基于航空攝影測量的建筑物精細化采集與三維建模技術(shù)研究

李錫偉胡耀崇任思思

（1.黑龍江地理信息工程院，黑龍江 哈爾濱150081；2.黑龍江省海天地理信息技術(shù)股份有限公司，黑龍江 哈爾濱150025）

0.引言

隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展，對基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)的要求逐步提高，二維數(shù)據(jù)已不能滿足日益增長的需求，三維模型產(chǎn)品憑借其能夠全方位真實直觀地展現(xiàn)地物地貌的優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用到各行各業(yè)。目前三維數(shù)據(jù)的生產(chǎn)主要是以航空攝影測量技術(shù)、LiDAR數(shù)字?jǐn)z影測量技術(shù)、傾斜攝影測量技術(shù)為主[1]，如何快速構(gòu)建精細化三維模型，已經(jīng)成為當(dāng)下新型基礎(chǔ)測繪研究與應(yīng)用的一個熱點。

利用航空攝影測量技術(shù)方法對建筑物進行精細化立體采集，既能保證建筑物整體輪廓的完整一致，又能保證房頂天窗、房脊等各層次的細節(jié)表達；并且利用立體采集獲取的高精度三維房屋輪廓線與房屋頂部構(gòu)造線，可以快速構(gòu)建高精度、精細化的三維建筑物模型，實現(xiàn)建筑物細節(jié)與原貌的真實展現(xiàn)。

歐洲眾多建筑物歷史悠久、風(fēng)格獨特、造型多樣、層次復(fù)雜、排列緊密，該類型建筑物在細節(jié)表達和建模效率方面均具有諸多困難。基于航空攝影測量的建筑物精細化采集與三維建模技術(shù)，在效率與效果方面具有其獨特的優(yōu)勢。本文將結(jié)合歐洲某城市建筑物精細化采集和三維建模的實際，探索總結(jié)出一種基于航空攝影測量方式的三維建模技術(shù)方法，旨在為三維建筑物模型的制作和應(yīng)用提供一定的指導(dǎo)。

1.基于航空攝影測量的建筑物精細化采集與三維建模關(guān)鍵技術(shù)

基于航空攝影測量的建筑物精細化采集與三維建模，首先，要在立體環(huán)境下精確采集建筑物的輪廓線（邊線）、房脊線、房頂點等房屋特征要素；然后，基于航測立體環(huán)境下俯瞰圖的視角，將所采集的要素對象堆積到一起；最后，將其垂直投影到地面上構(gòu)建立體模型。關(guān)鍵技術(shù)主要包括以下幾方面：

1.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

基于航空攝影影像與其空三加密成果，利用攝影測量立體采集系統(tǒng)，恢復(fù)立體模型，在立體狀態(tài)下檢測精度，滿足精度需求后方可進行三維建筑物的精細化特征要素采集。一般數(shù)據(jù)采集前需制作三維建筑物采集符號庫，并定義建筑物輪廓線、構(gòu)架點、構(gòu)架線、房脊、天窗等采集實體的分層與編碼（如表1所示）：

表1三維房屋立體采集實體的分層與編碼

1.2 三維建筑物要素采集

復(fù)雜建筑物對于精細化采集的精度要求極高，因此，采集三維建筑物時需要打開“人工調(diào)整”功能，以保證要素采集的高程精確。按照造型，建筑物通常可分為四類：平頂房、尖頂房、起脊房、房上房。

在立體采集過程中要注意以下方面：

（1）平頂房采集時房頂邊線節(jié)點高程要基本水平，各個角點之間不能出現(xiàn)大的高差。

（2）起脊房采集時房屋前邊線、房屋后邊線、房脊線三條邊線節(jié)點高程要求各自水平。

（3）尖頂房邊線節(jié)點高程同起脊房，房頂點用房屋結(jié)構(gòu)點表示。

（4）房上房一般房屋上面的天窗，天窗的邊線節(jié)點高程采集要求同起脊房。

（5）采集所有面積大于20平方米的房屋，當(dāng)房頂高差大于40厘米時需要拆分采集，不同層次、不同平面或不同斜面房頂需要拆分采集。

（6）空間相交的房屋邊線、房脊線和房屋邊線要確保二維捕捉。為了提高采集的效率，房屋邊線可以暫時不與房脊線三維捕捉，在編輯過程中進行房脊的自動捕捉。

1.3 要素編輯處理

建筑物三維要素采集完成后，轉(zhuǎn)出到編輯軟件中進行精細化編輯。由于建筑物比較復(fù)雜，采集過程中易出現(xiàn)懸掛點、縫隙、相交、重疊等拓?fù)鋯栴}，編輯過程中需要檢查數(shù)據(jù)的拓?fù)潢P(guān)系，并處理好數(shù)據(jù)的拓?fù)鋯栴}。此外，還需處理好房屋邊線與房脊的關(guān)系。三維建筑物采集的要素數(shù)量較多且層次關(guān)系復(fù)雜，為提高數(shù)據(jù)采集工作效率，房屋邊線和房脊線需單獨采集，并依照房屋面與房脊線的空間關(guān)系，將每個建筑物的房脊和房屋邊線空間位置進行三維貼合。

1.4 要素成果質(zhì)量控制

為保證后期三維模型創(chuàng)建正常進行，三維建筑物要素數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制尤為重要，需保證所采集數(shù)據(jù)的拓?fù)潢P(guān)系正確，屋頂?shù)钠矫婧托泵娌荒艹霈F(xiàn)大于20度的坡度。因此，首先要對所有房屋建立拓?fù)潢P(guān)系，檢查拓?fù)潢P(guān)系正確性，之后，通過坡度分析工具，檢查每個房屋各個平面、斜面的坡度是否正確，單個節(jié)點坡度大于20度需重新進行立體檢查與修改。

1.5 建筑物三維建模構(gòu)建

利用上述立體采集得到的三維要素矢量數(shù)據(jù)，建立三維屋頂表面模型，并將其垂直投影到地面上。簡單房屋利用采集的點、線、面高程信息，直接進行表面模型構(gòu)建；對于要素復(fù)雜房屋需要區(qū)分各層次的類別，結(jié)合建筑物各層次表面信息，分別完成建筑物的三維模型構(gòu)建，結(jié)合采集的高程信息垂直投影到地面形成空間立體模型。

（1）由2個要素組成的簡單屋頂

（2）由多個要素構(gòu)成的復(fù)雜屋頂

（3）房屋的三維模型制作

2.實驗與結(jié)果

2.1 實驗數(shù)據(jù)

本次實驗利用歐洲某城市部分受保護建筑區(qū)域的真實航空攝影數(shù)據(jù)。采用UltraCam Eagle M3相機獲取航空影像，相機的焦距為100.5毫米，像素大小4微米，影像地面分辨率0.05米（如圖1所示），航攝影像精度很高，具有高精度POS數(shù)據(jù)基于Inpho軟件進行空中三角測量，解算高精度的外方位元素。該項目對房屋采集精度要求非常高，數(shù)據(jù)采集前要先做精度檢測，符合精度要求才可以進行下工序的生產(chǎn)作業(yè)，房屋采集的平面精度和高程精度控制在0.05米以內(nèi)，所以采集窗口放大到3倍進行數(shù)據(jù)采集工作。

圖1建筑物的航攝影像

2.2 要素矢量采集結(jié)果

基于UltraCam Eagle M3航射影像、Inpho格式的空三加密成果、成圖范圍線、模型范圍線、精度檢查點坐標(biāo)和檢查點位置圖片等資料，本次數(shù)據(jù)采集主要采用航天遠景的MapMatrix軟件進行三維房屋的立體采集。首先，基于MapMatrix軟件建立數(shù)據(jù)符號庫，設(shè)定各層要素的編碼及符號特征屬性；之后，恢復(fù)立體模型，采集的建筑物要素矢量數(shù)據(jù)，在采集過程中同一高度的線段不允許產(chǎn)生高差，房屋邊線和房脊線不能有多余節(jié)點產(chǎn)生。采集過程中必須開啟軟件“人工調(diào)整”功能，為了保證不轉(zhuǎn)動腳盤的情況下，鼠標(biāo)移動測標(biāo)，測標(biāo)的高程不發(fā)生變化，才能保證數(shù)據(jù)采集成果同一高度的房屋邊線高程基本相同，所以數(shù)據(jù)采集過程中不允許同層、同一高度的房屋面產(chǎn)生傾斜角度。該項目的房屋比較復(fù)雜，數(shù)據(jù)采集中需要先采集不同層次、不同高度、不同實體的面，在面的基礎(chǔ)之上采集房脊和房屋結(jié)構(gòu)線，構(gòu)成一個三維的房頂。采集過程中除了注意“人工調(diào)整”外，還要特別注意數(shù)據(jù)的捕捉，房屋比較復(fù)雜線條很多，一定要在采集過程中處理好捕捉的問題，不允許出現(xiàn)懸掛點和偽節(jié)點，相同高度的數(shù)據(jù)使用三維捕捉，不同高度的數(shù)據(jù)要進行空間二維捕捉，形成無縫隙完整房屋頂面（如圖2所示）：

圖2采集的三維建筑物要素矢量

2.3 編輯處理結(jié)果

三維房屋編輯處理工作，一方面是檢查房屋采集過程中產(chǎn)生的錯誤，進行數(shù)據(jù)檢查工作；另一方面是處理房脊與房屋之間的關(guān)系，做房屋邊線和房脊的粘合。數(shù)據(jù)采集完成后，首先將采集的三維房屋轉(zhuǎn)出到AutoCAD中，對房屋數(shù)據(jù)進行編輯，之后檢查房屋懸掛點、偽節(jié)點和線上的多余節(jié)點，檢查房屋之間的空間關(guān)系是否正確，結(jié)合ArcGIS軟件檢查三維房屋的拓?fù)潢P(guān)系，使用CAD軟件檢查數(shù)據(jù)空間三維關(guān)系是否正確，在保證采集數(shù)據(jù)沒有錯誤的情況下，最后使用基于AutoCAD Lisp二次開發(fā)屋脊處理軟件，在AutoCAD中處理房屋與屋脊之間的空間關(guān)系，房屋面和屋脊實現(xiàn)自動三維捕捉，獲取最終數(shù)據(jù)成果。其中紅色線為房脊線，藍色線為房屋邊線（如圖3所示）：

圖3房邊線和房脊線捕捉關(guān)系

2.4 三維模型結(jié)果

利用數(shù)字化技術(shù)，建立虛擬的建筑物的三維模型，為這個模型提供完整的、與實際情況一致的建筑工程信息庫。基于AutoCAD軟件處理好數(shù)據(jù)的三維關(guān)系和邏輯關(guān)系，保證幾何數(shù)據(jù)的正確性。結(jié)合ArcGIS Multipatch創(chuàng)建三維屋頂表面，并將三維房屋投影到地面，完成三維模型構(gòu)建（如圖4所示）。相比較采用傾斜攝影結(jié)合LiDAR點云的方式建立三維模型，數(shù)據(jù)化采集的方式建立的三維模型更加精細化，建筑物的每一層結(jié)構(gòu)都很完整，包括房頂?shù)奶齑暗雀綄僭O(shè)施沒有產(chǎn)生任何的損失。

圖4房屋三維模型

2.5 三維場景結(jié)果

在三維房屋白模制作的基礎(chǔ)上，進行房屋側(cè)面紋理貼圖，并疊加數(shù)字正射影像和數(shù)字高程模型等成果，構(gòu)建三維場景（如圖5所示）。構(gòu)建好的三維模型可以應(yīng)用于工程設(shè)計、建造、管理的數(shù)據(jù)化工具，通過對建筑的數(shù)據(jù)化、信息化模型整合，在項目策劃、運行和維護的全生命周期過程中進行共享和傳遞。該信息庫不僅包含描述建筑物構(gòu)件的幾何信息、專業(yè)屬性及狀態(tài)信息，還包含了非構(gòu)件對象（如空間、運動行為）的狀態(tài)信息。

圖5三維場景

3.結(jié)束語

本文探討了基于航空攝影測量的建筑物精細化采集與三維建模關(guān)鍵技術(shù)，并利用歐洲某城市真實航攝影像進行驗證，形成一套可行的航空攝影測量三維建模技術(shù)方法。在本文構(gòu)建的三維建筑物模型基礎(chǔ)上，進一步完成房屋側(cè)面紋理貼圖，并疊加數(shù)字正射影像和數(shù)字高程模型等成果，可用于三維場景展示。同時，本項目生產(chǎn)的三維模型為單體化模型，可單獨賦屬性和編輯，便于后期成果的分析利用。

目前，高精度三維模型的應(yīng)用越來越廣泛，利用具有現(xiàn)實景觀的三維信息來還原地面特定區(qū)域的優(yōu)勢非常多。伴隨著具有現(xiàn)實三維體驗的可視化，利用相關(guān)算法（如信號傳播算法或感知研究）可為當(dāng)?shù)卣㈦娦呕蜃稍児镜姆?wù)創(chuàng)造巨大優(yōu)勢，將被廣泛應(yīng)用于智慧城市建設(shè)、建筑信息模型（BIM）、古建筑保護、市政基礎(chǔ)設(shè)施管理等多個行業(yè)。