基于多源數(shù)據(jù)集成的城市建筑物三維建模方法

宋仁波， 朱瑜馨， 郭仁杰， 趙鵬飛， 趙珂馨， 朱潔， 陳穎

(1.無(wú)錫學(xué)院大氣與遙感學(xué)院，無(wú)錫 214105； 2.淮陰師范學(xué)院城市與環(huán)境學(xué)院，淮安 223300)

0 引言

建筑物三維建模是運(yùn)用計(jì)算機(jī)圖形圖像處理技術(shù)，將建筑物的二維平面圖轉(zhuǎn)換為三維模型并進(jìn)行立體顯示的一門科學(xué)技術(shù)，在城市景觀規(guī)劃、建筑設(shè)計(jì)、軍事仿真、旅游開發(fā)、導(dǎo)航開發(fā)以及古建筑物保護(hù)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值[1-3]。近年來，隨著各地?cái)?shù)字城市、虛擬城市和智慧城市建設(shè)速度的加快，建筑物三維建模已成為測(cè)繪、GIS和建筑等領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[4-7]。建筑物三維建模技術(shù)的核心是根據(jù)建筑物的幾何信息構(gòu)造其立體模型，利用相關(guān)建模軟件或編程語(yǔ)言生成其三維模型，并賦于模型表面紋理貼圖進(jìn)行立體圖形顯示。現(xiàn)有的建筑物三維建模方法主要?dú)w納為4類： ①利用機(jī)載激光雷達(dá)或地面三維掃描儀獲取建筑物的三維點(diǎn)云構(gòu)建其三維模型[6,8-11]，需要購(gòu)買或租賃數(shù)據(jù)采集裝備，建模成本高； ②利用衛(wèi)星遙感、航空遙感、無(wú)人機(jī)遙感結(jié)合攝影測(cè)量技術(shù)獲取對(duì)象的多視角影像構(gòu)建其三維模型[5,7,12-16]，需要借助專業(yè)攝影測(cè)量軟件，操作人員需要經(jīng)過專業(yè)的技術(shù)培訓(xùn)才能掌握； ③利用形狀文法或知識(shí)規(guī)則描述建筑物的結(jié)構(gòu)和部件組成[17-18]，通過編寫計(jì)算機(jī)程序自動(dòng)生成建筑物的三維模型，具有自動(dòng)化程度較高的優(yōu)點(diǎn)，但需要復(fù)雜的算法設(shè)計(jì)和編程經(jīng)驗(yàn)、技能； ④組合遙感、攝影測(cè)量和激光雷達(dá)點(diǎn)云的方法[18]，該方法建模精度高，但同樣需要復(fù)雜的數(shù)據(jù)預(yù)處理和大量編程實(shí)踐。此外，上述建模方法都需要三維建模軟件的支持才能完成模型的構(gòu)建[19-25]，綜上所述，上述方法在推廣和應(yīng)用時(shí)都受到成本和技術(shù)條件的限制，實(shí)用化仍然是建模需要克服的難點(diǎn)和障礙，因此，非常有必要研究和開發(fā)實(shí)用、可操作性強(qiáng)的城市建筑物三維方法，并將其推廣應(yīng)用于數(shù)字城市、虛擬城市和智慧城市等領(lǐng)域的研究和工程實(shí)踐中。

近些年來，無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)飛速發(fā)展[26-28]，為近距離地表空間測(cè)繪數(shù)據(jù)的獲取、處理和分析提供了更加豐富的技術(shù)手段，也使得提取地物對(duì)象的精度得到大幅度提升，使得建筑物精細(xì)化三維建模成為技術(shù)趨勢(shì)[29-31]。目前，百度、谷歌、高德、騰訊、天地圖等公司及國(guó)家測(cè)繪地理部門都提供在線的地圖服務(wù)，不僅能夠提供傳統(tǒng)的電子地圖和遙感影像，而且支持城市全景影像圖功能，用戶可以借助地圖下載工具免費(fèi)獲得多源測(cè)繪數(shù)據(jù)，為用戶多視角觀察地面目標(biāo)，獲取建筑物三維信息提供更加豐富的數(shù)據(jù)源，集成多源測(cè)繪數(shù)據(jù)進(jìn)行建筑物三維建模已成趨勢(shì)。同時(shí)，計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的不斷進(jìn)步，促使GIS技術(shù)不斷革新，GIS軟件系統(tǒng)已由基本的數(shù)據(jù)處理、分析和制圖工具向嵌入式GIS系統(tǒng)、分布式GIS系統(tǒng)和三維GIS系統(tǒng)3個(gè)方向發(fā)展，尤其是 GIS系統(tǒng)提供的強(qiáng)大建模功能，使用戶能夠在短時(shí)間內(nèi)設(shè)計(jì)出滿足用戶特定任務(wù)要求的模型，這些都使得大范圍、大批量城市建筑物的三維建模與可視化分析成為現(xiàn)實(shí)。 綜上所述，針對(duì)數(shù)字城市、虛擬城市、智慧城市領(lǐng)域的研究和工程實(shí)踐迫切需要實(shí)用、可操作性強(qiáng)和自動(dòng)化程度高的建模方法，本文提出一種基于多源數(shù)據(jù)集成的建筑物三維建模方法，集成高分辨遙感影像、無(wú)人機(jī)航空影像、建筑物電子地圖、全景影像為數(shù)據(jù)源，借助GIS建模功能，實(shí)現(xiàn)多源建模數(shù)據(jù)的自動(dòng)預(yù)處理、三維模型的自動(dòng)構(gòu)建和模型的精細(xì)化處理。同時(shí)，借助紋理映射技術(shù)實(shí)現(xiàn)模型的可視化和逼真展現(xiàn)。

1 基本原理與實(shí)現(xiàn)方法

1.1 基本原理

計(jì)算機(jī)中表示三維形體的模型，按照幾何特點(diǎn)進(jìn)行分類，主要可以歸納為3種： 線框模型、表面模型和實(shí)體模型。同時(shí)，按照表示物體的方法進(jìn)行分類，實(shí)體模型基本上可以分為分解表示、結(jié)構(gòu)實(shí)體幾何模型(constructive solid geometry，CSG)和邊界表示模型(boundary representation，B-rep)3大類。本文組合線框、邊界表示和結(jié)構(gòu)實(shí)體幾何模型三維建模的思想，并將其運(yùn)用于建筑物三維建模，其主要建模原理為： 將建筑物的主體結(jié)構(gòu)分解為一系列簡(jiǎn)單的側(cè)墻、門窗和屋頂?shù)然窘Y(jié)構(gòu)部件，同時(shí)采用線框描述建筑物的邊界線; 進(jìn)一步，采用B-rep模型描述建筑物各部件的邊界面; 最后，建筑物的主體結(jié)構(gòu)模型表示為一系列簡(jiǎn)單的側(cè)墻、門窗和屋頂?shù)然窘Y(jié)構(gòu)部件的布爾操作的結(jié)果，從而構(gòu)建建筑物的三維建模，其原理如圖1所示。

圖1 建筑物三維建模與可視化原理示意圖

1.2 實(shí)現(xiàn)方法

從GIS建模的視角，結(jié)合GIS的數(shù)據(jù)處理、空間分析和三維分析功能，通過構(gòu)建模型實(shí)現(xiàn)建筑物三維模型的自動(dòng)構(gòu)建。其中，GIS空間分析(spacial analysis)指的是借助GIS軟件從空間數(shù)據(jù)中獲取有關(guān)地理對(duì)象的空間位置、分布、形態(tài)、形成和演變等信息并進(jìn)行分析，其基本功能包括空間查詢與量算、緩沖區(qū)分析、疊加分析、路徑分析、空間插值和統(tǒng)計(jì)分類分析等。空間分析建模是通過作用于原始數(shù)據(jù)和派生數(shù)據(jù)的一組順序、交互空間分析命令，解釋有關(guān)空間現(xiàn)象或發(fā)現(xiàn)空間規(guī)律的過程。空間分析建模建立在對(duì)空間地圖數(shù)據(jù)操作基礎(chǔ)之上，又稱“地圖建模”，其結(jié)果是得到一個(gè)“地圖模型”，它是對(duì)空間分析過程及其結(jié)果的圖形或符號(hào)化表示，幫助分析人員和規(guī)劃所要完成的分析過程，并逐步指定完成分析過程所需建模數(shù)據(jù)[29]。可視化建模是利用圍繞現(xiàn)實(shí)想法組織模型的一種思考問題的方法，它以圖形的方式描述所開發(fā)的系統(tǒng)的過程，促進(jìn)了對(duì)需求分析有更好的理解從而進(jìn)行更清晰的設(shè)計(jì)。

本文采用ArcToolbox工具箱結(jié)合Modebuilder可視建模工具，通過構(gòu)建模型、創(chuàng)建和編寫腳本工具實(shí)現(xiàn)建模數(shù)據(jù)的自動(dòng)預(yù)處理和建筑物三維模型的自動(dòng)構(gòu)建。其中，ArcToolbox工具箱是ArcGIS系統(tǒng)內(nèi)嵌的地理處理工具集合，通過內(nèi)置工具、模型工具、腳本工具和特殊工具不僅可以實(shí)現(xiàn)基本的數(shù)據(jù)處理、轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和數(shù)據(jù)和圖形分析功能，而且借助其三維擴(kuò)展功能模塊，可實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜幾何體三維模型的構(gòu)建。ModelBuilder是一種可視化建模工具，為創(chuàng)建滿足用戶要求特定工作流提供有效的途徑。其主要特點(diǎn)是將一系列地理處理工具串聯(lián)在一起，將其中一個(gè)工具的輸出作為另一個(gè)工具的輸入，通過構(gòu)造和執(zhí)行工作流，可以自動(dòng)化完成復(fù)雜的建模任務(wù)從而提高建模效率。此外，通過創(chuàng)建模型并將其共享為工具來提供擴(kuò)展 ArcGIS Pro功能的高級(jí)方法，同時(shí)，利用Visual Studio結(jié)合ArcGIS Pro SDK二次開發(fā)還可用于將ArcGIS Pro與其他應(yīng)用程序進(jìn)行集成，能夠增強(qiáng)構(gòu)建模型的可復(fù)用和擴(kuò)展性。Python是一種面向?qū)ο蟆⒔忉屝汀⒔换ナ胶兔嫦虺鯇W(xué)者的計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，它具有語(yǔ)法簡(jiǎn)潔而清晰，易于編寫和維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)，并具有豐富和強(qiáng)大的類庫(kù)，使其已成為當(dāng)前計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的主流開發(fā)語(yǔ)言[24]，能夠顯著提高程序的開發(fā)效率。ArcGIS系統(tǒng)提供了Python語(yǔ)言集成開發(fā)環(huán)境(integrated development and learning environment,IDLE)和ArcPy站點(diǎn)包，通過編程能夠創(chuàng)建滿足用戶特定需求的腳本工具，不僅可以有效彌補(bǔ)ArctoolBox系統(tǒng)工具箱功能的不足，而且能夠增強(qiáng)ModeBuilder的建模能力。

2 建筑物三維建模與可視化

將建筑物三維建模與可視化工作分解為數(shù)據(jù)獲取和預(yù)處理、三維建模和紋理貼圖等關(guān)鍵環(huán)節(jié)，并將其進(jìn)行整合和完善，以設(shè)計(jì)工作技術(shù)流程。

2.1 技術(shù)流程

依據(jù)實(shí)用、高效和可操作的原則和目標(biāo)進(jìn)行建筑物三維建模的技術(shù)流程設(shè)計(jì)，同時(shí)，要求建模的可視化效果直觀、形象和逼真，以達(dá)到工程應(yīng)用要求，其主要設(shè)計(jì)思路是： 首先，將建筑物主體結(jié)構(gòu)部件的建模對(duì)象包括側(cè)墻面、門窗、屋頂?shù)冗M(jìn)行分解，并將其建模過程分解為一系列數(shù)據(jù)處理、文件轉(zhuǎn)換、空間分析和三維分析操作，并借助GIS建模功能實(shí)現(xiàn)整個(gè)建模過程的自動(dòng)化。 具體操作過程主要包括： ①以高分辨遙感影像、建筑物電子地圖和全景影像為數(shù)據(jù)源，利用ENVI影像非監(jiān)督分類(UnsupervisedClassificationCleaned)工具，提取出建筑物墻體、窗戶和屋頂?shù)氖噶慷噙呅慰臻g信息，同時(shí)，結(jié)合建筑物全景影像和地面拍攝影像測(cè)量定標(biāo)，通過影像特征分類，分別提取出建筑物的高度、樓層數(shù)和屋頂類型等屬性信息，利用概化處理工具對(duì)其進(jìn)行預(yù)計(jì)處理，并將其保存至GIS數(shù)據(jù)庫(kù)； ②以建筑物墻體、窗戶多邊形作為模型的輸入； ③以建筑物屋頂多邊形作為模型的輸入，利用要素選擇迭代器(IterateFeatureSelection)結(jié)合(Select)工具提出每一棟建筑物的矢量多邊形，同時(shí)，結(jié)合數(shù)據(jù)處理、文件轉(zhuǎn)換、空間分析和三維分析工具分別生成建筑物屋頂?shù)娜S實(shí)體模型； ④采用Python面向?qū)ο缶幊陶Z(yǔ)言結(jié)合ArcPy站點(diǎn)包，通過編程實(shí)現(xiàn)批量3D差積運(yùn)算程序，并結(jié)合ArcCatalog在ArcToolbox工具箱構(gòu)建自定義工具自動(dòng)實(shí)現(xiàn)側(cè)墻和屋頂模型的細(xì)化鏤空處理。此外，利用ModelBuilder可視化建模工具，通過調(diào)用ArcToolbox工具箱中的內(nèi)置工具、模型工具和腳本工具實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的多源數(shù)據(jù)預(yù)處理和三維模型的自動(dòng)構(gòu)建，通過構(gòu)建模型實(shí)現(xiàn)整個(gè)操作過程的自動(dòng)化。最后,利用ArcGIS Pro編輯模型的紋理貼圖，從而實(shí)現(xiàn)模型的可視化，其技術(shù)流程如圖2所示。

圖2 城市建筑物三維建模工作流程

2.2 數(shù)據(jù)的獲取、集成和預(yù)處理

2.2.1 數(shù)據(jù)的獲取

以高分辨率衛(wèi)星影像、建筑物輪廓電子地圖和全景影像作為建模數(shù)據(jù)源。其中，由于衛(wèi)星遙感相機(jī)拍攝距離遠(yuǎn)、視場(chǎng)角大，其獲取的遙感影像具有宏觀和綜合的優(yōu)點(diǎn)，并可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)觀測(cè)，形成時(shí)序信息。目前，常用的高分辨率衛(wèi)星遙感影像主要包括我國(guó)的高分系列影像(GF)、美國(guó)的快鳥(QuickBird)影像和美國(guó)的IKONOS影像。GF-2影像和QuickBird影像可從百度、谷歌、高德、騰訊和天地圖地圖網(wǎng)站免費(fèi)獲取，谷歌地圖還提供歷史影像，通過衛(wèi)星地圖下載器可免費(fèi)獲得22級(jí)影像(圖3(a))，其空間分辨率為0.61 m。由于衛(wèi)星遙感影像易受天氣條件的影響，一旦成像區(qū)域有云或霧霾覆蓋，會(huì)嚴(yán)重影響成像質(zhì)量。同時(shí)，考慮直接利用遙感影像提取建筑物邊界輪廓工作量大，提取的多邊形輪廓邊界精度較差，采用建筑物輪廓電子地圖作為數(shù)據(jù)源，以提高數(shù)據(jù)獲取和處理效率。城市建筑物輪廓電子地圖可從百度、高德和天地圖網(wǎng)站免費(fèi)獲取，上述站點(diǎn)主要提供全國(guó)大中型城市主城區(qū)建筑物輪廓的柵格數(shù)據(jù)，通過衛(wèi)星地圖下載器下載建筑物電子地圖的22級(jí)影像(圖3(b)—(c))，其空間分辨率約為0.5 m。此外，考慮衛(wèi)星影像、建筑物輪廓電子地圖只能提供建筑物頂視的邊界輪廓和紋理結(jié)構(gòu)特征，其提供建筑物側(cè)面影像紋理信息有限，不能準(zhǔn)確刻畫建筑物側(cè)面的幾何結(jié)構(gòu)特征； 同時(shí)，由于衛(wèi)星獲取的側(cè)面紋理影像幾何畸變嚴(yán)重，不能作為建筑物側(cè)面紋理貼圖使用，而地面相機(jī)人工拍攝工作量太大，不適合城市大區(qū)域作業(yè)。因此，采用百度全景收集影像建筑物側(cè)面影像數(shù)據(jù)，通過影像處理作為模型紋理貼圖，以提高模型的可視化效果，如圖3(d)所示。

(a) QuickBird衛(wèi)星影像 (b) 百度建筑物電子地圖 (c) 天地圖建筑物電子地圖 (d) 百度全景影像

2.2.2 數(shù)據(jù)的集成和預(yù)處理

利用ArcGIS軟件導(dǎo)入獲取的高分辨率遙感影像、建筑物電子地圖和全景影像，并進(jìn)行配準(zhǔn)和幾何糾正預(yù)處理，然后分別將其導(dǎo)入建立的GIS數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行集成。一方面，利用矢量工具出結(jié)合遙感影像勾畫出建筑物側(cè)面的邊界(圖4(a))，從中提取出建筑物側(cè)面的紋理影像(圖4(b))，同時(shí)結(jié)合幾何糾正工具對(duì)其進(jìn)行形變處理(圖4(c))； 進(jìn)一步，利用符號(hào)化工具結(jié)合直方圖的調(diào)整閾值功能，先提取出建筑物側(cè)面紋理灰度影像(圖4(d))，再將其進(jìn)行二值化處理(圖4(e))； 最后，利用ENVI非監(jiān)督分類模型(圖4(g))提取出建筑物側(cè)面窗戶的矢量多邊形(圖4(f))。

(a) 側(cè)視影像 (b) 裁剪 (c) 幾何糾正 (d) 灰度化 (e) 二值化處理 (f) 非監(jiān)督分類輸出矢量

(g) 非監(jiān)督分類輸出矢量模型

另一方面，利用ArcToolbox工具箱結(jié)合ENVI非監(jiān)督分類模型，通過創(chuàng)建自定義模型結(jié)合建筑物輪廓電子地圖，提取出建筑物輪廓的矢量多邊形； 然后，利用概化工具對(duì)其邊界進(jìn)行概化預(yù)處理，并結(jié)合遙感影像手動(dòng)調(diào)整其邊界的細(xì)節(jié)結(jié)點(diǎn)，其處理過程和結(jié)果如圖5所示。

(a) 建筑物輪廓提取(b) 邊界概化處理(c) 邊界結(jié)點(diǎn)調(diào)整

此外，利用手機(jī)結(jié)合長(zhǎng)焦鏡頭水準(zhǔn)尺拍攝建筑物側(cè)面紋理影像，通過讀取水準(zhǔn)尺讀數(shù)，提取出側(cè)面樓層、層高、屋頂高度等值(表1)。最后，通過側(cè)視影像確定建筑物屋頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)類型(如平頂和斜頂)。

表1 提取的建筑物空間和屬性信息

2.3 建筑物三維建模

建筑物的主體結(jié)構(gòu)部件主要包括側(cè)墻面、門窗和屋頂?shù)冉Y(jié)構(gòu)，建筑物的幾何形狀和空間一般排列較規(guī)則，非常適合程序和建模批量生成，這樣做不僅可顯著降低作業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，而且可有效提高建模效率。利用ModelBuider可視化建模工具，通過調(diào)用ArcToolbox系統(tǒng)工具箱中內(nèi)定的數(shù)據(jù)處理、文件轉(zhuǎn)換、空間分析、三維分析和腳本工具實(shí)現(xiàn)建筑物主體結(jié)構(gòu)三維模型的自動(dòng)構(gòu)建。此外，鑒于每個(gè)模型只能包含一個(gè)迭代器，通過Python面向?qū)ο缶幊陶Z(yǔ)言結(jié)合ArcPy站點(diǎn)包，通過編寫腳本程序并結(jié)合ArcToolbox工具箱創(chuàng)建腳本工具，以彌補(bǔ)模型迭代器的不足。

2.3.1 側(cè)墻建模

鑒于建筑物側(cè)墻和門窗的幾何形狀及空間排列較規(guī)則，且分層構(gòu)建，為實(shí)現(xiàn)模型的批量構(gòu)建，提出基于建筑物分類、分層表面建模和實(shí)體拉伸建模的建筑物主體結(jié)構(gòu)部件建模方案，設(shè)計(jì)了建筑物側(cè)墻和門窗等主體結(jié)構(gòu)實(shí)體模型的分層自動(dòng)生成腳本程序，同時(shí)采用Phython面向?qū)ο笳Z(yǔ)言結(jié)合ArcPy站點(diǎn)包，通過調(diào)用ArcToolbox工具箱中的TIN表面建模和TIN拉伸的三維分析工具進(jìn)行了編寫實(shí)現(xiàn)，其算法及程序?qū)崿F(xiàn)主要包括以下3個(gè)步驟： ①根據(jù)輸入建筑物部件的多邊形點(diǎn)、多邊形文件、輸出工作區(qū)文件夾，先利用ArcPy查詢游標(biāo)(SearchCursor)的查詢功能，通過讀取多邊形點(diǎn)文件，并結(jié)合全局變量保存建筑物的名稱、樓層數(shù)、層高和屋頂高度等屬性字段信息，同時(shí)，利用os庫(kù)的makedirs函數(shù)創(chuàng)建建筑物結(jié)構(gòu)部件名稱文件夾，該文件夾用于存放生成每棟建筑物的每層側(cè)墻的多面體要素shpfile文件； ②利用循環(huán)程序通過調(diào)用CopyFeatures_management()函數(shù)和Adjust3DZ_management()函數(shù)分別復(fù)制并調(diào)整建筑物上下多邊形點(diǎn)至對(duì)應(yīng)的樓層高度，同時(shí)，利用CreateTin_3d()函數(shù)分別創(chuàng)建建筑物每一層的TIN表面，然后，利用ExtrudeBetween()函數(shù)生成其每一層的側(cè)墻和門窗的實(shí)體模型； ③在輸入建筑物底面邊界多邊形后，通過緩沖區(qū)(Buffer)、擦除(Erease)生成外墻多邊形，然后利用要素選擇迭代器(IterateFeatureSelection)結(jié)合拷貝要素(CopyFeatures)、要素結(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)點(diǎn)(FeatureVerticesToPoints)連接側(cè)墻腳本程序，通過構(gòu)建模型自動(dòng)生成每棟建筑物的每層側(cè)墻三維模型，其模型構(gòu)建方法如圖6所示，生成結(jié)果如圖7所示。此外，通過模型運(yùn)行報(bào)告分析側(cè)墻模型的計(jì)算性能，通過輸入建筑物多邊形參量(130個(gè))對(duì)迭代器和各個(gè)工具的執(zhí)行時(shí)間進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)和匯總計(jì)算，其結(jié)果如表2所示。

圖6 建筑物側(cè)墻的自動(dòng)創(chuàng)建過程

(a) 建筑物側(cè)墻多邊形(b) 調(diào)整多邊形結(jié)點(diǎn)的高度(c) 生成側(cè)墻TIN表面(d) 生成一棟建筑物的側(cè)墻

(e) 生成全部建筑物的側(cè)墻

表2 側(cè)墻建模實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)

2.3.2 門窗建模

采用腳本程序結(jié)合建模生成建筑物門窗部件的三維模型，與側(cè)墻腳本程序的算法設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)類似，只是更改輸入?yún)?shù)名稱、中間變量名稱和輸出參數(shù)名稱，通過循環(huán)結(jié)合CopyFeatures_management()函數(shù)和Adjust3DZ_management()函數(shù)分別復(fù)制并調(diào)整建筑物門窗戶上下多邊形點(diǎn)至對(duì)應(yīng)的樓層高度和基準(zhǔn)高度; 然后，利用CreateTin_3d()函數(shù)分別創(chuàng)建建筑物每一層門窗的TIN表面，進(jìn)一步，利用ExtrudeBetween()函數(shù)生成其每一層門窗的實(shí)體模型，其主要代碼實(shí)現(xiàn)和側(cè)墻實(shí)現(xiàn)類似，這里不作贅述； 最后，在輸入建筑物底面邊界多邊形后，通過緩沖區(qū)(Buffer)、擦除(Erease)生成外墻多邊形，利用要素選擇迭代器(IterateFeatureSelection)結(jié)合拷貝要素(CopyFeatures)、要素結(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)點(diǎn)(FeatureVerticesToPoints)連接側(cè)墻腳本程序，通過構(gòu)建模型自動(dòng)生成每棟建筑每層窗戶的三維模型，其模型構(gòu)建方法見圖8，生成結(jié)果如圖9所示。模型工具執(zhí)行時(shí)間統(tǒng)計(jì)如表3所示。

圖8 建筑物門窗自動(dòng)創(chuàng)建過程

(a) 建筑物窗戶多邊形(b) 調(diào)整多邊形結(jié)點(diǎn)高度(c) 生成每層窗戶的TIN表面(d) 批量生成窗戶

表3 窗戶建模實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)

需要說明的是，與模型中腳本程序執(zhí)行時(shí)間相關(guān)的參數(shù)主要包括： 創(chuàng)建窗戶文件夾、窗戶文件名文件夾和樓層數(shù)，按照每層1 s的平均值計(jì)算統(tǒng)計(jì)結(jié)果，通過提取和計(jì)算實(shí)驗(yàn)區(qū)內(nèi)全部建筑物樓層數(shù)的平均值(4.64層)、建筑物數(shù)量和表3的總計(jì)值相乘，得出生成實(shí)驗(yàn)區(qū)內(nèi)全部建筑物的窗戶三維模型需要總的運(yùn)行時(shí)間是167.573 6 min。

2.3.3 屋頂建模

每棟建筑物的屋頂結(jié)構(gòu)主要包括平頂和斜頂2種結(jié)構(gòu)類型，其形態(tài)各異，但每棟建筑物通常只包括一層屋頂，即屋頂不是分層結(jié)構(gòu)，因此，可通過創(chuàng)建模型生成每個(gè)建筑物的平頂或斜頂?shù)娜S模型，其模型的主要構(gòu)建步驟包括： 以建筑物多邊形作為模型輸入，通過要素迭代器(IterateFeatureSelection)結(jié)合拷貝要素(CopyFeatures)、要素結(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)點(diǎn)(FeatureVerticesToPoints)、添加字段(AddField)、計(jì)算字段(CalculateField)、創(chuàng)建TIN(CreateTin)和TIN拉伸工具(ExtrudeBetween)分別生成每棟建筑物屋頂?shù)亩嗝骟w要素(MultiPatch)模型，其模型組成和模型生成結(jié)果如圖10所示。

(a) 建筑物屋頂自動(dòng)構(gòu)建模型

(b) 生成的每棟建筑物屋頂模型

其中，斜屋頂主要利用計(jì)算字段工具根據(jù)屋頂高度和屋頂傾斜角度字段，然后作為緩沖區(qū)工具的輸入?yún)?shù)，調(diào)整屋頂上邊界點(diǎn)和線的高度，公式為：

A=-tan(3.14[B]/180)×[C]-0.01 ，

(1)

式中:A為緩沖區(qū)輸入?yún)?shù);B為傾斜角度;C為屋頂高度; [·]表示取字段變量符號(hào)。

此外，通過模型運(yùn)行報(bào)告分析屋頂模型的性能，通過輸入窗戶多邊形參數(shù)(130個(gè)和130組)，對(duì)迭代器和各個(gè)工具的執(zhí)行時(shí)間進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)和匯總計(jì)算，其結(jié)果如表4所示。

表4 屋頂建模實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)

2.3.4 模型細(xì)化處理

為增強(qiáng)模型的立體感和可視效果的同時(shí)，使模型能夠反映出光照陰影和外部光照射入室內(nèi)的效果進(jìn)行可視化分析。通過調(diào)用三維分析工具箱的三維差積運(yùn)算工具，對(duì)之前生成側(cè)墻、窗戶的MultiPatch模型和屋頂兩兩做三維差積布爾運(yùn)算，分別生成側(cè)墻和屋頂?shù)溺U空模型，同時(shí)，為提高鏤空處理效率，通過腳本編程對(duì)三維差積運(yùn)算工具進(jìn)行擴(kuò)展，其腳本程序界面如圖11(a)所示,其腳本程序?qū)崿F(xiàn)主要包括2個(gè)步驟： ①分別輸入減多面體要素、減多面體要素類 Shpfile文件列表和輸出工作區(qū)，并利用列表容器結(jié)合循環(huán)程序?qū)⑵浞謩e存放于list1和list2中; ②通過循環(huán)程序讀取list1和list2中的減多面體要素、減多面體要素類Shpfile文件名稱，并依據(jù)循環(huán)變量i生成差積輸出文件Shpfile文件名，然后，利用Difference3D_3d()函數(shù)分層進(jìn)行側(cè)墻三維差積運(yùn)算，其生成結(jié)果如圖11(b)—(c)所示。同時(shí)，通過模型細(xì)化輸出報(bào)告分析模型運(yùn)行的性能，通過輸入每個(gè)建筑物側(cè)墻和窗戶的三維模型，對(duì)腳本生成工具的執(zhí)行時(shí)間進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)和匯總計(jì)算，其結(jié)果如表5所示。

(a) 批量三維差積腳本工具

(b) 側(cè)墻分層鏤空(c) 屋頂鏤空

表5 側(cè)墻模型細(xì)化實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)

需要說明的是，模型中腳本程序執(zhí)行時(shí)間與建筑物樓層數(shù)、門窗的數(shù)量相關(guān)，取樓層數(shù)平均值(4.64層)、建筑物數(shù)量(130)、腳本操作時(shí)間和模型運(yùn)行時(shí)間相乘，得出生成實(shí)驗(yàn)區(qū)內(nèi)全部建筑物的窗戶三維模型需要總的運(yùn)行時(shí)間約為223.69 min。

2.3.5 模型紋理貼圖

利用百度全景影像圖功能，從全景影像圖中提取建筑物的側(cè)面紋理。考慮建筑物的部分側(cè)面紋理會(huì)被行道樹、路燈等地面物體遮擋，需要利用圖像處理軟件將遮擋部分裁剪掉，選擇沒有遮擋的影像作為建筑物側(cè)墻、門窗和屋頂模型部件的紋理(圖12(a)—(c))。然后，利用ArcGIS Pro導(dǎo)入上述模型生成的側(cè)墻、門窗和屋頂部件模型，利用其MultiPatch紋理編輯功能為側(cè)墻、門窗和屋頂賦予相應(yīng)的紋理影像，其可視化效果如圖12(d)所示。

(a) 截取的全景影像 (b) 提取的側(cè)墻紋理 (c) 提取的窗戶紋理

(d) 全部紋理貼圖

3 建模工具箱的設(shè)計(jì)與建模實(shí)例分析

3.1 建模工具箱的設(shè)計(jì)

為便于用戶操作、開發(fā)和功能擴(kuò)展，采用ArctoolBox設(shè)計(jì)建模工具箱實(shí)現(xiàn)建筑物三維模型的自動(dòng)構(gòu)建， 構(gòu)建的工具箱由數(shù)據(jù)預(yù)處理、三維建模、模型細(xì)化、模型導(dǎo)出和腳本工具5個(gè)工具集組成。其中，數(shù)據(jù)預(yù)處理工具集由窗戶和窗框多邊形提取、建筑物邊界多邊形概化、建筑物邊界多邊形提取和建筑物層數(shù)提取4個(gè)模型工具組成； 三維建模工具集由清理中間文件、生成側(cè)墻、生成側(cè)墻窗戶、生成側(cè)墻窗框、生成側(cè)墻門、生成屋頂和生成屋頂窗戶7個(gè)模型工具集組成； 模型細(xì)化工具集主要由側(cè)墻細(xì)化和屋頂細(xì)化2個(gè)模型工具組成； 模型導(dǎo)出工具集主要由模型導(dǎo)出一個(gè)模型工具組成，這些模型工具集依次執(zhí)行實(shí)現(xiàn)建筑物三維模型的自動(dòng)構(gòu)建。

3.2 建模實(shí)例分析

為驗(yàn)證本文所提建模方法的有效性、可靠性可操作性和運(yùn)行效能，選擇淮陰師范學(xué)院北校區(qū)為建模實(shí)驗(yàn)區(qū)，如圖13所示。以高分辨率衛(wèi)星影像、建筑物輪廓電子地圖和全景影像為建模數(shù)源，在ENVI和ArcGIS平臺(tái)下，通過數(shù)據(jù)集成和預(yù)處理，提取出建筑物的幾何邊界、高度、樓層數(shù)和屋頂特征等信息； 利用ModelBuilder可視化建模工具，通過調(diào)用數(shù)據(jù)處理、文件轉(zhuǎn)換、空間分析和腳本工具，構(gòu)建模型實(shí)現(xiàn)了建筑物三維模型的自動(dòng)構(gòu)建； 同時(shí)，利用ArcGIS Pro導(dǎo)入構(gòu)建的模型并對(duì)模型進(jìn)行紋理貼圖，從而實(shí)現(xiàn)模型的可視化，結(jié)果如圖14所示。

圖13 建模實(shí)驗(yàn)區(qū)概況圖

(a) 宿舍區(qū)場(chǎng)景 (b) 體育館、生化實(shí)驗(yàn)樓和泓文樓場(chǎng)景

(c) 圖書館、崇文樓和辦公樓場(chǎng)景1 (d) 圖書館、崇文樓和辦公樓場(chǎng)景2

同時(shí)，為測(cè)試本文建模方法的可操作性和性能，在聯(lián)想B590筆記本和WIN7操作系統(tǒng)平臺(tái)下，與傳統(tǒng)SketchUp手工建模方法進(jìn)行了拉伸建模對(duì)比實(shí)驗(yàn)，其結(jié)果如表6所示。

表6 建筑物建模實(shí)驗(yàn)對(duì)比統(tǒng)計(jì)和分析

需要說明的是，采用ModelBuilder建模只需要3次人機(jī)交互，便可批量生成整個(gè)實(shí)驗(yàn)區(qū)側(cè)墻、門窗和屋頂?shù)娜S模型； 而采用傳統(tǒng)SketchUp手工建模方法，需要的人機(jī)交互的次數(shù)，不僅與建筑物多邊形數(shù)量、樓層數(shù)和門窗的數(shù)量等因素密切相關(guān)，而且與每個(gè)工具操作的時(shí)間和用戶熟練程度等因素密切相關(guān)，本文將它們進(jìn)行簡(jiǎn)單的相乘可得出最小的人機(jī)交互次數(shù)，利用教學(xué)實(shí)踐且在老師的指導(dǎo)和監(jiān)督下，學(xué)生最少需要14 d才能完成模型的構(gòu)建，無(wú)論是在時(shí)間成本和操作效率上，本文建模方法都具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)論

近些年來，建筑物三維建模一直是國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)，已提出多種建模方法，并進(jìn)行了大量可視化實(shí)踐。本文提出基于多源數(shù)據(jù)集成的建筑物三維建模方法，集成高分辨遙感影像、無(wú)人機(jī)航空影像、建筑物電子地圖和全景影像為數(shù)據(jù)源，借助GIS建模功能，實(shí)現(xiàn)多源建模數(shù)據(jù)的自動(dòng)預(yù)處理和三維建模，同時(shí)借助紋理映射技術(shù)實(shí)現(xiàn)模型的可視化，與現(xiàn)有建模方法相比具有以下優(yōu)勢(shì)：

1) 以遙感影像、建筑物輪廓電子地圖和網(wǎng)絡(luò)全景影像等海量多源數(shù)據(jù)為建模數(shù)據(jù)源，不僅能夠提取城市范圍內(nèi)建筑物的宏觀邊界，而且能夠捕捉到建筑物的幾何細(xì)節(jié)和紋理細(xì)節(jié)特征。借助GIS建模功能，通過構(gòu)建模型實(shí)現(xiàn)建筑物側(cè)墻、屋頂結(jié)構(gòu)部件的空間信息和屬性信息，對(duì)于提高建模的準(zhǔn)確性和模型精度有顯著提升，可顯著提高建模自動(dòng)預(yù)處理效率，為實(shí)現(xiàn)建筑物的精細(xì)化建模奠定基礎(chǔ)。

2) 基于 CSG的建筑物三維建模方案是切實(shí)可行的，借助GIS建模功能，建筑物三維模型的自動(dòng)構(gòu)建，能夠顯著降低作業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度并提高建模效率。模型創(chuàng)建過程中產(chǎn)生的中間文件和建模結(jié)果、模型和腳本程序代碼在模型構(gòu)建中十分易于修改和重復(fù)使用，可靈活地對(duì)建模參數(shù)和過程進(jìn)行調(diào)整，為建模過程的監(jiān)控并對(duì)建模結(jié)果進(jìn)行檢查和核對(duì)提供了重要的依據(jù)。

3) 除模型可視化階段涉及的紋理貼圖需要借助專業(yè)圖像處理軟件制作外，與建模相關(guān)的數(shù)據(jù)預(yù)處理、建模和模型細(xì)化相關(guān)操作都在同一種GIS平臺(tái)下完成，更加符合熟悉GIS用戶的操作習(xí)慣，顯著提高了建模的可操作性、實(shí)用性和操作效率； 創(chuàng)建的模型可輸出為各種格式的三維模型文件，更便于建模成果的傳播、交流和共享。

本文提出多源數(shù)據(jù)集成的城市建筑物三維建模方法，并進(jìn)行建模工具箱的設(shè)計(jì)、開發(fā)和建模實(shí)例分析，其目的在于探索城市大規(guī)模建筑物程序自動(dòng)建模的原理、方法、算法和軟件開發(fā)架構(gòu)，是對(duì)現(xiàn)有典型GIS系統(tǒng)的功能、性能和穩(wěn)定性的一次有效驗(yàn)證，為開發(fā)具有自主知識(shí)版權(quán)的建筑物三維建模與可視化軟件產(chǎn)品奠定技術(shù)基礎(chǔ)。借助GIS建模功能，通過數(shù)據(jù)預(yù)處理、三維建模和模型細(xì)化3個(gè)模型對(duì)校園范圍內(nèi)形態(tài)相對(duì)規(guī)則的建筑物進(jìn)行了批量建模測(cè)試，取得了良好的建模性能與可視化效果，對(duì)城市大規(guī)模城市建筑群建模與可視化同樣有借鑒意義。如何將上述模型進(jìn)行整合、優(yōu)化模型性能以提高其作業(yè)效率，將是未來研究工作的重點(diǎn)。