面狀要素與三維實景模型的無縫融合技術(shù)

趙昕 王春 李敏 李彥恒 王浩翔 許勁峰 滿劍奇

摘 要：隨著無人機傾斜攝影測量的發(fā)展，二三維一體化由于其獨特優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用于各個行業(yè)，二維矢量與三維實景模型的融合成為人們關(guān)注的重點。二維矢量疊加到三維實景模型實現(xiàn)了模型單體化效果，不僅掛接了屬性，還增強了三維可視化效果。本文對傳統(tǒng)面狀要素融合到三維實景模型的方法進行分析并提出了改進，為面狀要素到三維實景模型的融合拓寬了新的思路。

關(guān)鍵詞：三維實景;面狀要素;數(shù)據(jù)融合;籬笆墻法;高程值法

中圖分類號：P23 ? ? ?文獻標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號：1003-5168（2022）11-0101-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.11.023

Seamless Fusion Technology of Area Features and 3D Real Scene Mode

ZHAO Xin1? ? WANG Chun1，2? ? LI Min1? ? LI Yanheng1? ? WANG Haoxiang1

XU Jinfeng1? ? MAN Jianqi 1

（1.School of Earth Science and Engineering， Hebei University of Engineering， Handan 056038， China;

2. College of Geographic Information and Tourism， Chuzhou University， Chuzhou 239000， China）

Abstract：With the development of UAV tilt photogrammetry， two-dimensional and three-dimensional integration is widely used in various industries because of its unique advantages. The integration of two-dimensional vector and three-dimensional real scene model has become the focus of attention. The superposition of two-dimensional vectors to the three-dimensional real scene model realizes the monomer effect of the model， which not only connects the attributes， but also enhances the three-dimensional visualization effect. This paper analyzes and improves the traditional method of integrating area elements into three-dimensional real scene model， which widens a new idea for the integration of area elements into three-dimensional real scene model.

Keyword：Three dimensional real scene; Planar elements; Data fusion; Fence method; Elevation value method

0 引言

隨著無人機攝影測量的發(fā)展，三維GIS技術(shù)越來越成熟，且被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域[1]。在城市規(guī)劃、災(zāi)害評估、三維社區(qū)、智慧交通、地下管網(wǎng)、環(huán)境監(jiān)測與評估等方面，三維GIS在可視化和展現(xiàn)力方面的優(yōu)勢越來越明顯[2-3]。然而三維GIS發(fā)展時間較短，其空間分析能力與二維GIS相比較差，因此出現(xiàn)了二三維一體可視化：即在數(shù)據(jù)可視化中將二維矢量數(shù)據(jù)疊加在三維實景模型上。該方法既保留了三維直觀表達的特點也獲取了強大的空間分析能力[4-5]。由于實景三維模型是一個連續(xù)整體，無法對單個實體進行數(shù)據(jù)修改、模型重建和屬性掛接等操作和管理，二維矢量要素與三維實景模型融合能夠在一定程度上實現(xiàn)模型單體化。這種單體化稱為邏輯單體化，它并不是通過矢量切割、模型重建方法將模型切割為單個實體[6]。而是借助二維矢量要素與三維模型疊加，通過二維矢量要素間接將模型進行邏輯和視覺切割，同時在二維矢量要素中可掛接屬性信息，滿足在三維模型中基本的GIS查詢、分析等功能[7]。以不動產(chǎn)登記管理為例，三維地理信息系統(tǒng)可以利用高分辨率衛(wèi)星影像、航空像片及數(shù)字高程模型生成地表三維模型，再疊加空間矢量數(shù)據(jù)、地物興趣點及三維建筑物模型數(shù)據(jù)[8]，形成區(qū)域或城市的可視化三維數(shù)字景觀，實現(xiàn)不動產(chǎn)登記可視化管理，從而提高政府的決策水平[9]。

二維矢量要素分為點狀要素、線狀要素和面狀要素，其中面狀要素空間結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，在與實景三維模型融合中涉及維數(shù)更多、范圍更大。目前常見的融合方法為包圍盒法、顏色填充法以及高度可見法。包圍盒法是指對同一空間域內(nèi)的二維面進行升維，設(shè)定二維面的高度值，形成同區(qū)域內(nèi)二維面擴展的三維半透明實體包圍盒，該方法適用于實景三維起伏不大或者區(qū)域小、特征區(qū)分比較明顯的融合應(yīng)用。該方法的優(yōu)點在于操作簡單，不需要花費額外工作即可得到，缺點在于超過包圍盒高度的實體部分無法被包裹，當(dāng)區(qū)域較小時特征區(qū)分度不明顯的實體如外觀相似的房子無法被明顯區(qū)分。顏色填充法是二維面使用貼對象法得到的依附在實體表面的三維實體，再通過填充顏色來區(qū)分不同實體。該方法優(yōu)點在于可以直觀通過包圍盒顏色來區(qū)分不同實體;缺點在于可視化效果問題，填充顏色區(qū)分度不明顯時會導(dǎo)致實體區(qū)分度不明顯，并且該融合效果全部包裹實體。高度可見法是指在高于一定高度時二維面與實景三維疊加可見，突出二維面空間范圍，降低到一定高度以下時，二維面轉(zhuǎn)為線框模式，突出實景三維模型，該方法針對的是視角高度可視化內(nèi)容的轉(zhuǎn)換問題，適用于二維面域較大的情況。當(dāng)視角高度較高時，由于視角特性對可視化效果要求較低，面狀要素與三維實景模型融合效果不需要十分精確。

本文將研究視角高度較低時面狀要素與三維實景模型的融合技術(shù)，一方面通過技術(shù)改進提高融合的視覺效果，另一方面根據(jù)面狀要素空間特點因地制宜，利用三維效果宏觀反映地物實體位置信息與特點。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 數(shù)據(jù)

1.1.1 研究區(qū)。本文選取研究區(qū)為安徽省滁州市明南街道的橫山村，所占面積為83.06 km2，5個行政村，134個村民小組，總?cè)丝?.8萬人。該區(qū)域內(nèi)擁有旱地、水田、池塘、溝渠農(nóng)村道路、喬木林地等地物要素，房屋主要為集中的低層建筑[10]。該鄉(xiāng)鎮(zhèn)擁有美麗倉湖、美麗橫山集兩個美麗鄉(xiāng)村建設(shè)點，研究面狀要素到實景三維模型的融合可以為其日后數(shù)字孿生平臺的建設(shè)留下參考。

1.1.2 數(shù)據(jù)收集和預(yù)處理。收集到的數(shù)據(jù)包括實景三維模型和面狀矢量要素，面狀要素為房地一體中的自然幢、宗地圖層和明南街道基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫中土地利用現(xiàn)狀圖層、道路圖層。在SuperMap iDesktop 10i上將傾斜攝影數(shù)據(jù)生成傾斜攝影配置文件即三維切片緩存文件，然后通過添加配置文件實現(xiàn)OSGB格式的實景三維模型加載到球面場景中;新建文件型數(shù)據(jù)源，在數(shù)據(jù)源中加載存儲實景三維生成的DSM導(dǎo)入待添加的面狀要素，完成面狀要素與實景三維融合前的數(shù)據(jù)加載。

1.2 技術(shù)路線

本文探討的是視角較低時面狀要素與三維實景模型融合技術(shù)，以超圖公司的軟件SuperMap iDesktop 10i（2020）為融合可視化和展示平臺，根據(jù)面狀要素類型選取不同的融合方法進行融合效果制作，構(gòu)建完整的二維面狀矢量要素與實景三維模型的融合流程，技術(shù)路線如圖1所示。對于面狀要素與三維實景模型的融合，核心點在于給二維矢量進行升維得到盒裝或者圍墻狀包裹實體，因此需要給面狀要素賦予高程值作為包裹體的底部高程，再進行高度拉伸。其中拉伸高度值由融合效果中融合后的面狀要素包裹實體的高度決定。

1.2.1 面狀要素分類。依據(jù)面狀要素的地物特征將其分為三類：地類面狀要素、房屋類面狀要素和有坎類面狀要素。

①地類面狀要素。地類面狀要素主要為自然景觀，例如田地、旱地和草地等（圖2），這類地物結(jié)構(gòu)簡單、起伏不大，因此在二維面狀要素與三維實景模型融合時只需要明顯區(qū)分每個土地斑塊并表明地類名稱。

②房屋類面狀要素。房屋類面狀要素內(nèi)景觀為人工建筑，其空間結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。從圖3中可以明顯看出各個房子的形狀各異、高度不同，存在一個宗地中套著一個或多個宅基地的情況。

③有坎類面狀要素。有坎類面狀要素內(nèi)主要為邊界外圍有坎，因而融合到實景三維模型中，需要表現(xiàn)出坎的特征，例如道路、水塘和水渠等。圖4中內(nèi)側(cè)兩條線代表道路，外側(cè)兩條線代表坎。

1.2.2 緩沖區(qū)設(shè)置。由于尺度差異、精度誤差、投影變化誤差、應(yīng)用目的不同、人工采集差異等多種因素的影響，這樣導(dǎo)致了空間實體位置的差異，如圖5（a）所示[11]。因此對面狀要素的邊界進行緩沖，緩沖區(qū)半徑設(shè)置為大于實景三維模型誤差的一半，使其緩沖范圍能包含地物實體的實際邊界，如圖5（b）所示。

1.2.3 二維面狀要素高程值獲取方法。記錄空間位置的矢量數(shù)據(jù)缺少高程值數(shù)據(jù)，無法直接顯示在實景三維模型中，需要將三維GIS高度數(shù)據(jù)賦值給面狀矢量數(shù)據(jù)，這樣解決了二維矢量缺乏高程值問題。目前普遍使用的方法為貼對象法、DEM/DSM提取三維數(shù)據(jù)法、三維測圖法。

①貼對象法。貼對象是iDesktop軟件風(fēng)格高度模式的一種，其作用是二維面狀矢量圖層將會依附在實景三維模型表面，依托三維模型形成三維效果。該方法實現(xiàn)了面狀要素與實景三維模型的無縫融合，不需要再進行拉伸高度設(shè)置，操作簡單，但其最終融合效果是包裹全部實體。

②DSM提取三維數(shù)據(jù)法。該方法使用iDesktop軟件上空間分析中的提取三維數(shù)據(jù)操作，輸入DSM數(shù)據(jù)和需要獲得高程的二維矢量數(shù)據(jù)，DSM是一個顯示實體表面高度的高程模型[12]，軟件從DSM數(shù)據(jù)中自動提取二維矢量對應(yīng)實體位置的表面高程數(shù)據(jù)然后設(shè)置拉伸高度形成包圍盒。該方法的優(yōu)點在于可自由設(shè)置拉伸高度，融合后的面狀要素包裹實體的高度是自由的;由于DSM數(shù)據(jù)是存儲實體表面的高程信息，所以該方法缺點為不能獲取二維矢量對應(yīng)實體位置的表面上方或里面高程。

③三維測圖法。三維測圖法是利用iDesktop軟件上查詢坐標(biāo)值功能，通過手動點擊實景三維模型上的位置獲取其高程值。該方法與DSM提取三維數(shù)據(jù)方法相同點為在后續(xù)操作中都需設(shè)置拉伸高度且拉伸高度值按照融合需求自由設(shè)置，實現(xiàn)了融合后的面狀要素可全部或部分包裹實體;不同點在于賦予高程法是手動獲取任意位置的高程值，其效率較低，但融合效果更多樣，而DSM提取三維數(shù)據(jù)法是自動獲取二維矢量對應(yīng)實體位置的表面高程。

1.3 面狀要素融合方法的改進

1.3.1 籬笆墻法。包圍盒法是將面狀要素升維實現(xiàn)的半透明包圍盒，其缺點在于將整個地物實體包裹在盒子內(nèi)部。本研究針對包圍盒法進行改進并提出了籬笆墻法，該方法核心點是將面狀要素的輪廓升維來構(gòu)建從實體的側(cè)面進行包裹的圍墻式效果。其操作流程如下：利用軟件中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換功能將面類型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成線類型數(shù)據(jù)，如圖6（a）所示;對線類型數(shù)據(jù)進行緩沖區(qū)分析，如圖6（b）;最后對二維緩沖區(qū)進行拉伸得到三維的籬笆墻，如圖6（c）所示。與包圍盒法相比，籬笆墻效果包裹地物實體部分更少，融合后的面狀要素不會遮擋住實體頂部，有利于人們從更多角度更清晰地觀察實體。

1.3.2 顏色填充法的改進。顏色填充法的改進一方面是選擇填充顏色的合適的透明度、區(qū)分度明顯的顏色來提高可視化效果。另一方面是使用范圍的擴大，不止是使用貼對象法構(gòu)建的要素使用不同顏色填充，籬笆墻法構(gòu)建的要素也可以使用不同顏色進行填充。

2 結(jié)果

本文通過SuperMap iDesktop 10i（2020）平臺以無人機傾斜攝影實景三維模型為基礎(chǔ)，以土地利用現(xiàn)狀圖層、自然幢和宗地圖層、道路圖層為對象驗證面狀要素與實景三維模型融合技術(shù)的可行性。

2.1 土地利用現(xiàn)狀

土地利用現(xiàn)狀圖層與實景三維的融合采用了籬笆墻法進行融合，同時用標(biāo)簽標(biāo)記了地類名稱?；h笆墻制作使用了DSM提取三維數(shù)據(jù)法，拉伸高度為6 m，透明度設(shè)置為50%。標(biāo)簽的制作與前面籬笆墻采用方法一致，不同點是標(biāo)簽是對面狀要素質(zhì)心點進行升維處理。

圖7為土地利用現(xiàn)狀圖層融合后的效果，各個圖斑由籬笆墻包圍，且各圖斑上空標(biāo)有地類名稱。標(biāo)簽的制作與前面籬笆墻采用方法一致，不同點是標(biāo)簽是對面狀要素質(zhì)心點進行升維處理，而籬笆墻是對面狀要素邊界升維處理。

2.2 宗地自然幢

2.2.1 房地一體數(shù)據(jù)。宗地圖層采用籬笆墻方法，通過賦予高程值法手動獲取房屋底部與地面相連的地方高程，拉伸高度為2 m、透明度為100%。自然幢圖層采用籬笆墻法、貼對象法，透明度為50%。從圖8可以看出屋頂區(qū)域為宗地范圍，院墻區(qū)域為自然幢范圍。

2.2.2 自然幢。自然幢圖層采用籬笆墻法，籬笆墻的底部高程信息分別通過三維測圖法獲取建筑物中間位置高程和頂部位置高程，在位置選取時應(yīng)注意保證相鄰的建筑的圍墻可以錯開，分別制作圍繞建筑中部和頂部的圍墻，拉伸高度分別為1.5 m、0.3 m，透明度為50%。其中，不同符號標(biāo)記代表不同宗地范圍，圖9為自然幢圖層與實景三維模型融合后的效果。

2.2.3 宗地。宗地圖層采用顏色覆蓋法實現(xiàn)不同顏色的盒子套在不同宗地上。設(shè)置透明度40%，保證圍墻顏色不遮蓋建筑物紋理，通過圍墻可以清晰地看到建筑物情況。不同符號標(biāo)記代表不同自然幢范圍，圖10為宗地圖層與實景三維模型融合后的效果。

2.3 道路

在收集到的道路數(shù)據(jù)中沒有坎數(shù)據(jù)，需要在DP Modeler軟件中加載實景三維模型手工畫道路的坎圖層，然后再導(dǎo)入iDesktop軟件中?？矆D層利用籬笆墻法、DSM提取三維數(shù)據(jù)法制作了沿著道路邊界、坎邊界的圍墻。其中設(shè)置道路籬笆墻的拉伸高度為1 m、透明度100%，坎籬笆墻的拉伸高度為0.75 m、透明度為100%，道路籬笆墻比坎的厚度更大，突出道路為主、坎為輔的特征，如圖11。

3 結(jié)語

本文介紹了面狀要素到實景三維模型的融合技術(shù)。首先根據(jù)地物特征與空間結(jié)構(gòu)將面狀要素類，根據(jù)不同類別設(shè)計不同融合效果，然后提出了緩沖區(qū)設(shè)置的必要性，介紹了賦予二維矢量底部高程值方法，并且提出了改進的融合方法，最后進行了面狀要素與實景三維模型融的效果展示。下一步將在賦予高程值情況進行研究，用更多自動化代替手工化，提高工作效率，達到可視化效果的同時滿足快速融合以及不同應(yīng)用需求。

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