无人机倾斜摄影三维模型自动单体化技术研究.pdf

中国新技术新产品2024 NO.4（下）-37-高 新 技 术倾斜摄影技术是测量测绘领域发展起来的一项高新技术。基于倾斜摄影测量的实景三维中国建设，是数字中国建设的重要组成部分，是国家重大时空基础设施项目。2023 年，实景三维中国建设进入全面实施阶段。倾斜摄影自动化建模的技术机制，决定了输出的模型没有对单独的地物进行物理区分，而是一个连续的 Tin 网。倾斜摄影模型的大多数应用都需要能单独选中建筑等地物，赋予并查询属性等基本 GIS 功能，单体化问题是倾斜摄影模型在GIS 应用中需要解决的重要问题。目前，传统的方法采用DP modeler 或者 3DMAX 等软件进行单体化建模，工作效率低，耗费大量的人力和物力。本文研究基于多边形剪裁的实景三维模型单体化技术1，在原 mesh 模型的基础上，提取建筑，道路等地理实体平面位置，根据平面位置将地理实体从 mesh 网格模型中切割出来，同时对模型侧面进行平滑处理，开发了三维模型自动单体化软件。1 总体技术路线无人机在获取影像数据后，利用采集的影像的特征、相机等设备的实际参数、无人机拍摄时的定位信息，利用相关几何模型对影像数据进行几何校对。采取多幅影像联合平差的方式，解决倾斜影像之间的几何形变及互相重叠遮挡的问题。再应用多视影像密集匹配技术高效、精确地找到多幅倾斜影像中的同名点的坐标，通过获取同名点坐标将影像匹配，从而获得需要测量的地物的三维影像信息。得到高密度、真彩色的点云，在处理软件中导入数据，构建 TIN 三角网，建立实景三维模型。将实景三维模型导入 EPS 提取轮廓线，生成 DWG 或者 SHP 矢量数据。对矢量数据和三维模型进行数据叠加和多边形剪裁，将模型进行自动切割，然后将生成的模型测量纹理自动平滑，最终生成具有单体化的三维模型。整个技术路线如图 1 所示。2 关键技术三维模型自动单体化关键技术包括三角网索引、实时动态的 LOD 技术和多边形裁剪等。2.1 三角网索引三角形网格生成算法是三角网算法的基础，它根据输入的点集或线框等信息，自动构建包括三角形网格的数据结构。常用的算法包括Delaunay三角剖分、约束性Delaunay三角剖分以及 Powell-Sabin 三角剖分等。采用三角形网格优化算法对生成的三角形网格进行优化，提高其质量和性能2。本文采用优化算法包括以下 3 点。1）去除冗余顶点。在三角形网格中，有些顶点可能是冗余的，即它们并不贡献于网格的形状或结构。这些冗余顶点可以去除，以减少存储空间和计算时间。2）优化三角形片。在三角形网格中，有些三角形可能不是最优的，需要进行优化。例如，可以使用 Loop 细分、Catmull-Clark 细分等算法对三角形进行细分，以提高网格质量3。3）修复漏洞。在三角形网格中，可能会出现漏洞或破洞，需要进行修复。常见的修复算法包括 Z-order 曲线、凸包法等。渲染算法各有优缺点，需要根据具体应用场景选择合适的算法。当进行渲染时，需要注意保持渲染质量和效率平衡，以便实现高效的渲染效果。最后需要进行三角形网格变换，主要是对三角形网格进行变换操作，例如旋转、缩放以及平移等。常用的算法包括齐次坐标变换、矩阵变换等。这些变换操作可以单独进行，也可以组合进行，以实现更复杂的变换效果。在进行变换操作的过程中，需要注意保持三角形网格的质量和精度，避免出现畸形或漏洞等问题。三角形网格渲染算无人机倾斜摄影三维模型自动单体化技术研究 陈向阳1赵国梁2陈柯3（1.南通职业大学建筑工程学院，江苏 南通 226007；2.西安科技大学，陕西 西安 710054；3.西安建筑科技大学华清学院，陕西 西安 710043）摘 要：基于倾斜摄影的实景三维模型是 mesh 面，在实际 GIS 应用过程中，需要对模型进行单体化处理。目前，传统的方法采用 DP modeler 或者3DMAX 等软件进行单体化建模，效率低，成本高。本文研究基于多边形剪裁的实景三维模型单体化技术，采用三角网索引，实时动态的 LOD 技术和多边形裁剪等技术，在原mesh 模型的基础上，提取建筑、道路等地理实体平面位置，根据平面位置将地理实体从 mesh 网格模型中切割出来，同时对模型侧面进行平滑处理，开发三维模型自动单体化软件。该技术在新疆某大面积实景三维模型项目建设中得到应用，改变了传统单体化建模的手工建模方法，成倍地降低了三维建模单体化和修模生产成本。关键词：无人机倾斜摄影测量；多边形剪裁；自动纹理映射；LOD 技术中图分类号：V297 文献标志码：A基金项目：2022年度南通市市级科技计划项目“基于无人机高分影像的长江水环境动态监测研究以南通长青沙水源地保护区为例”（项目编号：MS12022010）。中国新技术新产品2024 NO.4（下）-38-高 新 技 术法主要是将三角形网格转换成图像或视频等可视化形式，以便于观察和分析。常见的渲染算法包括光栅化渲染、光线追踪渲染、延迟渲染等。这些渲染算法各有优缺点，需要根据具体应用场景选择合适的算法。在进行渲染的过程中，需要注意保证渲染质量和效率的平衡，以便实现高效的渲染效果。具体实现方法如下。文件存储格式定义：文件由 3 个部分组成，文件头、文件目录索引和数据。文件头：固定长度 30 个 Byte，前 4 个字节为文件版本信息（short 类型），后面 26 个 Byte 为 26 个字符（char类型），用于存储说明性文字。文件目录索引：目录结构整体是可变大小，但是每条目录为固定大小。1条目录固定长度为44Byte。03为索引号（int类型），411 和 1219 为 2 个 double 类型。2027 和 2835 为 2 个 double 类型，是此范围的右上角点的二维坐标，3639 是此目录起始位置到此目录实际数据所在位置起点的偏移量（int 类型），4043 为此目录对应数据段的三角形个数（int 类型）。整个目录有 1n 条目录在连续的地址中存储。将不规则三角网按照一定的范围划分为矩形网格，该网格的划分最终形成索引目录结构内容，每个网格的左下角点和右上角点为索引目录中范围数值，对所有的网格进行排序，其排序规则如下：按每个网格左下角点的 X 值递增排序，如果 X 相等，那么 Y 值进行递增排序。每个矩形网格中的所有三角形形成每个目录索引指向的数据段内容，它的排序规则是每个三角形的形心到此网格左下角点的角度递增排序，如果角度一致，那么按照形心到左下角点距离递增排序。当按照上述方法将不规则三角网数据存储为外部文件后，可以使用任何编程语言对其数据进行操作处理，此处使用 C+编程语言对其进行描述。程序中维护 2 个数据结构定义，1 个是用来存储已加载到内存中的以网格为单元的不规则三角网数据，每个节点的排序方式与目录索引排序方式相同；另一个为目录索引数据，也就是网格定义的数据。因此查询输入点的高程信息的流程如下：程序在初始化阶段不加载任何三角网数据，只加载目录索引数据，程序先在索引三角形数据链表中查找此点所在范围是否已经加入内存，如果已加入内存则在该数据节点中计算高程，否则在目录索引结构中查找该点范围，将包括此点的范围数据从文件中读取并加入索引三角形数据链表中，再计算该点高程数据。2.2 实时动态的 LOD 技术本文采用动态调整 LOD Scale 的图像显示优化方法，具体包括以下 5 个步骤。1）步骤一。根据系统帧率的指标要求，设定系统帧率可取值的最大值 FRmax及最小值 FRmin；获取系统当前采用的 LOD Scale 值作为 Scale 的初始值 s0，设定 Scale 可取值的最大值 Smax及最小值 Smin。2）步骤二。获取系统的当前帧率 fr，如果 fr FRmax，那么减少 Scale的取值，如果当前 Scale 的取值不小于最小值 Smin，那么以新的 Scale 取值作为 LOD Scale 渲染图像，执行步骤二；否则，若当前 Scale 的取值小于最小值 Smin，则执行步骤三。3）步骤三。获取当前图像的当前显示细节，将所述当前显示细节与数组 SCi 中的元素逐一比较：当遍历到最后一个小于当前显示细节且与当前显示细节差值最小、同时之后的元素均不为 0 的元素时，停止遍历，将所述元素的编号记为 n；如果 n+1 N，那么 Scale 值为 Smin；若 n=N，则 Scale 值 Smax 以 Scale 值 s 作为 LOD 渲染图像，执行所述步骤三；当遍历到与当前显示细节相同的元素时，停止遍历，将所述元素的编号记为 n，则 Scale 值 s0，以 Scale 取值 s0作为 LOD 渲染图像，执行所述步骤三。当遍历到最后一个小于当前显示细节且与当前显示细节差值最小、同时之后的元素均为 0 的元素时，停止遍历，将所述元素的编号记为 n，则 Scale 值 s0 以 Scale 值 s0作为 LOD 渲染图像，执行步骤三。4）步骤四。获取系统的当前帧率 fr，若fr FRmax，那么减少 Scale 值 s，若 s 不小于最小值 Smin，则以 s 作为 LOD Scale 渲染图像，执行步骤三；否则，执行步骤二和步骤五。若 fr FRmin，则增大 Scale 值 s，若s 不大于最大值 Smax，则以 s 作为 LOD Scale 渲染图像，执行步骤二；否则，则执行步骤三；若 FRmin fr FRmax，则执行步骤二。5）步骤五。将当前显示细节作为第 i（i=（s-1）10）个元素存入数组 SC 中。2.3 多边形剪裁技术本文采用 SutherlandHodgman 多边形裁剪算法。该算法的基本思想是每次用窗口的一条边界及其延长线来裁剪多边形的各边。多边形通常由它的顶点序列来表示，经过裁剪规则针对某条边界裁剪后，结果形成新的顶点序列，又留待下条边界进行裁剪，直到窗口的所有边界都裁剪完毕，算法形成最后的顶点序列，才是结果多边形（它可能构成一个或多个多边形）4。当多边形一个顶点 Pi相对于窗口某条边界及其延长线进行剪裁时，分为下列 4图 1 整体技术路线自动单体化软件开发墙面平滑处理多边形剪裁提取模型矢量 SHP三维模型自动单体化中国新技术新产品2024 NO.4（下）-39-高 新 技 术种情况（即裁剪规则）。1）顶点 Pi 在内侧，前一顶点 Pi-1也在内侧，则将 Pi 纳入新的顶点序列。2）顶点 Pi 在内侧，前一顶点 Pi-1 在外侧，则先求交点 Q，再将 Q、Pi 依次纳入新的顶点序列。3）顶点 Pi 在外侧，前一顶点 Pi-1 在内侧，则先求交点 Q，再将 Q 纳入新的顶点序列。4）顶点 Pi 与前一顶点 Pi-1 均在外侧，则顶点序列中不增加新的顶点。考虑多边形相对于一条边界及其延长线进行裁剪的算法。2.3.1 赋初值将顶点序列中的最后一个顶点赋给前一顶点 S；设置初始标志 flag：if（S 在边界内侧）flag=0；else flag=1；设新的顶点序列数 j=0；2.3.2 顶点坐标求解对多边形各顶点进行裁剪规则处理，结果放入新的多边形顶点序列 Qij 中：for（对第一个顶点直到最后一个顶点，逐一处理）if（Pi 在边界内侧）if（flag!=0）flag=0；求交点并放入新的多边形顶点序列 Qjxx；j+；将当前顶点放入新的多边形顶点序列 Qj 中。2.3.3 数据处理与试验结果在三维景观中，就可以将需要裁剪的区域定义成掩膜，进行区域裁剪5。具体由下面语句来实现。void CMyClip_AView:ClipedgeL(CPoint polypoint,CPoint clipwindow,UINT polynum)/*其中参数 polypoint 为多边形顶点，clipwindow 为裁剪窗口顶点，polynum 为多边形顶点数目*/找出裁剪窗口边界long xl,xr,yt,yb;UINT i;xl=clipwindow0.x;xr=clipwindow0.x;yt=clipwindow0.y;yb=clipwindow0.y;for(i=1;iclipwindowi.x)xl=clipwindowi.x;if(xrclipwindowi.y)yb=clipwindowi.y;if(ytclipwindowi.y)yt=clipwindowi.y;/CPoint BPolygon_Num,CPolygon_Num;UINT m_nA,m_nB;int x,y;long tem1,tem2;m_nA=polynum;/*记载原始多边形顶点个数*/m_nB=0;/*记载新生成多边形顶点个数*/for(i=0;im_nA;i+)if(polypointi.xxl&polypointi+1.xxl)Bm_nB.x=polypointi.x;Bm_nB.y=polypointi.y;m_nB=m_nB+1;continue;if(polypointi.x=xl)/*边两个端点起点在外部,终点在内部,求交点,然后交点,终点都应该送入临时数组*/*保留交点*/x=xl;tem1=(xl-polypointi.x);/tem2=(xl-x1)*dy/dx+y1;/y/x=dy/dx-y=x*dy/dxtem2=tem1*(polypointi+1.y-polypointi.y)/(polypointi+1.x-polypointi.x)+polypointi.y;y=tem2;Bm_nB.x=x;Bm_nB.y=y;m_nB=m_nB+1;continue;if(polypointi.x=xl&polypointi+1.xxl)/*起点在内部,终点在外,求交点,然后起点,交点送入临时数组*/*保留内部点*/Bm_nB.x=polypointi.x;Bm_nB.y=polypointi.y;m_nB=m_nB+1;/*保留交点*/x=xl;tem1=(xl-polypointi.x);tem2=tem1*(polypointi+1.y-polypointi.y)/(polypointi+1.x-polypointi.x)+polypointi.y;y=tem2;Bm_nB.x=x;Bm_nB.y=y;m_nB=m_nB+1;continue;/把第一个点的数据拷贝到最后/形成裁剪后的多边形if（i=m_nA）Bm_nB=B0；/下-m_nA=0；for（i=0；im_nB；i+）if（Bi.yyb&Bi+1.yyb）与Weiler-Atherton算法、Vatti算法和Greiner-Hormann算法相比，本算法采用矢量数组结构、遍历多边形顶点并记录裁剪多边形和被裁减多边形交点及其前驱、后继信（下转第46页）中国新技术新产品2024 NO.4（下）-46-工 业 技 术随着电力市场改革的深化，电网对发电机组的调控要求不断提升。发电机组需要严格遵照电网调度要求启停或备用，如果出现启动不及时的情况，不仅会影响电网安全，还会受电网严厉的电量考核。发电机组启动条件之一就是定子转子绝缘合格，根据 DL/T 596电力设备预防性试验规程要求，对于 300MW 以上的隐极型电机，在 10 30下，转子绕组绝缘不低于 0.5M；对于一般母线，绝缘电阻不低于 1M/1kV1。本文调查了珠三角沿海地区 6 家发电厂的不同型号的静态励磁发电机组，包括 7 台 330MW 全氢冷同步发电机，2台 660MW 水氢氢冷同步发电机，2 台的 300MW 全氢冷同步发电机和 2 台 150MW 空冷同步发电机。当环境湿度 80%时，均出现励磁转子绝缘不合格的情况，因此解决该问题具有重要意义。静态励磁发电机的励磁转子设备结构基本相同，包括励磁直流回路（灭磁开关之后）、励磁直流封闭母线、励磁碳刷基座台板内的铜母排、励磁碳刷架、转子滑环、导电螺杆以及转子绕组等部分。本文从珠海某电厂QFR-340-2-16型静态励磁发电机的实践案例出发，分析励磁转子绝缘异常原因和应对措施。1 影响励磁转子外绝缘的因素某种沥青云母绝缘材料施加直流电压产生的电流类型如图 1 所示。向绝缘材料施加一个直流电压时，产生的总电流由 4 个分量电流组成，包括表面泄漏电流 IL、电容电流 IC、电导电流 IG和吸收电流 IA2。对于表面不洁净且湿润的绝缘材料，总电流以泄漏电流 IL和电导电流 IG为主，即绝缘体不随时间变化的表面电流和吸潮后产生的体积电流。发电机励磁转子外绝缘异常原因及措施分析李贵龙（中海油珠海天然气发电有限公司，广东 珠海 519020）摘 要：静态励磁发电机励磁转子绝缘合格是机组启动必要条件之一。然而调查发现，珠三角沿海地区数家发电厂的在潮湿天气下均出现励磁转子绝缘不合格的情况，影响电网安全和生产经营。因此本文分析了影响静态励磁发电机励磁转子外绝缘的因素，并结合沿海某电厂具体案例，分别从设备的潮湿、洁净情况和憎水性能等方面对励磁转子绝缘电阻异常原因进行了分析，并提出应对措施。实践表明，通过在励磁碳刷间内设置热风干燥回路、直流封母做穿墙封堵以及设置防潮加热器等措施，可明显改善励磁碳刷间各励磁转子设备和励磁直流封母线湿度，能有效解决励磁转子外绝缘异常问题，对解决类似问题具有借鉴价值。关键词：静态励磁发电机；励磁转子；绝缘受潮；憎水性；热风干燥中图分类号：TM621文献标志码：A息，而无须考虑输入多边形的方向、形状等，可以应对多边形边重合、边顶点相交等特殊的情况，实现多边形裁剪，并对建筑物侧面进行平滑处理。除建筑物外，采用该算法可以对路灯、井盖等地面物体进行批量单体化处理，效果良好6。3 结果与讨论结果表明，采用本多边形剪裁算法可以大幅提高工作效率，采用多边形剪裁方法能够快速、准确地提取目标对象的单体化模型。通过实景三维模型的可视化展示，能够直观地观察目标对象的单体化效果。该技术适用于不同领域的实景三维模型的单体化处理，具有广泛的应用前景。总之，基于多边形剪裁的无人机倾斜实景三维模型单体化技术是一项具有重要应用价值的研究。该技术研究能够提高实景三维模型的质量和精度，为相关领域提供更可靠的数据支持。同时，该技术具有高效性、可视化和实用性等特点，有广泛的应用前景，最终实现实景三维中国建设降本增效。参考文献1 刘勇奎，高云，黄有群.一种有效的多边形剪裁算法 J.软件学报，2003（4）：845-856.2 蔡松露，戚正威，梁阿磊.基于 GIS 环境中一种高效的多边形剪裁方法 J.计算机应用与软件学，2010（3）：40-45.3 郭功举.面向对象的复杂多边形裁剪实现 J.现代测绘，2003，26（4）：12-15.4F.COHEN，ETC.Modeling and sysnthesis of images of 3D textures surfaceJ.Graphical Modeling ang Image Processing，2016（53）：501-510.5GORDON PETRIE.Developments in digital photogrammetric systems for topographic mapping applicationJ.ITC Journal，2017（2）：101-105.6 向世明.OpenGL 编程与实例 M.北京：电子工业出版社，2019.（上接第39页）