全景地圖在城市三維建模中的應用

盧丹丹，譚仁春，李 維，吳易璿

（1.武漢市測繪研究院，湖北 武漢 430022）

全景地圖在城市三維建模中的應用

盧丹丹1，譚仁春1，李 維1，吳易璿1

（1.武漢市測繪研究院，湖北 武漢 430022）

以武漢市數字城市建設為例，重點研究了全景地圖在城市三維建模的數據采集、模型制作和成果檢查等環節的應用，為輔助三維數字城市建設提供了一條行之有效的解決思路。

全景地圖；數字城市；三維建模

全景地圖是一種基于全景技術與電子地圖發布技術相結合的可定位展示真實場景的虛擬現實技術[1]。實現了360°全景融合和無縫拼接，并具有數據采集效率高、后續處理簡單、更新周期短、網絡運行速度快及成本低等特點，已廣泛應用于城市管理、房地產開發、旅游、教育等領域。將全景地圖作為傳統影像數據庫的補充，為城市三維建模的數據采集、模型制作和成果檢查提供基礎數據，可有效提高城市三維建模的數據質量和工作效率，為輔助三維數字城市建設提供一條行之有效的解決思路。

武漢市測繪研究院于2010年自主研發完成了基于武漢CORS的全景地圖采集器，完成了武漢市建成區內主次干道（約2 200 km）的全景地圖采集、處理與互聯網發布（www.vrwuhan.com），建立了武漢市全景地圖系統。目前，該系統已廣泛應用于武漢市三維數字城市建設的數據采集、模型制作及成果檢查和更新的全過程。

1 在三維建模數據采集中的應用

1.1 紋理數據采集

由于航空影像容易獲取，因此地形紋理與建筑物頂部紋理也較易獲取，相對而言，建筑物側面紋理的獲取遇到了與建筑物高度獲取同樣的問題[2]，文獻[2]提出了4種紋理獲取方式，其中地面攝影像片直接提取的方式由于所建模型真實感強[2]，獲取方法簡單，被廣泛應用于城市三維模型建設中。全景地圖收集大量沿街建筑物側面圖像信息，且具有獲取速度快、地理定位明確、圖像自動拼接和空間邏輯清晰的特點，能有效彌補實地紋理采集效率低、數據量大和后期圖像檢索困難的缺點。通過全景地圖系統和傳統手工地面攝影的對比發現，全景地圖的外業紋理采集效率是傳統手工地面攝影的36倍以上，內業處理則采用軟件自動拼接完成360°全景圖像，比傳統單張像片的手工編號整理在空間邏輯和工作效率方面都有顯著提升。以武漢市三維數字地圖生產為例，采用全景地圖系統和傳統手工地面攝影兩種方式進行紋理數據采集的效率對比如表1所示，全景地圖與實地拍照的數據量對比如圖1所示。

表1 紋理數據采集效率對比

1.2 高程數據采集

城市三維建模中高程數據的采集通常采用文獻[2]中的5種方法，通過這些方法能夠快速獲得地形、建筑物和交通設施的高程信息，但對于三維場景中植被、路燈等這些小品數據的高程采集并未提及，而小品的高程精度對整個三維場景的效果體現至關重要。全景地圖除了提供“三維直觀”的視覺效果外，還具備測量功能，精度可達10 cm。利用全景地圖量測技術制作三維場景時，可實時采樣測量獲取道路兩邊的植被和路燈高度，彌補植被和小品高程獲取困難的問題，使小品模型的建模比例更加協調，場景效果更加真實。

2 在三維模型制作中的應用

城市三維模型制作內容主要包括：地形模型、建筑模型和交通設施模型[3]，每類模型制作都可利用全景地圖提高模型制作效率和效果。

圖1 全景地圖與實景照片數據量對比

2.1 地形模型制作

地形模型制作的常用方法是以數字線劃圖為依據，以航空影像地圖為參考，手工CAD建模制作。該方式對于平坦地區建模效果較好，當建模區域地形起伏較大時，便無法從線劃圖或航空影像圖中直觀準確地獲取地形起伏信息，導致地形建模效率不高或效果不好。利用全景地圖的地面視角瀏覽和全景地圖量測技術，可以快速獲取地形起伏區域的地面特征及特征點高程，為地形建模提供參考依據。

2.2 建筑模型制作

建筑模型通常采用批量自動建模和CAD建模2種方式，并利用照片作為建筑物立面細節模型的表現或依據，存在細節表現不到位或建模效率不高的問題。建筑立面建模中引入全景地圖，能夠快速獲得建筑物360°立面特征，準確把握建筑立面的建模重點，在保證模型精度的前提下，提高建模效率。

2.3 交通設施模型制作

逐漸增多的交通設施模型（特別是城市立體交通模型），因其自身結構復雜，錯落交織，常規航空影像圖和基本地形圖只能獲取交通設施模型的平面位置信息，缺少高度和立面結構信息，使得交通設施建模成為城市三維建模的難點之一。全景地圖能夠反映城市交通及附屬設施的結構特征，并通過360°全景瀏覽，全面展現交通設施與周邊環境的關系，快速判讀模型高度和結構信息，為交通設施三維模型的制作提供詳實的基礎數據。以全景地圖為基礎數據制作的城市立體交通設施三維模型效果如圖2所示。

圖2 利用全景地圖制作城市立體交通三維模型

3 在三維模型檢查中的應用

檢查驗收是城市三維建模的最后一個環節。傳統檢查驗收方法通常將三維模型與二維CAD線劃圖、航空影像圖或實地照片進行對比，檢查三維模型數據的準確性、完整性、邏輯一致性和表現效果，該方法在進行二維影像（特別是實地照片）與三維模型的空間位置匹配和圖像檢索方面耗時較多，成為影響檢查效率的主要因素之一。由于全景地圖具有空間定位速度快、效果真實直觀和360°超寬視角瀏覽等優勢，武漢市測繪研究院通過開發三維模型全景檢查軟件，實現全景地圖和三維場景的雙屏關聯定位，解決三維模型檢查中實地照片檢索與空間定位速度較慢的問題，有效提升了對三維模型完整性、邏輯性和表現效果檢查的工作效率。

3.1 完整性檢查

通過對照全景地圖，可以快速聯動檢查三維模型對象的完整性，主要檢查內容包括：橋梁、隧道和輕軌等立體交通設施的主體、橋墩、LOGO、欄桿、拉索、樓梯等的結構和分布特征與實地是否一致；建筑模型窗戶陽臺結構、臨街店面與實地是否一致；欄桿、路燈和景觀樹的分布特征、類型、大小與實地是否一致。通過對照全景地圖，三維模型的完整性檢查效果如圖3所示。

3.2 邏輯性檢查

通過對照全景地圖，可以快速聯動檢查各類三維模型的邏輯合理性，主要檢查內容包括：地上建筑物、交通設施、植被、路燈等對象與地面銜接處的邏輯性是否正確；各類模型對象的比例關系是否合理。通過對照全景地圖，三維模型的邏輯性檢查效果如圖4所示。

3.3 表現效果檢查

沿街各類三維模型的表現效果是影像整個三維場景效果的主要因素之一。通過對照全景地圖，可以快速聯動地對該內容進行檢查，主要檢查內容包括：沿街地上建筑物、交通設施和地形景觀的顏色與材質與實地是否一致；沿街整體瀏覽效果是否協調。通過對照全景地圖，三維模型的表現效果檢查如圖5所示。

圖3 對照全景地圖檢查前和修改后的三維模型完整性對比

圖4 對照全景地圖檢查前和修改后的三維模型邏輯性對比

圖5 對照全景地圖檢查前和修改后的三維模型表現效果的對比

4 結 語

雖然全景地圖在城市三維模型的數據采集、模型制作和成果檢查中提供了豐富的數字影像參考依據，顯著提高了三維模型的數據質量和生產效率，但還存在人行支路等區域影像采集困難、超高建筑變形較大的缺點。隨著全景地圖技術的不斷發展和全國全景地圖系統的逐步建立，全景地圖在三維數字城市建設中的應用將更為廣泛。

[1] 李海亭,彭清山,王閃,等. 數字城市中的全景地圖系統建設方法研究[J].測繪通報,2011(4):71-73

[2] 孫敏,陳軍. 3維城市模型的數據獲取方法評述[J].測繪通報,2000(11):4-6

[3] CJJ/T 157-2010.城市三維建模技術規范[S].

[4] 張岳.基于全景影像的二三維地圖系統研究[J].大壩與安全,2013(2):27-35

[5] 李海亭,張淼,彭清山.城市地理信息系統中的全景地圖技術研究[J].城市勘測,2011(3):39-42

[6] 畢碩本,張國建,候榮濤,等.三維建模技術及實現方法對比研究[J].武漢理工大學學報,2010(16):26-30

[7] 譚仁春.三維城市模型的研究現狀綜述[J].城市勘測,2007(3):42-46

P208

B

1672-4623（2016）10-0056-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.10.016

盧丹丹，碩士，高級工程師，主要從事3DGIS開發研究。

2015-06-02。

項目來源：精密工程與工業測量國家測繪地理信息局重點實驗室開放基金資助項目（PF2013-13）。