基于實景三維模型的單體化建模技術(shù)淺談

侯玉敏

（山西省測繪地理信息院第二測繪院，山西 太原 030001）

0.引言

最近幾年，無人機技術(shù)和傾斜攝影技術(shù)取得了快速發(fā)展及應用，無人機是一種動力驅(qū)動、無人駕駛、可重復使用的飛行器。它具有機動性強、靈活性強、低空飛行快速安全等特點。作為一種新的遙感圖像獲取方法，它被廣泛運用。

無人機傾斜攝影測量技術(shù)以范圍大、精度高、清晰度高的形式全方面感知不同的復雜場景，由此獲得的數(shù)據(jù)可以快速地生成直觀的實景三維模型，能準確地反映地物的方位、外觀等信息，為基礎(chǔ)測繪、地理國情、專題地圖制作等測繪產(chǎn)品提供參照依據(jù)，同時有效提升三維模型的生產(chǎn)效率。傾斜攝影技術(shù)是一項革命性建模技術(shù)，它的出現(xiàn)大大減少了人工成本和建模時間，提高建模的真實感，加速了三維GIS 技術(shù)的發(fā)展。

關(guān)于傾斜攝影，模型單體化技術(shù)始終是一個熱點問題。無論基于哪一種建模方案，受生成技術(shù)的限制，最終生成的是一個地表連續(xù)的數(shù)字地表模型。而在實際的應用中，不能對某個指定的建筑物進行單獨選擇和查詢，只能跟底圖一樣進行瀏覽，無法進一步深入運用，因此就非常有必要對其進行模型單體化，實現(xiàn)單獨管理，進行對象的選擇及查詢，提高數(shù)據(jù)的價值，使最終的模型既“好看”，又“實用”。

1.傾斜攝影三維建模關(guān)鍵技術(shù)

伴隨著“數(shù)字城市”建設的快速推進，作為地理信息框架的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，城市三維模型越來越受到廣泛重視。傳統(tǒng)的三維建模方法雖然在模型精細度上能夠得到很好控制，但無法滿足大范圍快速構(gòu)建城市三維模型的需求。傾斜攝影測量三維建模，以傾斜式航空攝影為數(shù)據(jù)源，通過集成傾斜攝影與垂直影像數(shù)據(jù)到統(tǒng)一的作業(yè)系統(tǒng)，構(gòu)建無死角三維建模環(huán)境，形成嚴格成像關(guān)系下真實紋理的三維重建，彌補了數(shù)據(jù)源的單一視角、遮擋等局限，集成化的建模環(huán)境大幅提升作業(yè)精度和效能。根據(jù)傾斜攝影組合數(shù)據(jù)源，克服影像在分辨率、攝影角度、影像輻射特性等方面的差異，通過POS輔助、DSM 引導、計算機圖形識別等技術(shù)綜合應用，實現(xiàn)自動化程度較高的高精度三維建模。

2.單體化建模

傾斜攝影三維建模軟件DP-Modeler 是一款集精細化單體建模及Mesh 網(wǎng)格模型修飾于一體的新型軟件。通過特有的攝影測量算法，支持航測影像、無人機影像、地面影像、車載影像、激光點云等多數(shù)據(jù)源集成，實現(xiàn)空地一體化作業(yè)模式，有效提高了三維建模的精度及質(zhì)量。通過軟件可以直接對照原始影像勾勒建筑物輪廓線，交互式建模，突破傳統(tǒng)立體像對作業(yè)方法，無需佩戴立體眼鏡，自動檢索多角度影像，具有在任意表面的精細操作，達到測圖級精度成果，測圖與建模同步完成，二、三維矢量完全對應便于后期分析應用。基于嚴格多視成像模型，基于拍攝角度、遮擋、投影面積等因素，優(yōu)選算法對幾何模型進行自動紋理映射，并一步完成修補、融合處理。

自動化生成的模型受生成技術(shù)的限制，最終生成的是一個地表連續(xù)的數(shù)字地表模型，無法單獨選擇和管理不同的對象，單體化則可以實現(xiàn)這一功能，它可以使我們想要單獨管理及查看的對象呈現(xiàn)出來。基于DP-Modeler 軟件對三維模型進行單體化建模后，通過對模型踏平、刪除等操作，使單體化模型與原有實景三維場景更好地融為一體，進而形成可單體化管理的高精度場景。具體的單體化操作流程（如圖1 所示）：

圖1 基于實景三維模型的單體化建模技術(shù)流程圖

2.1 單體化建模及紋理修飾

傾斜攝影的實景模型單體化主要包括矢量切割單體化、矢量疊加單體化和模型重建單體化3 種方式。這次我們主要研究的是單體化的重建，它是以連續(xù)傾斜攝影測量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源，通過在原有實景三維模型的基礎(chǔ)上對模型進行重建，從而實現(xiàn)不同對象的模型單體化。對某個建筑物進行單體化時我們應選擇多邊形繪制工具，在頂視圖視角下對影像提取建筑頂部輪廓線（如圖2 所示）。根據(jù)傾斜影像判斷建筑物高度，設定基準面，將平面模型通過擠出操作，轉(zhuǎn)化成立體模型。通過擠出柱體將其擠出到指定高度，再用 內(nèi)偏移及外擴、切割等操作來創(chuàng)建建筑物立體面以及房屋附屬結(jié)構(gòu)，例如屋檐、女兒墻、單元樓門洞等（如圖3 所示）：

圖2 建筑物頂部輪廓線

圖3 建筑物立體面

對建好的單體化模型進行一鍵貼圖，利用傾斜影像可以采集到建筑物不同層面的紋理特征，可以從相機影像中自動采集模型圖，然后可以通過一鍵完成來進行單體化模型的貼圖，效果（如圖4 所示）。對于個別不合適的面可以通過選擇最佳影像進行手動貼圖，以達到三維模型所需要的最佳效果（如圖5 所示）。自動映射與手動貼圖所得到模型貼圖，不免有些瑕疵，我們可以通過調(diào)用PhotoShop 進行紋理修改，修改后保存的貼圖可以在DP-modeler 下直接進行替換，無需查找貼圖。

圖4 建筑物自動紋理貼圖效果圖

圖5 建筑物手動紋理貼圖效果圖

2.2 建筑物輪廓線采集技術(shù)標準

2.2.1 輪廓線采集技術(shù)要求

建筑物輪廓線采集是后續(xù)制作建筑物三維模型的基礎(chǔ)，采集輪廓線時按如下規(guī)則進行矢量采集。

對于平頂建筑物，沿建筑物邊沿采集；對于人字形房頂，按兩次采集，先采集建筑物的邊緣線，使其直角化，再采集建筑物頂部屋脊線，將其拉升至實際高度，構(gòu)出斜面；對于復雜結(jié)構(gòu)，需要先后采集同一高度閉合的外輪廓線、各屋脊線、屋頂凸出結(jié)構(gòu)的輪廓線，對于圓或是弧，用五、六個點連起來表示。具體采集規(guī)則（如圖 6 所示）：

圖6 不同形狀建筑物輪廓線采集方案圖

2.2.2 數(shù)據(jù)采集指標

（1）郊區(qū)：房上房，高＞2.5 米，面積＞5 平方米；基本房，高＞2.5 米，面積＞5 平方米。城區(qū)：房上房，高＞2.5 米，面積＞2 平方米；基本房，高＞2.5 米，面積＞2平方米。

（2）在保持原有房屋外觀的情況下，高度差小于0.5 米的以及水平方向拐折小于0.5 米的房子視情況可以適當綜合。

（3）房上房必須抬到基本房上，該接邊的房子必須接邊，兩者之間不能出現(xiàn)空隙。

（4）房屋構(gòu)造線必須均勻有序，不能雜亂無章。

（5）高檔住宅，沿街道兩邊的商場，企事業(yè)單位，機關(guān)學校醫(yī)院等建筑，凡女兒墻高度大于0.5 米且寬度大于0.5 米的要單獨表現(xiàn)；高檔住宅，沿街道兩邊的商場，企事業(yè)單位，機關(guān)學校醫(yī)院以及工礦等建筑，凡女兒墻高度大于1.5 米（除廣告牌）女兒墻需要單獨表現(xiàn),女兒墻表現(xiàn)時都需要以房上房的形式表現(xiàn)。

2.2.3 各等級模型采集要求

（1）政府建筑、商業(yè)建筑、公共建筑大于0.5 米的凸凹部分需采集。

（2）沿街建筑大于0.8 米的凸凹部分需采集。

（3）建筑的屋檐、裝飾墻等結(jié)構(gòu)大于0.8 米以上需按照實際的尺寸、形狀采集，細節(jié)可以使用貼圖表現(xiàn)。

（4）突出門廳、進出口大門需要采集。

（5）建筑頂部結(jié)構(gòu)需要按照實際情況采集，不能出現(xiàn)比例、結(jié)構(gòu)形狀與實際不符的情況。

（6）建筑的女兒墻需要按照實際高度、寬度采集，居民自建房屋除外。

（7）沿街建筑如有面積較小，面數(shù)較多的情況，如百葉窗、欄桿等，可做成塊狀，直接貼影像。

（8）建筑重要面的裝飾柱（墻線）凹凸在1 米以上需要采集。

（9）房屋墩、柱：直徑大于 1 米，且高度大于1.5 米需要采集。

（10）圍墻需要采集。

（11）屋頂裝飾物：投影面大于4 平方米，或者最長的一邊大于2 米的幾何造型必須采集。

2.3 三維建模技術(shù)標準

2.3.1 城市三維幾何模型

（1）建筑直角化。勾勒建筑輪廓線時要在垂直影像（頂視圖）上操作，描繪時盡可能地避免取消直角約束，保證建筑的邊角為直角。

（2）建筑咬合問題。模型不得有漏縫、共面、廢點等現(xiàn)象。建筑各結(jié)構(gòu)需保證咬合，避免出現(xiàn)大的穿插、與主體分離的現(xiàn)象。

（3）建筑比例問題。建筑各結(jié)構(gòu)的比例要與實際相符。

（4）模型同一空間位置上的點要對齊并且焊接（不要存在2 個和多個點的問題存在）。

（5）模型重面。應遵守不同細節(jié)層次模型面數(shù)生產(chǎn)要求，看不到的面或多余面應刪除，交叉面的情況下沿街模型穿插大于1 米需要刪除，非沿街模型不需處理。模型應避免出現(xiàn)重面，否則后期平臺里會出現(xiàn)黑面閃爍的現(xiàn)象。同一法線方向的兩個面之間避免共面閃爍。

（6）不同層次的幾何模型在數(shù)據(jù)量上應至少有一個數(shù)量級的差別。

（7）統(tǒng)一參照。所有模型應在統(tǒng)一的參照系下，模型的坐標位置和高程數(shù)據(jù)應準確。模型數(shù)據(jù)應統(tǒng)一以“米”為計量單位。模型自身軸心點統(tǒng)一為獨立object中心。

2.3.2 城市三維模型紋理

（1）貼圖UV 編輯。由于模型建模時的直角化操作，或程序自動選片的出入，導致模型面與貼圖結(jié)合不準確，需人工編輯UV 或PS 貼圖，調(diào)整至合理狀態(tài)。

（2）重復紋理使用。弧形結(jié)構(gòu)由于貼圖時比較繁瑣，可以采用手工編輯UV 與影像中的弧形匹配，匹配完成后在MAX 立面視圖中渲染出圖，在此基礎(chǔ)上處理拼接問題。在保證與周圍墻面貼圖融合的前提下，允許使用重復紋理。

（3）光影統(tǒng)一。建筑的光影必須保持方向統(tǒng)一，避免出現(xiàn)光影錯亂的現(xiàn)象。

（4）應與幾何模型細節(jié)層次相匹配。

（5）貼圖紋理統(tǒng)一以*.jpg 格式存儲。

（6）貼圖紋理使用原始尺寸。

（7）有效模型面必須賦予貼圖。

（8）對錯誤及漏建的結(jié)構(gòu)貼圖時需要根據(jù)影像改正模型。

（9）貼圖不可出現(xiàn)拉伸、扭曲、變形的現(xiàn)象。

（10）貼圖時對過曝、過黑的貼圖需進行影像亮度及色差調(diào)整。

（11）建筑樓層要對齊，避免出現(xiàn)接縫沒對齊、樓層錯層的現(xiàn)象。

2.4 三維模型與紋理命名規(guī)則

（1）命名應合理、簡明。

（2）名稱使用字母、數(shù)字和下劃線表示。

（3）不區(qū)分大小寫字母，統(tǒng)一使用小寫字母表示。

（4）所有模型名稱及紋理命名必須唯一。

（5）命名規(guī)則應具有可擴充性。

（6）所有模型名稱及紋理名稱應考慮數(shù)據(jù)集成通用性命名。

3.結(jié)束語

無人機技術(shù)和傾斜攝影技術(shù)已成為快速制作實景三維模型及獲取三維地理信息數(shù)據(jù)的重要手段，可以真實有效獲取地表特征和地面人工建筑。但是，在實景三維模型的應用過程中發(fā)現(xiàn)，其存在“可遠觀不可近看，可瀏覽不可查詢”的問題，這些問題直接制約著傾斜實景三維模型廣泛應用，本文詳細介紹了以DP-Modeler 為單體化平臺對建筑物進行單體化建模的作業(yè)流程及幾何模型制作和模型紋理貼圖的技術(shù)標準。此作業(yè)流程已取得了較好的適用性，可為其他項目做可行性參考。