时，建模质量、精度、完整性具有一定的局限性使得后期修模耗时、耗力、效率低下等问题，以昆明市某文物建筑为研究对象，基于多源数据融合技术，提出一种基于计算机视觉理论中的基本原理进行多源坐标系的统一、基于主成分分析进行初始点云配准的方法，进而提出一种融合多种数据源对文物建筑进行精密三维建模的方法，并比较该方法与单一数据源建模方法的优劣。实验结果证明基于多源数据融合进行三维建模的方法，使各种古建筑三维建模技术优缺互补，规避了使用单一激光点云而无法满足古建筑顶部及局部细节三维建模的问題，使建模数据采集的手段多样化。

关键词：多源数据融合;三维激光扫描技术;倾斜摄影测量;三维建模

中图分类号： TP3 文献标识码： A DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.08.033

本文著录格式：罗秋，李国柱，甘淑. 一种基于多源数据融合的文物三维建模方法[J]. 软件，2020，41（08）：120-124

【Abstract】： Based on a single data source for building 3d model， the modeling quality， accuracy， integrity， has certain limitations allow late module and time-consuming， low power consumption， efficiency and other issues， a cultural relic buildings in kunming as the research object， based on multi-source data fusion technology， puts forward the basic principle based on computer vision theory to the unity of multi-source coordinate system， based on principal component analysis method for the initial point cloud registration， and then put forward a kind of fusion of a variety of data sources for historical building precision of 3d modeling method， and compares the pros and cons of this method with single data source modeling methods.Experimental results show that based on multi-source data fusion method for 3d modeling， make each modeling technology to carry on the complementary advantages， solves the oblique photography dioramas details of complementary and precise modeling， laser point cloud can't satisfy the top and detail modeling problem， enrich the modeling means of data collection， meet the needs of the project for all kinds of data accuracy.

【Key words】： Multi-source data fusion; Three-dimensional laser scanning; Oblique photogrammetry; 3D modeling

0 引言

文物建筑是城市历史文化的主要载体，孕育了大量的历史人文精神，留下了大量古建筑文化信息，是在研究我国不同时期各个方面发展的重要的实物参考资料[1]。但由于历史悠久、长期暴露在外面，受自然和人为的影响，文物不可避免的受到一定程度的损害。在旅游业蓬勃发展的今天，如何完整的保存古建筑的原始面貌，防止或减少古建筑继续被破坏，是摆在世人面前的一个非常重要问题[2]。

目前，对于古建筑进行三维建模的方法主要有基于三维激光扫描技术的三维建模[3-6]、基于无人机倾斜摄影测量技术的三维建模[7-8]、传统的有CAD建模[9]、3ds MAX建模[10]、OpenGL建模[11]方法等。由于基于单一数据源的三维建模有很大的局限性，对于一些小范围的三维建模能够满足精度需要，但随着场景的增大，建筑物结构变得更加复杂，很难准确的将大场景建筑的模型细节完整表达出来，精度也很难达到要求。

随着测绘技术的发展，三维建模中引进了基于多源数据融合的三维建模方法，该方法证明数据源的多重融合能更好的根据用户需求，对建模对象的进行分层处理，达到最好的融合效果。目前，由于项目需求，基于多种数据源进行建模，成为大规模场景的进行三维建模的最主要方法。然而，如何选择数据源种和最后将多种数据源融合成效果较好的模型是主要研究问题[12]。本文采用的多源数据是：激光点云数据、倾斜影像数据、全景影像数据。

1 多源数据融合技术

多源数据融合技术是将同一目标或对象在多个平台上采集的各种不同的数据源，按照选定的算法规则融合处理，得到更为精确、更为完整、更加有效的信息，用以合成包含新的时、空特点及光谱特征的影像，以实现对目标或场景的综合描述[13-17]。该技术的目标在于将基于多平台、多数据源信息进行融合，从而针对不同数据源的特点，从各个数据源中提取各自优点，进行互补，得出更完整、精确的数据信息。

本文的多源数据融合技术流程包含三大步骤：（1）预处理：主要针对目标物体，不同采集方式采集的多源数据进行预处理，包括坐标统一、点云配准;（2）多源数据融合：包括将多源异构的激光点云数据及倾斜摄影数据进行处理后进行三维建模，然后进行点云融合。

1.1 多源坐标系的统一

1.3 多源信息数据融合及建模

多源数据主要包括地面三维激光扫描数据、无人机倾斜摄影影像数据、全景影像数据。将各种数据进行预处理达标后，提取点云数据，最后进行多源数据的融合。

2 项目案例

2.1 经幢概况

地藏寺经幢位于昆明市拓东路，幢高7.8米，由五段砂石拼成幢为方锥状塔，共有七级，八面形石幢。其上雕刻有300尊神像，大神像高达1米，小神像5至7厘米。第一层雕刻了四大天王，第二层雕刻有四方佛等40尊角分雕四神;第三层以上雕佛像、菩萨等。第四层雕有药师佛等物。经幢第五层圆雕四只迦楼罗。第六层最为吸引人的地方在于，四面雕仿木构殿堂各一座。殿内供三世佛及佛弟子，雕刻极为精细，而且殿堂仿木构造惟妙惟肖。第七层幢为柱形，雕刻着小佛像。

2.2 控制点布设

利用昆连续运行基准站（KMCORS），在测区（文物古建所在区域）布设CGCS2000控制点至少3个，采用“一点一方位”的方法，按照二级导线点要求计算。经幢选取市博物馆停车场布设控制点JZ01、JZ02、JZ03，如图2所示。

3 数据获取与处理

多源数据采集流程如下。

3.1 激光点云数据获取与处理

数据获取：主要采集古建筑立面点云数据。根据精度要求，采用FARO S350扫描仪采集数据。该型号设备采用闪电激光技术，将相位测距技术与脉冲测距技术结合，可以在高速扫描的同时，达到高精度和远距离的目标，其测距精度为1 mm，测程350 m，扫描速度为976000 pts/秒，1个扫描测站只需要2至3分钟即可完成。

激光点云数据预处理：针对外业获取的激光点云存在数据量大、数据杂乱、噪声点多等问题，因此要进行数据预处理，包括多站点云拼接、点云去噪、着色等基本操作，技术流程如下：

3.2 倾斜影像数据获取与处理

主要采集经幢顶部及周围的影像。拟用精灵4Pro进行低空航飞采集数据，利用无人机管家智能航测助手进行航线设计和任务执行。设计获取数据地面分辨率为2.5厘米，飞行参数中飞行高度设置为100米，航向重叠率设置为80%，旁向重叠率设置为80%，航线之间的距离为30米，采集过程如图6。

数据处理：数据处理是傾斜摄影测量三维建模的核心步骤，数据精确程度影响着后续建模质量的好坏，数据处理流程图如图7所示。

3.3 全景影像制作

全景影像数据采集主要使用高分辨率单反相机，在环境光相对均匀的阴天进行拍摄。拍摄时采用自动对焦模式进行采集。建筑外光线明亮且均匀，可以直接进行色彩采集。（1）拍摄连续性照片：由于拍摄全景图无法一次将360度场景拍摄下来，应依据事先设定的角度依次拍摄下来，并将重叠度设置为15%，记录相机的拍照参数;（2）影像缝合：使用影像处理软件对数据进行对齐、变形和混合处理;（3）调整个别照片的效果：对拍摄质量不好的照片进行调整;（4）全景图输出：按照要求制作全景影像，供人浏览。

4 多源数据融合

在模型三维重建过程中，无人机倾斜影像和补拍的全景影像通ContextCapture进行区域联合平差、多视影像密集匹配等步骤生成三维点云数据，然后将地面三维激光点云导入进行数据融合，进一步构建不规则三角网TIN，再进行纹理映射，最终生成高质量三维模型，建模流程如图8所示。

4.1 三维激光扫描数据与倾斜摄影技术的融合

由于本文三维激光扫描数据与空中倾斜摄影数据不是同一个坐标系统，则先对空中倾斜摄影数据进行空中三角测量，再将三维激光扫描数据直接构建成模型，将空中倾斜摄影数据与三维激光扫描数据利用同名点拖到同一个坐标系统中，继而融合两种数据，最后构建出融合三维激光扫描数据和倾斜摄影数据的实景三维模型[21]。

4.2 倾斜摄影测量数据与全景影像数据的融合

由于本文采集的地面全景数据不具有地理坐标，则将地面全景数据与倾斜摄影数据分别进行空三加密，解算出每张像片拍摄时的位置及姿态信息，然后对空中倾斜摄影数据直接构建模型，通过空中和地下的同名点，将地面近景数据与空中倾斜摄影数据固定在同一个坐标系统中，再将两种数据的空中三角测量结果融合，最后构建出二者结合的实景三维模型[21]。

5 三维建模结果与精度分析

5.1 建模结果

根据建模流程，分别对三维激光点云数据、倾斜摄影测量数据、全景影像数据以及三种数据融合分别进行三维建模，得到单一数据源建模与多源数据融合建模效果对比图，如下图所示。

5.2 建模精度对比

（1）单一激光点云三维建模精度为0.000289 m。

（2）单一倾斜影像建模精度，如表1所示。

（3）多源数据融合建模精度，如表2所示。

由表可知，精度达到测图要求。

（4）从建模外观来看，有以下结论

①基于地面三维激光点云的三维建模比较精细，精度分布均匀，能够保证建筑立面细部的完整性，可获取整个立面的详细点云信息，可以更精细地还原出细节部分的结构，但是对建筑物进行纹理映射时，需要大量人力。

②基于倾斜摄影测量技术的三维建模，能够获取大量的地物立面的纹理信息和几何信息，模型整体效果较好，无明显漏洞，但在建筑物底部及遮挡区域出现了模型扭曲、粘连、纹理失真等问题。

③融合多源数据的三维模型建模较之以上两者三维场景更加完整，几何与纹理细节也更加丰富，能够完全反映真实文物，进行自动化三维建模。

6 结论

通过实验证明了不同的数据源，建模效果各不相同。本文基于多源数据融合技术，结合地面三维激光扫描技术、倾斜摄影测量技术对古建筑进行三维建模，通过各单一数据源建模以及多源数据融合的方式进行建模比较分析，表明空-地多源数据的融合会互相取长补短，发挥各自优势。将这些数据有效地融合可以提高模型的精度和可靠性、达到最好的效果，同时，也能减轻生产成本，提高生产效率，将会成为以后三维建模的主要方法。

参考文献

[1] 张建合. 论中国古建筑在现实生活中的意义[J]. 沿海企业与科技. 2009，（07）： 32-33+31.

[2] 李宝瑞. 地面三维激光扫描技术在古建筑测绘中的应用研究[D]. 陕西：长安大学， 2012.

[3] 崔水军. 基于三维激光扫描和数字摄影测量的古文物三维模型构建研究[D]. 江西：江西理工大学， 2015.

[4] 彭勇. 三维激光扫描技術在石质文物保护中的应用研究[D]. 陕西：长安大学， 2015.

[5] 俞朝晖. 面向馆藏文物的三维数据获取及可视化研究[D]. 广东：华南理工大学， 2016.

[6] 林志勇. 倾斜摄影测量在古建测绘中的应用[D]. 湖南：长沙理工大学， 2018.

[7] 刘洋. 无人机倾斜摄影测量影像处理与三维建模的研究[D]. 江西：东华理工大学， 2016.

[8] 娄启业，程效军，谭凯. 基于AutoCAD和3DMax的建筑物三维建模[J]. 工程勘察. 2013，： 71-74.

[9] 袁冠男. 3DsMax三维建模及应用研究[J]. 山东工业技术. 2015，（9）： 235.

[10] 田立慧. 基于OpenGL的三维地质可视化研究[J]. 能源技术与管理. 2008，（2）： 104-105.

[11] 田佳. 基于多源数据融合的三维重建研究[D]. 江西：东华理工大学， 2012.