基于實景三維模型的單體化建模技術淺談

侯玉敏

（山西省測繪地理信息院第二測繪院，山西 太原 030001）

0.引言

最近幾年，無人機技術和傾斜攝影技術取得了快速發(fā)展及應用，無人機是一種動力驅動、無人駕駛、可重復使用的飛行器。它具有機動性強、靈活性強、低空飛行快速安全等特點。作為一種新的遙感圖像獲取方法，它被廣泛運用。

無人機傾斜攝影測量技術以范圍大、精度高、清晰度高的形式全方面感知不同的復雜場景，由此獲得的數(shù)據(jù)可以快速地生成直觀的實景三維模型，能準確地反映地物的方位、外觀等信息，為基礎測繪、地理國情、專題地圖制作等測繪產(chǎn)品提供參照依據(jù)，同時有效提升三維模型的生產(chǎn)效率。傾斜攝影技術是一項革命性建模技術，它的出現(xiàn)大大減少了人工成本和建模時間，提高建模的真實感，加速了三維GIS 技術的發(fā)展。

關于傾斜攝影，模型單體化技術始終是一個熱點問題。無論基于哪一種建模方案，受生成技術的限制，最終生成的是一個地表連續(xù)的數(shù)字地表模型。而在實際的應用中，不能對某個指定的建筑物進行單獨選擇和查詢，只能跟底圖一樣進行瀏覽，無法進一步深入運用，因此就非常有必要對其進行模型單體化，實現(xiàn)單獨管理，進行對象的選擇及查詢，提高數(shù)據(jù)的價值，使最終的模型既“好看”，又“實用”。

1.傾斜攝影三維建模關鍵技術

伴隨著“數(shù)字城市”建設的快速推進，作為地理信息框架的基礎數(shù)據(jù)，城市三維模型越來越受到廣泛重視。傳統(tǒng)的三維建模方法雖然在模型精細度上能夠得到很好控制，但無法滿足大范圍快速構建城市三維模型的需求。傾斜攝影測量三維建模，以傾斜式航空攝影為數(shù)據(jù)源，通過集成傾斜攝影與垂直影像數(shù)據(jù)到統(tǒng)一的作業(yè)系統(tǒng)，構建無死角三維建模環(huán)境，形成嚴格成像關系下真實紋理的三維重建，彌補了數(shù)據(jù)源的單一視角、遮擋等局限，集成化的建模環(huán)境大幅提升作業(yè)精度和效能。根據(jù)傾斜攝影組合數(shù)據(jù)源，克服影像在分辨率、攝影角度、影像輻射特性等方面的差異，通過POS輔助、DSM 引導、計算機圖形識別等技術綜合應用，實現(xiàn)自動化程度較高的高精度三維建模。

2.單體化建模

傾斜攝影三維建模軟件DP-Modeler 是一款集精細化單體建模及Mesh 網(wǎng)格模型修飾于一體的新型軟件。通過特有的攝影測量算法，支持航測影像、無人機影像、地面影像、車載影像、激光點云等多數(shù)據(jù)源集成，實現(xiàn)空地一體化作業(yè)模式，有效提高了三維建模的精度及質量。通過軟件可以直接對照原始影像勾勒建筑物輪廓線，交互式建模，突破傳統(tǒng)立體像對作業(yè)方法，無需佩戴立體眼鏡，自動檢索多角度影像，具有在任意表面的精細操作，達到測圖級精度成果，測圖與建模同步完成，二、三維矢量完全對應便于后期分析應用?；趪栏穸嘁暢上衲Ｐ?，基于拍攝角度、遮擋、投影面積等因素，優(yōu)選算法對幾何模型進行自動紋理映射，并一步完成修補、融合處理。

自動化生成的模型受生成技術的限制，最終生成的是一個地表連續(xù)的數(shù)字地表模型，無法單獨選擇和管理不同的對象，單體化則可以實現(xiàn)這一功能，它可以使我們想要單獨管理及查看的對象呈現(xiàn)出來?；贒P-Modeler 軟件對三維模型進行單體化建模后，通過對模型踏平、刪除等操作，使單體化模型與原有實景三維場景更好地融為一體，進而形成可單體化管理的高精度場景。具體的單體化操作流程（如圖1 所示）：

圖1 基于實景三維模型的單體化建模技術流程圖

2.1 單體化建模及紋理修飾

傾斜攝影的實景模型單體化主要包括矢量切割單體化、矢量疊加單體化和模型重建單體化3 種方式。這次我們主要研究的是單體化的重建，它是以連續(xù)傾斜攝影測量數(shù)據(jù)為基礎數(shù)據(jù)源，通過在原有實景三維模型的基礎上對模型進行重建，從而實現(xiàn)不同對象的模型單體化。對某個建筑物進行單體化時我們應選擇多邊形繪制工具，在頂視圖視角下對影像提取建筑頂部輪廓線（如圖2 所示）。根據(jù)傾斜影像判斷建筑物高度，設定基準面，將平面模型通過擠出操作，轉化成立體模型。通過擠出柱體將其擠出到指定高度，再用 內(nèi)偏移及外擴、切割等操作來創(chuàng)建建筑物立體面以及房屋附屬結構，例如屋檐、女兒墻、單元樓門洞等（如圖3 所示）：

圖2 建筑物頂部輪廓線

圖3 建筑物立體面

對建好的單體化模型進行一鍵貼圖，利用傾斜影像可以采集到建筑物不同層面的紋理特征，可以從相機影像中自動采集模型圖，然后可以通過一鍵完成來進行單體化模型的貼圖，效果（如圖4 所示）。對于個別不合適的面可以通過選擇最佳影像進行手動貼圖，以達到三維模型所需要的最佳效果（如圖5 所示）。自動映射與手動貼圖所得到模型貼圖，不免有些瑕疵，我們可以通過調用PhotoShop 進行紋理修改，修改后保存的貼圖可以在DP-modeler 下直接進行替換，無需查找貼圖。

圖4 建筑物自動紋理貼圖效果圖

圖5 建筑物手動紋理貼圖效果圖

2.2 建筑物輪廓線采集技術標準

2.2.1 輪廓線采集技術要求

建筑物輪廓線采集是后續(xù)制作建筑物三維模型的基礎，采集輪廓線時按如下規(guī)則進行矢量采集。

對于平頂建筑物，沿建筑物邊沿采集；對于人字形房頂，按兩次采集，先采集建筑物的邊緣線，使其直角化，再采集建筑物頂部屋脊線，將其拉升至實際高度，構出斜面；對于復雜結構，需要先后采集同一高度閉合的外輪廓線、各屋脊線、屋頂凸出結構的輪廓線，對于圓或是弧，用五、六個點連起來表示。具體采集規(guī)則（如圖 6 所示）：

圖6 不同形狀建筑物輪廓線采集方案圖

2.2.2 數(shù)據(jù)采集指標

（1）郊區(qū)：房上房，高＞2.5 米，面積＞5 平方米；基本房，高＞2.5 米，面積＞5 平方米。城區(qū)：房上房，高＞2.5 米，面積＞2 平方米；基本房，高＞2.5 米，面積＞2平方米。

（2）在保持原有房屋外觀的情況下，高度差小于0.5 米的以及水平方向拐折小于0.5 米的房子視情況可以適當綜合。

（3）房上房必須抬到基本房上，該接邊的房子必須接邊，兩者之間不能出現(xiàn)空隙。

（4）房屋構造線必須均勻有序，不能雜亂無章。

（5）高檔住宅，沿街道兩邊的商場，企事業(yè)單位，機關學校醫(yī)院等建筑，凡女兒墻高度大于0.5 米且寬度大于0.5 米的要單獨表現(xiàn)；高檔住宅，沿街道兩邊的商場，企事業(yè)單位，機關學校醫(yī)院以及工礦等建筑，凡女兒墻高度大于1.5 米（除廣告牌）女兒墻需要單獨表現(xiàn),女兒墻表現(xiàn)時都需要以房上房的形式表現(xiàn)。

2.2.3 各等級模型采集要求

（1）政府建筑、商業(yè)建筑、公共建筑大于0.5 米的凸凹部分需采集。

（2）沿街建筑大于0.8 米的凸凹部分需采集。

（3）建筑的屋檐、裝飾墻等結構大于0.8 米以上需按照實際的尺寸、形狀采集，細節(jié)可以使用貼圖表現(xiàn)。

（4）突出門廳、進出口大門需要采集。

（5）建筑頂部結構需要按照實際情況采集，不能出現(xiàn)比例、結構形狀與實際不符的情況。

（6）建筑的女兒墻需要按照實際高度、寬度采集，居民自建房屋除外。

（7）沿街建筑如有面積較小，面數(shù)較多的情況，如百葉窗、欄桿等，可做成塊狀，直接貼影像。

（8）建筑重要面的裝飾柱（墻線）凹凸在1 米以上需要采集。

（9）房屋墩、柱：直徑大于 1 米，且高度大于1.5 米需要采集。

（10）圍墻需要采集。

（11）屋頂裝飾物：投影面大于4 平方米，或者最長的一邊大于2 米的幾何造型必須采集。

2.3 三維建模技術標準

2.3.1 城市三維幾何模型

（1）建筑直角化。勾勒建筑輪廓線時要在垂直影像（頂視圖）上操作，描繪時盡可能地避免取消直角約束，保證建筑的邊角為直角。

（2）建筑咬合問題。模型不得有漏縫、共面、廢點等現(xiàn)象。建筑各結構需保證咬合，避免出現(xiàn)大的穿插、與主體分離的現(xiàn)象。

（3）建筑比例問題。建筑各結構的比例要與實際相符。

（4）模型同一空間位置上的點要對齊并且焊接（不要存在2 個和多個點的問題存在）。

（5）模型重面。應遵守不同細節(jié)層次模型面數(shù)生產(chǎn)要求，看不到的面或多余面應刪除，交叉面的情況下沿街模型穿插大于1 米需要刪除，非沿街模型不需處理。模型應避免出現(xiàn)重面，否則后期平臺里會出現(xiàn)黑面閃爍的現(xiàn)象。同一法線方向的兩個面之間避免共面閃爍。

（6）不同層次的幾何模型在數(shù)據(jù)量上應至少有一個數(shù)量級的差別。

（7）統(tǒng)一參照。所有模型應在統(tǒng)一的參照系下，模型的坐標位置和高程數(shù)據(jù)應準確。模型數(shù)據(jù)應統(tǒng)一以“米”為計量單位。模型自身軸心點統(tǒng)一為獨立object中心。

2.3.2 城市三維模型紋理

（1）貼圖UV 編輯。由于模型建模時的直角化操作，或程序自動選片的出入，導致模型面與貼圖結合不準確，需人工編輯UV 或PS 貼圖，調整至合理狀態(tài)。

（2）重復紋理使用。弧形結構由于貼圖時比較繁瑣，可以采用手工編輯UV 與影像中的弧形匹配，匹配完成后在MAX 立面視圖中渲染出圖，在此基礎上處理拼接問題。在保證與周圍墻面貼圖融合的前提下，允許使用重復紋理。

（3）光影統(tǒng)一。建筑的光影必須保持方向統(tǒng)一，避免出現(xiàn)光影錯亂的現(xiàn)象。

（4）應與幾何模型細節(jié)層次相匹配。

（5）貼圖紋理統(tǒng)一以*.jpg 格式存儲。

（6）貼圖紋理使用原始尺寸。

（7）有效模型面必須賦予貼圖。

（8）對錯誤及漏建的結構貼圖時需要根據(jù)影像改正模型。

（9）貼圖不可出現(xiàn)拉伸、扭曲、變形的現(xiàn)象。

（10）貼圖時對過曝、過黑的貼圖需進行影像亮度及色差調整。

（11）建筑樓層要對齊，避免出現(xiàn)接縫沒對齊、樓層錯層的現(xiàn)象。

2.4 三維模型與紋理命名規(guī)則

（1）命名應合理、簡明。

（2）名稱使用字母、數(shù)字和下劃線表示。

（3）不區(qū)分大小寫字母，統(tǒng)一使用小寫字母表示。

（4）所有模型名稱及紋理命名必須唯一。

（5）命名規(guī)則應具有可擴充性。

（6）所有模型名稱及紋理名稱應考慮數(shù)據(jù)集成通用性命名。

3.結束語

無人機技術和傾斜攝影技術已成為快速制作實景三維模型及獲取三維地理信息數(shù)據(jù)的重要手段，可以真實有效獲取地表特征和地面人工建筑。但是，在實景三維模型的應用過程中發(fā)現(xiàn)，其存在“可遠觀不可近看，可瀏覽不可查詢”的問題，這些問題直接制約著傾斜實景三維模型廣泛應用，本文詳細介紹了以DP-Modeler 為單體化平臺對建筑物進行單體化建模的作業(yè)流程及幾何模型制作和模型紋理貼圖的技術標準。此作業(yè)流程已取得了較好的適用性，可為其他項目做可行性參考。