基于VirtuoZo的快速三維建模方法探討

周智勇

(重慶市勘測院，重慶 400020)

1 引言

隨著計算機硬件軟件技術、多媒體技術和網絡通信技術的迅速發展，“數字地球”的概念——一種可以嵌入海量地理數據的、多分辨率的和三維的地球表示應運而生。經過近十年的研究和發展，數字城市三維模型的建設和應用越來越多。目前城市三維模型依據建設目標和技術不同大致可以分兩種:一是服務于城市規劃、建設、管理的精細三維模型建設。其主要技術路線是利用城市基礎地理信息數據(1∶500地形圖、數字正射影像等)，在專業三維建模軟件中對建筑、道路、水系、小品、植被等要素進行建模，貼圖通過處理實地拍攝獲取的相片得到，這種方法能逼真地表示城市的精細結構和材質特征，效果好但是所需時間成本和經濟成本較高;二是利用數字攝影測量技術的快速建模。通過數字攝影測量工作站可以方便地進行數字線劃圖的測繪、數字高程模型的獲取、數字正射影像圖的制作，以及采集建筑物頂，通過程序來生成建筑模型。目前技術已經發展到可以從立體像對中自動提取建筑輪廓、提取紋理，并對生成的建筑模型進行紋理映射，實現自動程序化生產。

2 快速三維建模方法與流程

基于數字攝影測量工作站(VirtuoZo)的快速三維建模基本思路如下:在航測內業空三加密完成后，生成立體像對文件。首先在VirtuoZo系統中建立立體像對，采集所有建筑物的頂部輪廓面，遵循從高到低的原則，將測區內所有建筑物的頂部輪廓面采集完成。接著采用自動加人工干預方式生成高精度數字高程模型(DEM)成果和數字正射影像圖(DOM)。再利用開發的程序將采集的建筑物頂部輪廓線垂直投影到DEM上，即生成建筑物體塊模型。然后將模型導入到3ds Max軟件中，利用外業實地拍攝的建筑物外立面相片進行模型校正和紋理映射，得到建筑模型。同時利用數字高程模型和數字正射影像，生成地形三維模型。最后將建筑模型和地形模型進行融合，得到快速三維模型成果。

3 建筑輪廓線數據采集

雖然目前技術已經實現了自動提取建筑物外輪廓，但是針對復雜一點的房屋，如圓形建筑、異形建筑、樓頂造型復雜建筑等，程序自動判別還達不到較為理想的結果。因此，為保證精度和建筑細部結構準確，采用人工采集建筑物頂部輪廓線。在VirtuoZo系統的IGS測圖模塊下，加載立體像對文件。按從高到低的采集原則，采集建筑物頂部的特殊造型、女兒墻、坡屋頂、電梯井等所有要素。其中要特別注意異形屋頂要按不同高程對輪廓面進行分開采集，坡屋頂沿著屋脊線分開采集。目的是為了防止后期模型高程出現塌陷。

4 DEM和DOM的生成

采用VirtuoZo系統的自動匹配生成等高線功能，套合立體影像進行人工干預編輯，處理等高線穿過建筑物、水域等情況，并增加采集道路特征線、廣場、山頭及洼地高程點等，生成數字高程模型(DEM)。再結合立體像對，制作數字正射影像(DOM)。此技術環節是航測生產流程中比較常規的數據生產方法，因此不再贅述。

5 模型生成

5.1 建筑模型生成

導入采集的建筑物頂部輪廓線矢量數據、精細DEM成果、空三影像數據，設置輸出模型和紋理的各項路徑和相關參數，采用開發的程序自動生成建筑模型。程序主要思路如下:按采集的建筑物輪廓線的高程從低到高投影到DEM。如先將建筑物的裙樓投影到DEM上，生成一個體塊，接著將塔樓輪廓線投影到裙樓頂生成另一個體塊，再將女兒墻投影到屋頂面生成體塊，依此類推，生成所有建筑物的體塊模型。并依據上下重疊關系，將同一棟建筑的裙樓、塔樓、女兒墻等進行合并。同時依據空三影像數據，從立體像對的影像上提取建筑物的紋理，并一一對應生成每個面的紋理數據，同步完成紋理映射。完成后的效果如圖1所示。

圖1 自動生成模型及提取紋理后效果

從影像上自動提取的紋理，除了屋頂上的效果能達到要求，側面的效果都不盡如人意，其主要原因有兩點:一是航飛數據重疊度不夠大，且不是傾斜攝影;二是樓層比較高的建筑，貼圖拉伸度太大。要徹底解決紋理清晰的問題，最好的辦法是實地拍攝相片，依據相片處理紋理。依據實地拍攝的照片處理紋理后的模型效果如圖2所示。

圖2 實地拍照處理紋理后模型效果

5.2 模型校正

基于投影原則的模型生成方法，會導致部分模型(如上寬下窄的建筑物、鏤空的架子、遮陽罩、亭子、懸空通廊等)會與現實存在出入，因此需對這些模型進行校正。依據 1∶500地形圖和實地拍攝的照片，對建筑模型進行修改，精化細部結構，提高準確度和仿真度。從圖3(a)可以看到遮雨棚是直接落到地面上的，依據實拍照片對模型進行校正后，模型變成了圖3(b)的效果。

圖3 模型校正對比效果圖

5.3 地形三維模型生成

不規則三角網(TIN)能夠充分表達地形的結構特征和細部信息，具有可變的分辨率。TIN既能很好地按地形特征如山脊、山谷線、地形變化線等表示數字高程特征，又能避免地形平坦時的數據冗余，對地形的描述具有很好的合理性。基于數字高程模型轉換成不規則三角網地形模型，同時為了便于后期調用和管理，將地形模型按標準 1∶2 000圖幅進行裁切，得到單個以1∶2 000圖幅命名的地形模型。為了保證紋理映射后精度，在單個 1∶2 000圖幅大小的地形模型中再細化為16個 1∶500圖幅大小的節點，同時將數字正射影像也裁切成 1∶500圖幅大小的圖片，并與地形模型一一映射，生成大范圍的地形三維模型。

6 試驗分析

6.1 試驗數據

以長壽區10 km2城區進行試驗。長壽區作為規劃中的重慶一小時經濟圈的大城市，距重慶江北國際機場僅40分鐘車程，以打造“三地一中心”(重慶工業高地、現代農業基地、休閑旅游勝地和區域物流中心)戰略發展目標。測區有全覆蓋航測空三加密成果，精度達到 1∶2 000線劃圖的要求。

6.2 試驗成果

采用本文3、4、5節技術流程進行三維建筑建模和地形建模。圖4為集成建筑模型和地形模型后的效果。

圖4 快速三維模型集成后效果

7 結語

在全球范圍內，對“數字地球”的相關研究正成為計算機與信息技術研究的熱點之一。城市三維模型是“數字地球“最核心和關鍵的技術之一。而基于數字攝影測量技術的快速三維建模具有以下優勢:

①建模速度快，程序自動化程度高，區域越大越能體現優勢;

②模型精度高。常規三維建模的樓高是依據樓層數推斷出來，樓頂造型是依據影像示意制作，而本文方法是從立體模型上精確采集。

③影像數據信息豐富。本文采用的地形模型疊加正射影像的三維地形制作方式，不僅包含了空間屬性，同時含有了豐富的影像信息。

④成本低。較高的自動化生產模式，減少了人工投入和時間投入，降低了時間成本和經濟成本，提高了生產效率。鑒于數字攝影測量技術三維建模的諸多優點，采用此方法進行大規模的城市三維建模是可行的。

［1］ 張祖勛，張劍清．數字攝影測量學［M］．武漢:武漢測繪科技大學出版社，1997．

［2］顧朝林，段學軍，丁濤方等．論“數字城市”及其三維再現關鍵技術［J］．地理研究，2002，21(1):14～21．

［3］陳愛軍，徐光，史元春．基于城市航空立體像對的全自動三維建筑物建模［J］．測繪學報，2002，31(1):54～59．

［4］史文中，吳立新，李清泉．三維空間信息系統模型與算法［M］．北京:電子工業出版社，2007．

［5］李成名，王繼周，馬照亭．數字城市三維地理空間框架原理與方法［M］．北京:科學出版社，2008．

［6］ 唐澤圣．三維數據場可視化［M］．北京:清華大學出版社，1999．