基于無人機傾斜攝影技術的建筑單體化模型制作研究

摘要：為了解決實景三維模型中的建筑物可以單獨選擇的問題，文章提出采用模型重構的方式進行建筑物單體化模型的制作，并基于補拍的照片完成模型高分辨率紋理的貼圖。文章首先對單體化建模技術展開探討，介紹了傾斜攝影技術和地面補攝影像采集技術，對兩種數據源融合建模流程進行了介紹，其次將傾斜攝影影像和地面補攝的影像融合用于實景三維模型生產，并采用SVSmodeler軟件制作建筑單體化模型，得到了結構完整、紋理貼圖完整的單體化建模成果。最后將單體化模型成果和優化后的三維模型場景融合，得到了高質量模型成果。文章的研究可以為建筑單體化模型的制作帶來借鑒。

關鍵詞：無人機；傾斜攝影；建筑單體化；單體化模型；實景三維模型

中圖分類號：P231 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2025）01-0130-03 開放科學（資源服務） 標識碼（OSID） ：

0 引言

實景三維中國建設項目、數字孿生項目中都要求對建筑物可以單獨選擇，并對其進行屬性查詢等操作，然而基于連續三角網構建的實景三維模型，是表皮模型，無法對其中的建筑物進行單獨選擇。為解決這一問題，很多學者對單體化模型的制作展開了研究。錢少華[1]等人對比分析了三種單體化技術，并以DP-Modeler為單體化平臺，講解了單體化模型的制作流程，并沒有對單體化貼圖展開深入研究。尹長林[2]等人首先通過格網模型水平切割的方式獲取不同高度的建筑物投影，然后按照幾何相似性算法對建筑物的邊界進行提取，從而實現建筑物的單體化。趙偉山[3]等人提出將傾斜攝影影像和近景攝影影像相結合進行三維模型的生產，然后進行單體化制作，然而基于無人機的近景攝影在城市區域操作難度較大，成本較高。鄭月[4]等人以Context Capture和DP-Modeler軟件為例，對傾斜攝影自動化三維模型構建和單體化模型構建進行了講解，并未對航攝盲區單體化紋理的處理進行說明。褚寧[5]等人提出采用三維環繞式航線設計方案，并對每個建筑物的點云進行切割，經過濾波等操作，然后基于剩余點云構建三角網，從而形成單體化模型成果。陳欣[6]介紹了四種單體化技術的優缺點，并針對單體化概念提出房屋分層分戶單體化的作業流程，取得了較好的效果，但是未解決航攝盲區建筑變形及紋理錯誤的問題。周憲[7]等人提出利用已有地形圖數據完成建筑物單體化模型的快速制作，然而地形圖精度現勢性較差，且精度無法滿足實景三維中國、數字孿生等項目的要求。基于已有學者研究的成果，研究者提出將地面補攝技術和傾斜攝影技術相結合用于實景三維模型的生產，然后利用SVSmodeler軟件對建筑物進行單體化制作，基于重建的立體模型像對完成紋理的貼圖映射，聯動Photoshop軟件完成紋理的編輯修飾，得到了貼圖更加真實的單體化三維模型成果，最后將單體化成果與處理后的場景融合，得到了高質量實景三維模型成果。文章的研究可以為實景三維中國、數字孿生項目中單體化模型的制作帶來借鑒。

1 單體化模型建模技術

單體化就是指采用一定的方式，將目標物從原有場景中“分離”出來，從而可以實現目標物的單獨選中，并可以對其屬性等信息進行查詢。目前單體化技術主要分為兩大類，即假單體化和真單體化。假單體化就是可以對目標物進行單獨選中，但是目標物并不真實存在，只是按照一定的方式可以呈現出來，這種單體化方式主要有ID單體化和動態單體化。真單體化是指目標物是真實存在的，可以單獨作為一個成果進行保存，是真實存在的數據，這種單體化方式主要有切割單體化和模型重構單體化兩種。本文主要研究真單體化技術中的模型重構單體化，即利用實景三維模型成果或重建的立體像對模型成果，采集得到建筑物的結構，按照由點到線再到面的方式，制作得到單體化模型的整體結構，然后基于紋理的映射與編輯，得到帶有符合實際現狀紋理的建筑單體化模型成果。

2 傾斜攝影影像采集技術

傾斜攝影影像采集是指在飛行平臺上掛載多鏡頭航攝儀，安裝全球定位系統和慣性測量裝置，在空中按照等間隔或等距離的方式曝光采集地面上的影像數據，并利用安裝的設備記錄下相機曝光瞬間的位置和姿態。目前常見的傾斜航攝儀以5個鏡頭較多，5 個鏡頭航攝儀采集影像示意圖如圖1所示。

傾斜攝影是從空中對地面進行影像數據的采集，對于建筑密集區域，伸出的屋檐，門廳下面，采用傾斜攝影技術是無法采集到有效影像的，在航攝中屬于航攝盲區，這部分區域在后期模型重建時，會出現建筑物結構變形拉花問題，因此需要對此進行處理。

3 地面補攝影像采集技術

地面補攝影像采集，是指在地面上利用相機對目標物進行采集，用來解決傾斜攝影航攝盲區問題。地面影像數據在采集的時候，不但要考慮影像的重疊度，還要考慮相機的焦距，采集得到的影像的分辨率等。在采集影像時，需要使用專門的三腳架，將相機安置在三腳架上對目標進行采集。因為地面補拍的影像，通常是沒有POS數據的，因此照片之間的位置屬于相對關系，而且后期要和傾斜攝影影像融合，因此需要控制點對補攝采集的影像位置進行糾正。對于數據解算來說，影像的分辨率要盡可能一致，當分辨率差異大時，低分辨率影像匹配的點就會被當作誤差點自動剔除，從而導致低分辨率影像不能參與運算。對于地面補攝的影像，首先將控制點坐標平移到原點坐標處，在補拍的影像上加完控制點，然后平差調整后，再將控制點坐標改為真實坐標，再次進行平差調整，作為最終成果，和傾斜攝影影像數據進行融合，從而保證后期模型數據不會出現“兩張皮”問題。

4 應用實例

某城區要進行實景三維模型數據的生產，并且要對建筑物進行單體化處理。筆者在對項目需求分析后，提出采用傾斜攝影和地面補攝的方式采集影像數據，然后基于瞰景Smart3D軟件，對兩套數據分別進行空三解算，隨后通過轉刺控制點，對兩套數據的絕對精度進行調整，待兩套數據控制點三維誤差均小于0.001m后，將兩套數據合并，再次對包含公共控制點的影像進行坐標轉刺，然后再次平差調整，得到融合后的空中三角測量解算成果。基于該空三成果，完成實景三維模型數據的生產。如圖2所示，其中圖2（a） 是傾斜攝影方式生產的模型成果，圖2（b） 是基于傾斜攝影和地面補攝方式生產的實景三維模型成果。

4.1 基于SVSmodeler 軟件的單體化模型制作

基于SVSmodeler軟件的單體化模型制作主要包括單體化工程的創建、建筑物結構的制作和紋理的映射編輯。

4.1.1 單體化工程的創建

單體化工程創建需要的數據有OSGB格式的實景三維模型成果，無畸變影像和空三加密成果。首先創建空工程，然后加載模型數據，影像數據和空三成果，并對空三成果中的影像路徑進行修改，確保影像可以正常訪問到，路徑改好后，創建影像金字塔，完成單體化工程的創建。

4.1.2 建筑物結構的制作

建筑物的結構制作主要包含三部分內容，分別是建筑物底面輪廓提取、建筑物主體結構制作和建筑物附屬物制作。首先通過創建的立體模型像對，采集建筑物主體的輪廓線，作為建筑物的底面，其次以底面為基準，通過拉伸、擠壓等操作得到建筑物的主體結構，最后對附屬結構進行制作。附屬結構一般都比較復雜，在制作的時候，由簡到難，逐漸制作。或者通過對附屬結構進行分解，分解為多個簡單的結構，制作完成后，再和主體組合在一起，從而形成一個完整的建筑物單體化白模。

4.1.3 紋理的映射編輯

基于重建的立體模型像對，對單體化白模進行紋理的映射。單體化白模具有真實的地理坐標，重建的立體像對也有真實的地理坐標，基于坐標位置，完成影像紋理的映射。一般會匹配較多的紋理，可以人工選擇最優的紋理進行映射。對于映射錯位等與實際不符的紋理，聯動Photoshop軟件，對紋理進行編輯修飾，然后重新映射到模型上。本次作業中，建筑物上部分紋理主要來源于傾斜攝影的影像，而建筑物底部的紋理，來源于地面補攝的影像數據。紋理映射完成后，就得到了最終的建筑物單體化模型成果。

4.2 單體化模型和實景三維模型場景融合

本次生產的原始實景三維模型如圖3（a） 所示，制作的建筑單體化模型如圖3（b） 所示，優化后的模型場景如圖3（c） 所示，采用模型合并軟件，對圖3（b） 和圖3（c） 進行融合，得到如圖3（d） 所示成果。

5 結束語

本文對單體化技術、傾斜攝影技術和地面補攝影像采集技術進行了介紹，并將傾斜攝影技術和地面補攝技術相結合，用于實際作業項目中，得到了結構更加完整的實景三維模型成果。基于“一張皮”模型中看不中用的問題，采用SVSmodeler軟件對建筑物進行了單體化，利用兩種數據源進行紋理貼圖，得到了高質量單體化模型成果。并且和實景三維場景融合，得到了融合后的模型成果。本文的研究可以為建筑單體化和高質量模型數據制作的同行提供參考。

參考文獻：

[1] 錢少華，周偉曉，竺建平.基于傾斜攝影的建筑單體化三維模型構建[J].測繪技術裝備，2023，25（2）：125-128，138.

[2] 尹長林，許文強，姜琦，等.傾斜攝影三維建筑模型自動單體化與輪廓提取方法[J].測繪工程，2023，32（3）：62-68

.[3] 趙偉山，李治明，胡天明，等.基于傾斜攝影空地一體單體化建模技術的研究[J].地理空間信息，2022，20（6）：102-105.

[4] 鄭月，陳吉，孫韜，等.基于無人機傾斜影像的模型重建單體化及精度研究[J].中阿科技論壇（中英文），2020（10）：83-85.

[5] 褚寧，米川.一種基于無人機傾斜攝影的高精度單體三維建模方法[J].地理空間信息，2023，21（11）：9-14.

[6] 陳欣.房屋傾斜攝影模型分層分戶單體化方法研究[J].測繪與空間地理信息，2023，46（10）：36-38，46.

[7] 周憲，張淑玲.基于數字線劃圖的三維模型單體化技術方法研究[J].中國高新科技，2023（5）：103-104，143.

【通聯編輯：梁書】