基于模型修飾和單體化技術的精細化三維模型制作方法研究

摘要：基于傾斜攝影方式生產的實景三維模型一般存在水面破損、圍墻和女兒墻孔洞、建筑物底部扭曲變形、路燈和樹木懸浮物等問題，針對上述問題，文章提出了一種結合模型修飾和單體化技術的精細化模型制作方法。文章首先對模型修飾技術和單體化技術進行了介紹，其次對兩種技術用于精細化模型制作中的流程進行了說明，最后以實際項目為例，探討了兩種技術在精細化模型制作中的具體應用。研究結果表明，該方法能夠有效解決水面破損、孔洞、變形、懸浮物等問題，顯著提升模型的精度和視覺效果。該研究可以為精細化模型的制作提供借鑒。

關鍵詞：模型修飾；單體化技術；實景三維模型；精細化模型；三維模型重構；紋理優化

中圖分類號：P231" " "文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2025）21-0091-04

開放科學（資源服務） 標識碼（OSID）

0 引言

近年來，利用無人機傾斜攝影方式生產實景三維模型（下文統稱為模型） ，已成為模型制作的主要方式[1-2]。無人機通過搭載多鏡頭相機，從空中采集目標地物的多角度影像數據，并結合相機曝光時的位置和姿態數據，對傾斜影像數據進行解算，經過密集點云匹配、不規則三角網構建等步驟，最終得到模型成果[3]。傾斜攝影較垂直攝影方式，其采集影像的角度更多，采集的影像重疊度更高，信息更加豐富，因此，與垂直攝影相比，傾斜攝影的應用更加廣泛。例如，基于傾斜攝影生產的模型可用于房屋高度、面積的量算，以及拆遷項目的成本估算和賠償依據。此外，模型成果還可應用于農村房地一體項目，用于生產高精度宗地圖和地籍圖，并基于模型完成指界確權工作，從而極大地提高了農村房地一體確權登記項目的作業效率 [4]。雖然模型成果用途很廣，但是模型成果也存在一定的問題。例如模型水面一般會產生破損的面，也可能出現空洞，水面高程凹凸不平[5]；女兒墻和圍墻一般會出現小孔洞，影響整體美觀度[6]；建筑物底部扭曲變形，無法準確呈現原有建筑物結構[7-8]；路燈和樹木懸浮物，使得場景整體美觀度降低[9-10]。本文首先對模型修飾和單體化技術進行介紹，然后重點探討了兩種方式在精細化模型制作中的流程，最后將兩種方式用于實際項目中問題模型的精細化處理，得到了精細化模型成果。

1 模型修飾技術

模型修飾是指基于模型成果，采用編輯紋理和編輯結構的方式，對問題模型進行處理，得到質量較高的模型成果。模型修飾技術主要應用于以下幾個方面：路面的平整處理、懸浮物的刪除、水面空洞的修補、建筑物邊界的拉直等。模型修飾得到的成果和原有場景是一個整體，三角網都是連續不斷的。下面對不同模型修飾技術進行簡要介紹。

1.1 路面的平整處理

組成模型的最小單元是三角網，而三角網則由三個頂點來確定。對于影像數據的解算來說，其主要包括密集的三維點云坐標匹配、三角網的構建和紋理的映射。對于道路來說，由于影像匹配的密集點云存在一定的誤差，因此生產的密集點云其高程一般是不等的。在構建三角網時，不同高度的點坐標構建為同一個三角網，從而導致最終的道路模型出現凹凸不平的問題，影響模型的視覺質量，因此須對道路進行平整處理。道路的平整通常采用壓平的方式進行，即選中道路范圍，按照單點或三點的方式，來確定道路壓平后的高程，從而對選中范圍內的三角網進行壓平處理。壓平后的三角網頂點高程都是統一值，此時道路非常平整。該方法適用于比較平坦的道路，對于高程起伏變化的道路，此方法作業效率低，整平后的路面容易出現縫隙。

1.2 懸浮物的刪除

懸浮物是指模型成果之外的獨立的地物，其實質是指懸浮物的三角網已經從模型成果中分離出來的，是單獨存在的，這種問題通常出現在樹木、路燈、指示牌等地物上。在密集點云構建三角網的時候，由于樹木、路燈地物中間部分細小，匹配得到的點云數量較少，在生成三角網的時候，少量點無法滿足三角網構建需求，導致構建的三角網不連續，出現斷裂，從而形成懸浮物。懸浮物具有獨立于模型成果的特點，因此通常采用刪除的方式來對懸浮物進行優化處理。即通過不同“體”的形式，將懸浮物包住，然后對其進行一鍵刪除操作。該方法適用于大場景中“脫離”場景地物的刪除，對于與場景相連的需要刪除的懸浮物，此方法需要過多人工干預，智能化程度較低。

1.3 水面空洞的修補

水面是一種具有紋理高度相似的地物，目前的同名點匹配算法，尚無法對水面進行高精度解算。在對水面影像進行特征點檢測與提取的過程中，由于水面紋理相似，因此只能提取少量的特征點，在平差過程中，無法對同名特征點準確匹配，導致特征點被軟件當作錯誤點進行自動剔除。在匹配密集點云的過程中，由于高度相似性的水面和少量的同名點，無法完成密集點云的匹配，因此在構建水面模型時，點云數量太少導致水面出現破損問題。水面模型的優化一般選用空洞修補的方式。此方法只適用于水面小范圍空洞的修復，對于水面存在的大面積空洞問題，需要通過約束建模的方式來完成水面的修復工作。

1.4 建筑物邊界拉直

一般來說，建筑物都是規則的矩形組成的，因此其邊界一般是一條直線，但是對于生產的模型來說，邊界一般會存在缺失、彎曲問題，因此需要對建筑物邊界進行拉直處理。由于模型是通過三角網組成的，因此在對建筑物邊界進行拉直處理時，需要選定兩個點，從而確定拉直后的邊界。在拉直處理的時候，和直線有關的三角網，其邊界都會落到直線上，從而得到邊界規則的建筑物模型。此方法適用于規則建筑物邊界的拉直處理，對于結構復雜、形狀無規律的建筑物，此方法并不適用。

2 單體化技術

單體化是指采用某種方式，將研究對象（如建筑、樹木、路燈） 模型成果從原有模型場景中“分離”出來，形成一個單獨的模型成果，便于模型的管理。常見的單體化技術主要有ID單體化、切割單體化、動態單體化和模型重構單體化。下面對不同單體化方式進行簡要介紹。

2.1 ID單體化

該方式是利用三角網頂點中額外的存儲空間，對組成矢量面的三個頂點的ID值進行存儲。這樣，組成同一個建筑物的三角網的頂點都存儲相同的ID值。當選中該建筑物的任何位置時，記錄相同ID值的三角網就會以高亮的形式呈現出來，從而實現建筑物的單體化。

2.2 切割單體化

該方式是指采用一定的矢量面（可以是建筑物、道路、樹木等對應的矢量面） ，對模型從物理層面上進行切割，即將原有三角網分割開，從而實現目標物脫離原有場景的目的。

2.3 動態單體化

該方式是指在對模型進行渲染時，將矢量面、矢量體等疊加到模型上，類似于一個“外套”將目標物體包裹住，從而在選中矢量面、矢量體時，就可以將建筑物選中，從而呈現建筑物被分離出來的狀態。

2.4 模型重構單體化

基于模型成果或傾斜空三加密成果，在模型上或恢復的立體像對模型上，采集目標物的頂點、邊界等信息，從而實現目標物的重新構建，獲得單體化成果。

3 精細化模型制作方案

決定采用模型修飾和單體化方式，對問題模型進行優化處理，制作精細化模型的流程如圖1和圖2所示。

4 實際應用

實景三維作為真實、立體、時序化反映人類生產、生活和生態空間的時空信息，是國家重要的新型基礎設施，因此實景三維建設是必須開展的。某市自然資源局為獲得最新的新型基礎測繪產品，決定開展該市建成區范圍內的實景三維模型生產工作。實景三維工作的開展主要包括已有數據收集，外業像控點的測量和傾斜影像數據的獲取，然后內業完成空三加密和實景三維模型生產，并完成其他新型基礎測繪產品的制作。本次作業采用無人機搭載下視焦距為35 mm，側視焦距為50 mm的5鏡頭相機，采集分辨率優于3 cm的傾斜影像數據，并利用ContextCapture（下文簡稱CC） 軟件，采用集群的方式生產了城區所有模型成果。采用人機交互的方式對模型成果查看，發現模型存在水面破損、女兒墻孔洞、建筑物底部扭曲變形、路燈和樹木懸浮物問題，影響了模型整體的質量。為得到精細化模型成果，決定采用模型修飾和單體化方式，對問題模型進行優化處理。

對于模型成果中水面破損的問題，利用生成的OBJ格式模型成果，采用智覺空間SVS修模軟件，對水面問題進行處理。首先，利用空三成果、未畸變照片、相機參數、OSGB和OBJ格式模型創建工程。其次，利用補洞工具，對破損的水面進行修復處理。在完成破損區域水面的修補后，選擇需要優化紋理的區域，聯動Photoshop軟件，對水面模型紋理進行統一處理。如圖3所示，是水面修補前后的效果對比圖。

對于模型成果中女兒墻孔洞問題，采用SVS軟件進行修復處理。女兒墻一般是立面墻，因此首先要通過女兒墻上的三點，對基準面進行確定。在確定基準面之后，對女兒墻的孔洞進行修復。如圖4所示，是女兒墻修復前后的效果對比圖。圖4（a） 是孔洞修補前的模型，圖4（b） 是孔洞修補后的模型。對兩幅圖對比可以看出，對女兒墻孔洞修補之后，模型更加完整，與實際現狀更符。

對于模型成果中樹木懸浮物問題，采用直接刪除方式進行處理。懸浮物脫離于模型場景，因此可以采用懸浮物識別算法，對懸浮物進行自動選中，然后一鍵刪除。為了保證模型場景的整體展示效果，須對懸浮物產生的影子等問題進行優化處理。本次采用SVS軟件聯動Photoshop軟件，首先將模型場景中的懸浮物一鍵刪除，然后選中需要優化紋理的區域，聯動Photoshop軟件，對紋理進行編輯處理，然后保存。此時模型上的紋理就會同步更新過來，從而得到精細化模型場景。如圖5所示，是懸浮物刪除前后的效果對比圖。圖5（a） 是懸浮物刪除前的模型，圖5（b） 是懸浮物刪除后并對紋理進行編輯處理后的模型。刪除懸浮物后，模型場景更干凈整潔，美觀度有了一定的提升。

對于模型成果中建筑物底部扭曲變形問題，采用單體化技術進行三維模型重構。三維模型的重構主要采用兩種方式：一是在模型上直接采集建筑物的底部作為基準數據，然后對基準數據進行拉伸、縮放等一系列操作，獲得建筑物的主體結構。對于建筑物的附屬物體，按照單一到整體的思路，優先制作簡單的結構，利用組合功能，完成多個物體的組合，從而得到一個整體。二是基于立體像對模型，在立體環境下采集建筑物的結構，從而實現單體化模型重構。對于重構模型的紋理，可采用傾斜影像、地面補拍的影像、數字正射影像等進行紋理的映射、編輯和修改，從而得到最終的單體精細化模型成果。如圖6所示，是采用單體化技術生產的建筑物模型前后效果對比圖。圖6（a） 是自動化生產的模型，圖6（b） 是單體化模型成果。通過對比圖6（a） 和圖6（b） 可以看出，單體化模型結構更加完整，建筑物底部不存在扭曲變形問題，貼圖更加合理，模型質量整體較高。

對于模型修飾和單體化來說，兩者適用的場景和目的不盡相同。模型修飾只是為了得到質量更高的模型成果，單體化技術也可以實現精細化模型制作。除此之外，模型單體化的主要目的是獲得獨棟建筑物，便于后期對建筑物進行屬性掛接。在實景三維模型平臺中，通過屬性查詢，快速定位到目標物體上，便于在線精準、高效管理。

5 結束語

本文對模型修飾和單體化技術進行了介紹，對兩種方式在精細化模型制作中的流程進行了說明，并將兩種技術用于某城市實景三維中國建設項目中，生產出精細化的模型成果。本研究可以為精細化模型的制作帶來借鑒，同時也保障了傾斜攝影技術在其他行業的應用。本研究將兩種修模方式相結合，快速高效得到精細化模型成果。然而，模型修飾、單體化工作量大，如何高效生產高質量的模型成果，需要更多學者進一步研究。

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【通聯編輯：梁書】