使用FME對三維矢量線和航片進(jìn)行快速建模的方法

陳潤華

摘 要：文章針對數(shù)字城市三維建模的需求，提出了使用FME結(jié)合三維矢量線和航片進(jìn)行快速建模的方法，介紹了實現(xiàn)過程。

關(guān)鍵詞：FME；三維矢量線；航片；建模

1 概述

雖以Smart3D為代表的利用照片建模的三維重建技術(shù)正在迅速普及，但受限于使用此種方法得到的場景模型尚未實現(xiàn)模型單體化，在需要制作精細(xì)模型的項目中，仍然使用屋頂三維線結(jié)合航片影像生成模型的技術(shù)。

2 總體流程設(shè)計

3 實現(xiàn)過程

3.1 準(zhǔn)備源數(shù)據(jù)。提取第三方航測軟件生成的空三成果，整理成CSV格式文件方便在FME中使用，整理好的文件格式如下：外方位元素文件：相片文件路徑，X，Y，Z，Phi，Omega，Kappa。測區(qū)參數(shù)文件：相機(jī)焦距，像主點x0，像主點y0，相片高（像素），相片寬（像素），像素大小，地面分辨率。準(zhǔn)備屋頂三維矢量線和DEM文件。

3.2 檢查、處理屋頂矢量線

首先對屋頂矢量線做必要的檢查，包括檢查不閉合的面、檢查面邊界是否有弧、重復(fù)頂點、面自相交、面重疊等。針對圖形規(guī)范的檢查和自動處理，可以使用GeometryValidator轉(zhuǎn)換器。

人工采集屋頂矢量線的過程中，容易出現(xiàn)因捕捉不到位造成的頂點間以及點線間的縫隙，需要對其進(jìn)行一定容差內(nèi)的規(guī)范處理，包括二三維捕捉和給人字形屋頂加中線。其中人字形屋頂?shù)乃许旤c不在同一個平面上，屬于不規(guī)范圖形。但因為此類要素較多，如果采集過程中分別采集兩個屋頂面，會嚴(yán)重降低作業(yè)效率?？梢栽贔ME處理過程中針對此類圖形自動添加屋脊線，將其分隔成兩個面。

3.3 檢查屋頂線與相片是否重合

使用InsidePointReplacer轉(zhuǎn)換器得到各屋頂投影面的中心點，使用NeighborFinder轉(zhuǎn)換器求出離各屋頂面中心點最近的相片文件，然后根據(jù)攝影測量專業(yè)的共線條件方程，將矢量線的各頂點坐標(biāo)計算到相片坐標(biāo)，然后輸出到FME Data Inspector中查看。在Inspector轉(zhuǎn)換器中按相片全路徑分組，矢量線對應(yīng)的相片路徑會直接顯示在FME Data Inspector數(shù)據(jù)列表的節(jié)點上，可以更方便的檢查。若屋頂線與相片不套合，最常見的原因是相片的外方位元素不規(guī)范，航測條帶轉(zhuǎn)向后坐標(biāo)系正方向未保持一致。程序提供根據(jù)航帶號的奇偶性進(jìn)行自動糾正的功能。

3.4 獲取底面

源數(shù)據(jù)確認(rèn)無誤后，使用SurfaceDraper轉(zhuǎn)換器將每個屋頂面投影到DEM上，得到對應(yīng)的底面。但通常每幢房屋范圍內(nèi)的DEM的高度都是不相等的，而最終房屋模型底面各頂點的高程就有不同的選擇。最常見的要求是整幢房屋底都是平的，其次是要求房屋各頂點都正好貼到地表，最復(fù)雜的要求是對房屋邊線進(jìn)行頂點內(nèi)插，使得整條線都貼合在地表上。第二種情況處理最簡單，但是生成的模型從側(cè)面看就會不美觀。第三種會造成底面邊線生成過多頂點，不僅會極大增加模型的體積，還會嚴(yán)重影響側(cè)面紋理效果。第一種要求需要統(tǒng)計投影面各頂點的Z值，根據(jù)需要取最小值、最大值或平均值。

3.5 掏空模型

掏空模型指對同一幢房屋（投影面相鄰或重疊）的各部分進(jìn)行體布爾運算，刪除體內(nèi)部表面，只保留最外部表面。此步驟可以使用FME Store上共享的SolidDissolver轉(zhuǎn)換器完成。

3.6 裁切紋理

根據(jù)共線方程求出矢量線各頂點在相片上的坐標(biāo)后，使用PointConnector轉(zhuǎn)換器將點重新連接成面，然后使用Clipper轉(zhuǎn)換器裁切離面中心點最近的相片得到紋理。

3.7 處理紋理

因為裁切得到的紋理是相片坐標(biāo)，需要根據(jù)原屋頂線的所有頂點，使用AffineWarper轉(zhuǎn)換器將其糾正回空間直角坐標(biāo)。程序根據(jù)實際需求，提供了紋理最大像素限制和紋理轉(zhuǎn)正的功能。因為常見的三維平臺對紋理像素有限制，可以使用RasterResampler轉(zhuǎn)換器進(jìn)行重采樣。另外因為紋理柵格文件是正矩形，當(dāng)屋頂面的斜外接矩形與正南正北方向存在一定角度時，會存在多余的紋理。使用BoundingBoxReplacer轉(zhuǎn)換器得到屋頂面斜外接矩形，求出旋轉(zhuǎn)角后同時將屋頂面和已裁切的紋理旋轉(zhuǎn)至水平方向并再次裁切，得到轉(zhuǎn)正后紋理。紋理轉(zhuǎn)正不會影響模型效果，卻能有效的減少紋理文件大小。

3.8 輸出模型

使用AppearanceSetter轉(zhuǎn)換器對屋頂貼紋理。因為頂面、側(cè)面是分開的要素，為保證輸出后一幢房屋為一個模型對象，可以使用Aggregator轉(zhuǎn)換器聚合同幢房屋的頂面和側(cè)面。

3.9 使用自定義轉(zhuǎn)換器分組處理

在最初測試中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)紋理數(shù)量較多時程序的處理效率非常慢，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)主要原因是紋理糾正步驟使用的AffineWarper轉(zhuǎn)換器目前在FME中沒有提供原生的分組處理功能。后將紋理糾正步驟保存成自定義轉(zhuǎn)換器，使用自定義轉(zhuǎn)換器提供的分組功能實現(xiàn)并行處理。對比后發(fā)現(xiàn)，分組并行處理1000個紋理的效率是單進(jìn)程處理的30倍以上。

4 結(jié)束語

整個處理流程共405個轉(zhuǎn)換器，相比完全用代碼實現(xiàn)，F(xiàn)ME提供的方案實在是簡單、易用、可靠。在實際使用中，搭配多核CPU計算機(jī)，使用FME的并行處理功能，可以極大的提高處理效率，完全滿足實際需求。

參考文獻(xiàn)

[1]張劍清，潘勵，王樹根.攝影測量學(xué)[M].武漢：武漢大學(xué)出版社，2000.

[2]李永泉，韓文泉，黃志洲.數(shù)字城市三維建模方法比較分析[J].現(xiàn)代測繪，2010，33（2）.