大范围倾斜摄影模型数据重建研究与实现

测绘与空间地理信息

ＧＥＯＭＡＴＩＣＳ＆ＳＰＡＴＩＡＬＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ

Ｖｏｌ.４１ꎬＮｏ.９Ｓｅｐ.ꎬ２０１８

大范围倾斜摄影模型数据重建研究与实现

邢厚子１ꎬ胡可杨２ꎬ许３

(１.６１２４３ꎬ乌鲁木齐８３０００６ꎻ２.自治区行政学院ꎬ乌鲁木齐８３０００２ꎻ

３.中国科学院生态与地理研究所ꎬ乌鲁木齐８３００１１)

摘要:倾斜摄影测量技术的应用正在蓬勃兴起ꎬＳｍａｒｔ３ＤＣａｐｔｕｒｅ作为全自动三维建模软件ꎬ在大范围地形建模

方面性能表现卓越ꎮ然而ꎬ大范围地形建模生产了大量的高分辨率模型文件ꎬ给计算机加载与渲染带来了困难ꎮ针对这一问题本文提出了一种地形模型重建的方法ꎬ简化模型结构ꎬ降低分辨率ꎬ利用ＬＯＤ思想组织文件结构ꎬ减少场景渲染时的模型数量ꎬ提高渲染效率ꎬ解决了大范围地形场景的加载与显示问题ꎮ关键词:倾斜摄影测量ꎻ无人机倾斜摄影ꎻ地形建模ꎻＳｍａｒｔ３ＤＣａｐｔｕｒｅꎻＯｐｅｎＳｃｅｎｅＧｒａｐｈ中图分类号:Ｐ２３１　　　文献标识码:Ａ　　　文章编号:１６７２－５８６７(２０１８)０９－００６１－０３

ＲｅｓｅａｒｃｈａｎｄＲｅａｌｉｚａｔｉｏｎｏｆＤａｔａＭｏｄｅｌＲｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｏｆ

Ｌａｒｇｅ－ｓｃａｌｅＯｂｌｉｑｕｅＰｈｏｔｏｇｒａｐｈｙ

(１.６１２４３ＴｒｏｏｐｓꎬＵｒｕｍｑｉ８３０００６ꎬＣｈｉｎａꎻ２.ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＡｄｍｉｎｉｓｔｒａｔｉｏｎꎬＣＰＣＳｃｈｏｏｌꎬＵｒｕｍｑｉ８３０００２ꎬＣｈｉｎａꎻ

３.ＸｉｎｊｉａｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＥｃｏｌｏｇｙａｎｄＧｅｏｇｒａｐｈｙＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓꎬＵｒｕｍｑｉ８３００１１ꎬＣｈｉｎａ)

Ａｂｓｔｒａｃｔ:ＴｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｏｂｌｉｑｕｅｐｈｏｔｏｇｒａｐｈｙｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｓｂｏｏｍｉｎｇꎬＳｍａｒｔ３ＤＣａｐｔｕｒｅａｓａｆｕｌｌ－ａｕｔｏｍａｔｉｃ３Ｄｍｏｄｅｌｉｎｇｓｏｆｔｗａｒｅꎬｉｎｔｈｅｌａｒｇｅ－ｓｃａｌｅｔｅｒｒａｉｎｍｏｄｅｌｉｎｇｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｅｘｃｅｌｌｅｎｃｅ.Ｈｏｗｅｖｅｒꎬｌａｒｇｅ－ｓｃａｌｅｔｅｒｒａｉｎｍｏｄｅｌｉｎｇｐｒｏｄｕｃｅｓａｌａｒｇｅｎｕｍｂｅｒｏｆｈｉｇｈ－ｓｔｒｕｃｔｕｒｅꎬｒｅｄｕｃｅｓｔｈｅｎｕｍｂｅｒｏｆｍｏｄｅｌｓｗｈｅｎｒｅｎｄｅｒｉｎｇｔｈｅｓｃｅｎｅꎬｉｍｐｒｏｖｅｓｔｈｅｒｅｎｄｅｒｉｎｇｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙꎬａｎｄｓｏｌｖｅｓｔｈｅｌｏａｄｉｎｇｏｆｌａｒｇｅ－ｓｃａｌｅｔｅｒｒａｉｎｓｃｅｎｅａｎｄｔｈｅｄｉｓｐｌａｙｐｒｏｂｌｅｍ.

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｏｂｌｉｑｕｅｐｈｏｔｏｇｒａｍｍｅｔｒｙꎻＵＡＶｏｂｌｉｑｕｅｐｈｏｔｏｇｒａｐｈｙꎻｔｅｒｒａｉｎｍｏｄｅｌｉｎｇꎻＳｍａｒｔ３ＤＣａｐｔｕｒｅꎻＯｐｅｎＳｃｅｎｅＧｒａｐｈ

ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎｍｏｄｅｌｆｉｌｅｓꎬｗｈｉｃｈｂｒｉｎｇｓｄｉｆｆｉｃｕｌｔｉｅｓｔｏｃｏｍｐｕｔｅｒｌｏａｄｉｎｇａｎｄｒｅｎｄｅｒｉｎｇ.ＡｉｍｉｎｇａｔｔｈｉｓｐｒｏｂｌｅｍꎬｔｈｉｓｐａｐｅｒｐｒｏｐｏｓｅｓａｍｅｔｈｏｄｏｆｔｅｒｒａｉｎｍｏｄｅｌｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎꎬｓｉｍｐｌｉｆｉｅｓｔｈｅｍｏｄｅｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅꎬｒｅｄｕｃｅｓｔｈｅｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎꎬｕｓｅｓＬＯＤｔｈｏｕｇｈｔｔｏｏｒｇａｎｉｚｅｔｈｅｆｉｌｅ

ＸＩＮＧＨｏｕｚｉ１ꎬＨＵＫｅｙａｎｇ２ꎬＸＵＷｅｎｑｉａｎｇ３

０　引　言

目前ꎬ无人机倾斜摄影测量技术的应用正在蓬勃兴起ꎬ在工程测量、三维建模、城市管理、科学分析等方面的应用取得一些进展ꎮＳｍａｒｔ３Ｄｃａｐｔｕｒｅ做为倾斜摄影快速建模软件被广泛采用ꎬ其在大范围空间建模方面采用了基于网格的并行计算和机群生产技术ꎬ大大提高了建模效率ꎮ

然而ꎬ在大范围空间模型的应用中ꎬ生产的数据仍存在一些问题ꎮ按照任务的分块切割方法ꎬ每个计算节点上可生产出一个模型块ꎬ称做节点顶层块ꎮ节点顶层块级联着若干更高分辨率的模型块ꎬ在整个场景中节点顶

收稿日期:２０１７－０４－０５

层块一般是１３层或１４层ꎬ当场景范围较大时ꎬ就会出现大量的节点顶层块ꎮ应用中通常需要显示整个场景ꎬ需要将全部节点顶层块加载进应用系统ꎬ当应用软件加载和渲染大量节点顶层块时ꎬ就会导致系统效率大大降低ꎬ甚至崩溃ꎮ

本文针对这一问题ꎬ提出一种重建倾斜摄影测量模型数据的方法ꎬ对Ｓｍａｒｔ３Ｄｃａｐｔｕｒｅ生产出的节点顶层块进一步重建ꎬ创建更小比例尺的多分辨率、多细节地形模型ꎬ形成一系列分辨率低、覆盖范围大的地形模型ꎬ以减少整个场景显示时加载和渲染的模型数量ꎬ提高系统的应用与渲染效率ꎮ

基金项目:国家重大科技支撑项目———科技部科技支撑项目(２０１５ＢＡＪ０２Ｂ０２)资助

作者简介:邢厚子(１９７６－)ꎬ男ꎬ陕西西安人ꎬ工程师ꎬ硕士ꎬ２００６年毕业于山东大学计算机系统结构专业ꎬ主要从事地理信息研究

工作ꎮ

６２

测绘与空间地理信息　

　　　　　　　　　　　　　　　２０１８年

１　倾斜摄影模型数据结构

１.１　文件组织

需转换为通用格式Ｓｍａｒｔ３Ｄｃａｐｔｕｒｅꎬ生产的倾斜摄影测量数据在应用时

一般采用开源的ＯＳＧＢ格式ꎬＯＳＧＢ

与ＯＳＧ格式结构相似ꎬ区别主要是ＯＳＧＢ是二进制格式ꎬ可包含纹理数据ꎬＯＳＧ是文本格式ꎬ纹理以图像文件形式单独保存ꎮ文件组织为四叉树结构ꎬ根据模型文件的命名规则进行多分辨率的上下级关联ꎬ如图１所示ꎮ

图１　文件命名规则的四叉树结构Ｆｉｇ.１　Ｑｕａｄｔｒｅｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｆｉｌｅｎａｍｉｎｇｒｕｌｅｓ

１.２　模型结构

单文件模型结构为ＯＳＧ的ＰａｇｅＬＯＤ结构ꎬ下面以

Ｔｉｌｅ＿＋ＰａｇｅｄＬＯＤ０２０＿＋００４＿＋０００＿Ｌ１４.ｏｓｇ为例说明文件格式ꎮ

　Ｃｅｎｔｅｒ􀆺􀆺

{　ＲａｎｇｅＭｏｄｅＲａｄｉｕｓ４２４.３７８１３１.３２４－１４８９.２９１.２６１２３　ＲａｎｇｅＬｉｓｔＰＩＸＥＬ＿ＳＩＺＥ＿ＯＮ＿ＳＣＲＥＥＮ　　０６５.６６２１２{　　}

　６５.６６２１１ｅ＋０３０

ＤａｔａｂａｓｅＰａｔ􀆺􀆺

Ｄ:＼Ｄａｔａ＼Ｔｉｌｅ＿＋０２０＿＋００４＿＋０００/ＦｉｌｅＮａｍｅＬｉｓｔ　　　\"Ｔｉｌｅ＿\"２{　　}

＋０２０＿＋００４＿＋０００＿Ｌ１５＿０.ｏｓｇｂｎｕｍ＿ｃｈｉｌｄｒｅｎＧｅｏｄｅ１􀆺􀆺{}}

ＲａｎｇｅＭｏｄｅＣｅｎｔｅｒ指定了为模型中心坐标ꎻＲａｄｉｕｓ为模型外接圆半径ꎻ

合使用ꎬ例中ＲａｎｇｅＬｉｓｔＰａｇｅＬＯＤ参数指定了模型在屏幕上投影大

的显示模式ꎬ与ＲａｎｇｅＬｉｓｔ配小为０－６５.６６２１个像素时显示当前模型ꎬ当大于６５.６６２１个像素时显示所级联的下一层模型＋ꎬ即Ｔｉｌｅ＿＋０２０＿＋００４＿体半径０００＿Ｌ１５＿０.ｏｓｇꎬＲａｄｉｕｓ的其中１/２ꎻｎｕｍ＿ｃｈｉｌｄｒｅｎꎬＲａｎｇｅＬｉｓｔ参数取值为模型外接球

标识了当前模型包含的几何对象数ꎻＧｅｏｄｅ为几何对象的详细描述ꎬ包括状态、材质、纹理及属性、几何类型、坐标索引、顶点坐标、纹理坐标等ꎮ

２　格网ＤＥＭ重建流程

模型重建的过程是将当前级的地形模型块通过内插的方法ꎬ生成格网结构的地形模型ꎬ再将生成的格网地形模型按照２×２块组合ꎬ生成上一级的地形模型ꎬ重复此过程ꎬ直至生成的地形模型块数量减少到预期值为止ꎬ模型纹理利用正射投影的方法获得ꎮ算法流程如图２所示ꎬ步骤如下宽度和高度１):

初始化正射投影场景ꎬ一般为２５６×２５６ꎬ像素将投影视窗区设置为固定ꎬ这个大小指定了生成的格网模型纹理贴图的大小ꎮ设置视区背景颜色ꎬ设置投影模式为正射投影模式ꎮ

图２　算法流程Ｆｉｇ.２　Ａｌｇｏｒｉｔｈｍｆｌｏｗ

Ｓｍａｒｔ３Ｄｃａｐｔｕｒｅ２)清除场景中数据ꎬ加载一个模型进场景ꎮ

如:Ｔｉｌｅ＿＋０２３＿＋生产０１２＿的＋０００模型和数Ｔｉｌｅ＿据一＋０２３＿般由＋两０１２＿部分＋００１ꎬ组成加载ꎬ例时需要同时加载两个部分文件ꎮ计算场景中数据的外接矩形ꎬ根据外接矩形范围设置投影参数ꎬ使模型位于投影视区型边缘的投影锯齿３)加载模型ꎬ并使模型的投影正好充满视区８ꎮ个相邻方向的地形模型ꎮ

由于三角网结构的模型在边缘处数

ꎬ以消除单模

据不规则ꎬ导致投影后生成的纹理贴图存在锯齿现象ꎮ如图３所示ꎮ第一次内插是基于Ｓｍａｒｔ３Ｄｃａｐｔｕｒｅ生成的模型数据ꎬ是三角网模型内插生成格网模型ꎬ第二次之后重建是基于前一次的重建结果ꎬ是基于格网模型重建新的格网模型ꎮ格网的水平坐标通过计算获得ꎬ高程坐标通过水平位置与地形数据进行解算ꎮ将重建的格网模型２ꎮ创建为ＰａｇｅＬＯＤ节点ꎬ可见范围阈值为外接球半径的１/

调函数中实现纹理的获取在ꎬ保存为临时文件Ｃａｍｅｒａ::ｓｅｔＰｏｓｔＤｒａｗＣａｌｌｂａｃｋꎮ按照行列号计算当前设置的回模型的文件名ꎬ与Ｓｍａｒｔ３Ｄｃａｐｔｕｒｅ输出的文件命名规则保持一致ꎮ再将重建的ＰａｇｅＬＯＤ节点与纹理文件打包存储为模型ＯＳＧＢ文件ꎮ按２)至３)步处理完当前层的所有第９期

邢厚子等:大范围倾斜摄影模型数据重建研究与实现

　􀆺􀆺　

图３　模型边缘数据投影锯齿

}Ｇｒｏｕｐ{

６３

　　ＰａｇｅｄＬＯＤ{　􀆺􀆺}

　　􀆺􀆺　　　}

Ｆｉｇ.３　Ｍｏｄｅｌｅｄｇｅｄａｔａｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎｓａｗｔｏｏｔｈ

合并后的地形模型数量成４倍减少ꎬ重复２)至４)步ꎬ当顶层块减少到指定数量后ꎬ结束ꎮ

模型ꎮ

成一个模型ꎮＯＳＧＢ格式文件支持对象组合ꎬ将４个ＰａｇｅＬＯＤ对象合并到一个Ｇｒｏｕｐ对象中ꎬ格式如下ꎮ

Ｇｒｏｕｐ{􀆺􀆺

　ｎｕｍ＿ｃｈｉｌｄｒｅｎ４　Ｇｒｏｕｐ{　􀆺􀆺　}

　　ＰａｇｅｄＬＯＤ{

４)将重建的地形模型根据行列号ꎬ以２×２方式组合

３　试验验证及结果分析

我们选取大小不同的５批数据进行测试ꎬ测试结果见表１ꎮ表中加载时间是在软件关闭渲染功能时的值ꎮ如果开启渲染功能ꎬ加载时间随内存数据块的增加而急剧延长ꎬ如第２组数据加载时间为１２６.３６ｓꎬ第５组数据当加载到>２５００块左右时几乎处于停滞状态ꎮ渲染帧率是指每秒场景渲染的帧数ꎬ帧率越大渲染越平滑ꎬ表中帧率值３.７ＧＨｚ的４核ＣＰＵ、８Ｇ内存、２Ｇ显存的ＮＶＩＤＩＡＱｕａｄｒｏＫ２０００显卡ꎮ

是数据加载完成后全图场景渲染的情况ꎮ本试验环境为

　　􀆺􀆺　　　}

表１　加载时间、渲染帧率对比表

Ｔａｂ.１　Ｌｏａｄｔｉｍｅꎬｒｅｎｄｅｒｉｎｇｆｒａｍｅｒａｔｅｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ

文件数１２３４５

１４４１９２７２２５９２２８５７３７３

加载时间(ｓ)０.４５２０.９９３０.３８３４.８８３９.３９

渲染帧率(帧/秒)６２.５０１３.１０９.１７８.９８４.２７

重建后各层数据块数量

１５层块数１４层块数１３层块数１２层块数１１层块数１０层块数

无１３５７２０４７１２２７３９３１

８１３６９５３２３３２１０２４

２５１０１１３８９３２６３

９３０３５３０７１

３８１２１０２０

无２４３６

重建后加载重建后渲染帧率时间(ｓ)０.１７０.１５０.２１０.１７０.２３

(帧/秒)６６.６７６６.６７６６.６７６６.６７６６.６７

　　场景显示比例尺较小时ꎬ模型不要求高分辨率显示ꎬ高分辨率显示的视觉效果提高不明显ꎬ反而降低了渲染性能ꎮ图４与图５是三角网地形模型重建为格网地形模型前后的显示视觉效果对比ꎮ

图５　重建后格网、三角网混合模型Ｆｉｇ.５　Ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄｇｒｉｄꎬｔｒｉａｎｇｕｌａｔｉｏｎｍｏｄｅｌ

图４　重建前三角网地形模型Ｆｉｇ.４　Ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｏｆｆｒｏｎｔｔｒｉａｎｇｕｌａｒ

　　　　ｎｅｔｗｏｒｋｔｅｒｒａｉｎｍｏｄｅｌ

４　结束语

大范围倾斜摄影测量地形建模具有数据量大、计算量大的特点ꎬ为了提高建模效率ꎬ采用区域分块的方法切　　

(下转第６７页)

第９期

田正华等:四参数转换模型在两井定向中的应用

表６　平面联系测量结果及误差统计

Ｔａｂ.６　Ｐｌａｎｅｃｏｎｔａｃｔｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｒｅｓｕｌｔｓａｎｄｅｒｒｏｒｓｔａｔｉｓｔｉｃｓ

联系测量结果(ｍ)Ｘ３８９１３９３.２６６３８９１３９１.５４５３８９１３５４.０１５

Ｙ４９３９９０.６３８４９４０１４.５８９４９３９５７.７０８

Ｘ方向－１－１＋３

两次测量互差(ｍｍ)

Ｙ方向－２－２－４

点位偏差２.２５.０

６７

立井名程点名ＺＤ１ＺＤ２ＦＤ１

投点中误差(ｍｍ)３.８

主井副井

表７　两井定向井下导线的最终值

Ｔａｂ.７　Ｔｈｅｆｉｎａｌｖａｌｕｅｏｆｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｗｉｒｅｉｎｔｗｏｗｅｌｌｓ

点号

测站ＡＺＤ２ＺＤ１ＺＤ３ＦＤ１

视准点ＺＤ２ＺＤ１ＺＤ２ＺＤ３ＺＤ１ＦＤ１ＺＤ３ＢＡ１

水平角(°′″)３４７４１２３１８５５３４９８９２９５２

方位角(°′″)２７４０６５３２８０００４２１８９３０３２

水平距离(ｍ)２４.０１３２５.９９３４４.３８２

ｘ３８９１３９１.５４５３８９１３９３.２６８３８９１３９７.７８７３８９１３５４.０１５

坐标

ｙ４９４０１４.５８９４９３９９０.６３８４９３９６５.０４０４９３９５７.７０８

３　结束语

通过四参数转换模型进行无定向导线的计算及各个参数的求解ꎬ计算快捷ꎬ利于编程计算ꎮ由于计算舍入误差的影响ꎬ两次测量得出的实际坐标增量有少量差别ꎬ而两井定向井下连接导线边往往较短ꎬ造成的方位角误差通常较大ꎬ因此连接导线敷设时ꎬ应使其具有最短的长度并尽可能沿两垂球连线的方向延伸ꎬ此时量边误差对连线的方向不产生影响ꎮ

[２]　王红亮.矿山测量[Ｍ].北京:冶金工业出版社ꎬ２０１７.

社ꎬ２００１.

[３]　张国良.矿山测量学[Ｍ].徐州:中国矿业大学出版[４]　采矿手册编委会.采矿手册[Ｍ].第一卷.北京:冶金工业[５]　张项铎ꎬ张正禄.隧道工程测量[Ｍ].北京:测绘出版[６]　冯仲科ꎬ陈于恒.两井定向测量后加测陀螺定向边的数

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参考文献:

[１]　罗志清.测量学[Ｍ].云南:云南大学出版社ꎬ２００６.

[编辑:张　曦]

(上接第６３页)

割计算任务ꎬ采用并行计算的方法提高计算效率ꎬ采用文件分组存储和四叉树结构解决数据管理和应用问题ꎮ本文针对大范围倾斜摄影地形模型分组文件(四叉树根节点)多、加载和渲染效率低的问题ꎬ提出一种地形模型重建的方法ꎬ利用减少根文件数量、降低分辨率的ＬＯＤ思路ꎬ解决了大范围地形场景的加载与显示问题ꎮ试验与应用证明ꎬ本文提出的模型重建方法能很好地满足数据加载与场景渲染的效率问题ꎮ

[３]　赵敬红.基于ＯｐｅｎＳｃｅｎｅＧｒａｐｈ的大地形可视化方法研[４]　张天巧.基于机载倾斜摄影数据的自动贴纹理方法研究

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[编辑:张　曦]