城市級實景三維建模方法比較分析*

趙杏英 ，王金鋒

（1．中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 311122；2．浙江省工程數字化技術研究中心，浙江 杭州311122；3.浙江華東工程數字技術有限公司，浙江 杭州 311122）

實景三維建模依托傾斜攝影測量數據成果，結合攝影測量學、計算機圖形學算法，通過自動化處理手段，可獲得實景全要素、可量測的三維模型。現階段，城市級實景三維建模生產主要包括基于傾斜攝影測量技術的實景三維建模（簡稱傾斜三維建模）和基于激光雷達（LiDAR）與傾斜攝影測量技術的實景三維建模（簡稱LiDAR傾斜三維建模）兩種。

傾斜三維建模具有全自動生產、模型精度高、貼圖紋理色彩符合實際等特點。LiDAR傾斜三維建模可結合兩種技術手段各有優勢，改善建模效果、提高建模精度，解決了人工建模方式真實度和精度差的問題。

1 建模原理

傾斜三維建模采用匹配三維建模技術，即從大重疊度的傾斜影像立體像對中，利用同名點匹配方式，通過數學運算生成三維點云，在此基礎上快速構建三維模型，如圖1所示。

LiDAR傾斜三維建模，將獲取到符合要求的傾斜影像和區域點云成果，通過自動化或半自動化手段對兩種數據進行解算合成處理，快速生成三維模型，如圖2所示。

圖2 LiDAR 傾斜三維建模示意圖

2 生產流程

（1）傾斜三維建模，其主要生產流程如下：獲取多視角傾斜影像；密集點云提取，基于多視影像構建金字塔、進行密集匹配，提取密集點云；Mesh模型構建，基于點云構建Mesh模型幾何結構，包括構建不規則三角網、三角網的優化與光滑；紋理映射，即建立三角網與紋理的相互關系，完成實景模型的自動創建與紋理自動關聯；模型生產，按照成果格式要求輸出模型成果。

圖1 匹配三維建模示意圖

（2）LiDAR傾斜三維建模，其主要生產流程如下：利用機載LiDAR和傾斜攝影分別獲取LiDAR點云和傾斜影像；對獲取的點云進行分類；將分類后的地面點云數據生成區域DEM；利用區域DEM對航攝影像進行正射糾正，拼接生成區域DOM；建筑物建模，將精細分類完成的建筑物點云和糾正拼接生成的DOM導入建模軟件中，作為建模參考依據，然后編輯建筑物模型輪廓，得到三維白模；紋理貼圖，使用配準的傾斜影像進行紋理貼圖處理，最終生成整個城市的建筑物模型。

3 關鍵指標分析

3.1 自動化程度

傾斜三維建模，在密集點云提取、Mesh模型構建、紋理映射、模型生產等過程中可以實現軟件全自動化生產，自動化程度高。傾斜三維建模軟件市場化程度較高，國外的有Bentley公司的ContextCapture（原法國Acute 3D公司的Smart 3D Capture）、AgiSoft公司的Photo-Scan、Pix 4D公司的Pix 4D mapper、Astrium公司的Street Factory、Skyline公司的PhotoMesh，國內的有珠科創新的Altizure。以成熟度最高的Context Capture為例，單機可實現8000～10000張照片自動化處理和建模，若采用集群化處理方式，還可以大幅度提高其數據生產效率。

LiDAR傾斜三維建模，在點云分類、DEM生產、DOM生產、紋理貼圖等階段基本可以實現軟件的自動化生產，在建筑物建模上采用的核心建模算法不同，其自動化程度有一定差距。武漢華正的真實三維影像技術快速構建系統（3D Real World）能將傾斜影像與同區域激光點云兩種數據進行高度自動化的解算合成處理，快速生成實景三維模型。但該產品不對外銷售，核心算法并未公開，商業化程度低。除此之外，市場上主流的建筑物建模基本采用半自動的建模方式，即基于立體像對采集地物幾何輪廓，配合建立的模型庫，利用匹配擬合技術實現建筑物建模，典型的有德國Virtual City System的Building Reconstruction，瑞典海克斯康的Hex Map Real City。

3.2 可視化效果

傾斜三維建模是對地理空間的全要素表達，故模型真實、可靠。但由于該方法是基于攝影測量的原理，對于弱紋理地物、微小地物、近地面地物等建模上存在著天然的弊端，因此會造成弱紋理地物建模空洞、局部建筑結構缺失、紋理映射錯誤、紋理嚴重扭曲等問題，一定程度影響了實景三維模型的整體效果。

LiDAR傾斜三維建模可以充分發揮兩種技術手段的優勢，尤其是在建筑物建模上，能解決建筑物結構缺失，紋理映射等問題，改善建模效果，提高建模精度。但由于該方法側重于對地形、建筑物的表達，對于植被、景觀等地物要素的表達上相對不足。目前有兩種模式：一種是采用3dmax模型批量布置的方式進行表達，另一種是直接采用DEM、DOM建立的三維場景來進行表達，這兩種方式在真實性、逼真效果上都不如傾斜三維建模。

3.3 成果精度

傾斜三維建模雖然能夠進行嚴格的空三加密處理，但受到噪聲干擾或影像特征點不明顯等影響，匹配的結果具有很大的不確定性、隨機性，解算得到的三角網不能滿足相應比例尺定位精度的要求，基于此類數據進行的三維分析，結果可信度差。若要提高模型的精度，則需要降低飛行高度、提高傾斜影像地面分辨率；若要達到1∶1000的精度要求，則影像分辨率需要控制在3cm左右。雖然不少單位也在嘗試1.5cm、2cm甚至更高分辨率的影像，以滿足1∶500的精度要求，但此方法會顯著增加外業采集和內業建模工作量，因此不適合城市級實景三維建模項目。

LiDAR傾斜三維建模采用高精度的激光點云作為模型TIN網構造的數據源，其處理階段嚴格遵循攝影測量工藝，因此，具有非常高的測繪精度和精度可靠性，整體及局部的高程、平面精度均能夠達到1∶1000的比例尺精度標準。雖然LiDAR技術完全可以達到1∶500的精度要求，但融合傾斜攝影后，需要降低飛行高度、提高影像分辨率，出于安全性、項目成本因素的綜合考慮，現階段城市級實景三維建模精度一般以1∶1000為主。

3.4 生產成本

LiDAR傾斜三維建模由于同時采用了機載雷達（LiDAR）和傾斜攝影兩種技術手段，在硬件上，需要同時投入兩套設備，機載激光掃描設備昂貴，動輒需要幾百萬，因此設備成本較高。對于外業采集，該方法需要執行兩次航飛，分別獲得點云和傾斜影像，故外業生產周期相對偏長。對于內業生產，雖然傾斜影像少了模型生產環節，但介于目前主流的建筑物建模仍以半自動化建模為主，故整體生產周期相對偏長。總之，LiDAR傾斜三維建模相對于傾斜三維建模的生產成本要高。以1∶1000的精度為例，據市場調研，前者的生產成本大致為2.5萬元/km2，后者若采用地面影像分辨率3cm的實景三維模型生產成本大致為2萬元/km2。因此，前者更適用于大范圍的城市三維模型，一般建議生產任務在100km2以上時投入較為合適。

3.5 數據應用

在數據容量上，雖然LiDAR傾斜三維建模在外業采集階段需要獲取激光點云和傾斜影像兩種數據，原始數據量較大，但最終成果中的建筑物需以單體模型表示，其他植被、景觀等地物要素需采用3dmax模型加三維地形場景，或直接用三維地形場景來表示。相對于傾斜三維模型，LiDAR傾斜三維建模可顯著壓縮數據量，一般可降到傾斜三維模型的50%，因此更適合互聯網的傳輸和城市級展示。

在應用領域方面，上述兩種方法生產的實景三維模型都可用于面向公眾的展示和互聯網應用，可滿足規劃、國土、公安等領域對精度的要求，能進行數據的對象化管理，還能進行結果可靠的三維分析，適合作為基礎的城市空間數據。

4 結束語

文章根據建模原理、生產流程和關鍵指標等，深入探討當前主流的兩種城市級實景三維建模技術，可以看出這兩種方式各有優劣，實際應用時需要取長補短、合理選擇。雖然基于項目生產周期、生產成本等方面考慮，傾斜三維建模目前仍是城市級實景三維建模的主要手段。但隨著自動化建模、貼圖處理等自動化算法的不斷改進和完善，LiDAR傾斜三維建模憑借其集成多源數據的優勢將會在城市級三維建模中越來越發揮出其重要作用。

隨著機載雷達、移動激光掃描、無人機、傾斜攝影、空地一體化等技術的發展，為城市級實景三維模型的生產帶來了更多機遇和選擇，未來的城市級三維模型必定是多源模型融合的成果，可為智慧城市建設提供時效性更強、更真實、更精確、對象化程度更高的時空信息基礎設施，從而促進政府機構改革和職能轉變，全面提高城市治理水平。