基于無人機傾斜攝影的單體化模型制作與模型修飾研究

摘要：采用無人機傾斜攝影方式制作的實景三維模型存在一些問題，如樹木懸浮物、建筑底部結(jié)構(gòu)變形拉花、高樓頂部破損、水面破損等。針對這些問題，本文提出將單體化技術(shù)和模型修飾技術(shù)用于實景三維模型的優(yōu)化處理。首先，筆者對無人機傾斜攝影三維模型制作展開研究，其次，對目前已有的單體化技術(shù)和實景三維模型修飾的方法進行介紹說明，最后，對生產(chǎn)的實景三維模型，采用本文提到的單體化和模型修飾方法進行優(yōu)化，并將單體化成果和修飾后的模型場景融合，得到了高質(zhì)量三維模型成果。本文的研究旨在為單體化模型以及模型修飾的從業(yè)人員提供參考。

關(guān)鍵詞：無人機；傾斜攝影；單體化模型；模型修飾；實景三維模型

中圖分類號：P231 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2024）23-0117-03

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標識碼（OSID）

0 引言

近年來，基于無人機搭載傾斜攝影相機生產(chǎn)測繪產(chǎn)品被廣泛用于測繪各種項目，例如，將傾斜攝影技術(shù)用于農(nóng)村房地一體確權(quán)登記項目，生產(chǎn)實景三維模型，在實景三維模型的基礎(chǔ)上，完成地籍圖的測繪工作，并基于模型完成指界確權(quán)工作，將模型數(shù)據(jù)保存下來，便于后期對房屋翻建、新建等更改進行核對[1]。將傾斜攝影技術(shù)用于拆遷項目，獲取拆遷區(qū)域時效性強的實景三維模型數(shù)據(jù)，在三維模型上設(shè)計多種拆遷方式，對拆遷面積進行統(tǒng)計，評估拆遷成本。將實景三維模型數(shù)據(jù)用于城市規(guī)劃，尤其是在天際線分析、通視分析、限高分析等方面，發(fā)揮著重要的作用。這些應(yīng)用對模型的精細度要求并不高，無須對自動生產(chǎn)的實景三維模型進行修飾處理，也無須對其中的建筑物進行單體化制作。然而，對于數(shù)字孿生、實景三維中國建設(shè)等項目來說，不但要求生產(chǎn)得到實景三維模型，而且要求模型場景整潔，建筑物須進行詳細的單體化制作[2-4]。基于無人機傾斜攝影方式采集的影像數(shù)據(jù)信息非常豐富，但是由于其是從空中對地面采集影像數(shù)據(jù)，因建筑物遮擋等原因，采集的影像是存在航攝盲區(qū)的，基于該數(shù)據(jù)生產(chǎn)得到的實景三維模型，肯定會存在建筑物底部拉花變形等問題的[5-6]。實景三維模型的最小組成單元是三角面片，是由無數(shù)個互不交叉重疊的連續(xù)三角面片組成的，因此實景三維模型是典型的“一張皮”模型，在建模的過程中，無法準確將建筑物分離出來，形成單體化成果[7-8]。基于此，本文對無人機傾斜攝影三維模型制作展開深入研究，并對目前的單體化和實景三維模型修飾進行了介紹，并以實際生產(chǎn)的實景三維模型為優(yōu)化對象，進行了單體化模型的制作和三維模型場景的修飾，并將兩種成果融合，得到了高質(zhì)量的模型成果。

1 無人機傾斜攝影三維模型制作

基于無人機傾斜攝影技術(shù)生產(chǎn)實景三維模型數(shù)據(jù)，主要包括準備工作、外業(yè)數(shù)據(jù)采集工作和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理工作，具體的作業(yè)流程如圖1所示。

在三維模型制作過程中，空中三角測量解算是內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理中的一個重要環(huán)節(jié)。在空三加密成果符合要求后，可以基于空三成果完成多視影像的密集匹配，從而獲得高精度、高密度的三維離散點云數(shù)據(jù)。不規(guī)則三角網(wǎng)的構(gòu)建基于密集點云成果。在構(gòu)建三角網(wǎng)時，按照構(gòu)建的三角網(wǎng)互不交叉、互不重疊、三點是最鄰近點以及三邊之和最小等要求，以得到唯一的三角面片，從而形成連續(xù)構(gòu)建的三角網(wǎng)模型，即白模。基于影像數(shù)據(jù)與三角網(wǎng)頂點之間的對應(yīng)關(guān)系，對白模進行紋理自動映射，從而得到實景三維模型成果。

2 單體化技術(shù)

單體化是指將研究對象從場景中“分離”出來，并可以基于單體成果完成相關(guān)屬性查詢等操作。目前，單體化技術(shù)主要包括動態(tài)單體化、ID單體化、切割單體化和重構(gòu)單體化。每種單體化的單體方式和特點如下。

2.1 動態(tài)單體化

動態(tài)單體化是一種渲染單體化，即采用動態(tài)方式，將目標物對應(yīng)的矢量面疊加到模型成果上，將需要單體化的目標物包裹起來，實現(xiàn)目標物可單獨選中的效果。這種方式不改變原有三角面片的組成，只是顯示層面的單體化。在進行單體化作業(yè)前，要獲取高精度的目標物表面數(shù)據(jù)，須采用攝影測量的方式，生產(chǎn)得到高精度的數(shù)字表面模型，然后基于數(shù)字表面模型制作目標物對應(yīng)的矢量面，最后將二維矢量面疊加到三維模型上，采用渲染和貼對象的方式完成目標物的單體化。這種方式前期需要制作數(shù)據(jù)，單體化效率低，并且是顯示層面的單體化，也不利于管理查詢等操作。

2.2 ID單體化

組成實景三維模型的最小單元是三角面片，每個三角面片有三個頂點，頂點除了記錄坐標等數(shù)據(jù)外，還有額外的存貯空間用于記錄關(guān)聯(lián)字段。而ID單體化就是從這個角度出發(fā)，對組成同一目標物的所有三角網(wǎng)面片的頂點中的關(guān)聯(lián)字段，賦值同一個數(shù)值。當鼠標靠近目標物時，關(guān)聯(lián)字段相同的三角網(wǎng)面片就會全部高亮呈現(xiàn)，從而實現(xiàn)單體化效果。這種單體化方式未改變原有建筑物的組成結(jié)構(gòu)，只是以顯示的形式完成單體化操作，但單體化成果不利于后期的管理查詢等操作。

2.3 切割單體化

切割單體化就是將待單體化的目標物從原有的模型中切割出來，例如可以利用樹木、建筑物、道路等對應(yīng)的矢量面，對實景三維模型直接進行切割，其實質(zhì)是對原有連續(xù)的三角面片進行拆分和重構(gòu)。除了利用已有的矢量面進行切割外，還可以利用模型修飾軟件，在實景三維模型上，通過選擇三角面片的方式選中目標物，然后直接從模型中切割出來。由于組成模型的最小單元是三角面片，因此單體化得到的模型邊緣會存在鋸齒。這種方式得到的單體化模型更加精細，可以很好地實現(xiàn)管理查詢等操作，并且切割簡單，單體化效率高。

2.4 重構(gòu)單體化

重構(gòu)單體化是指對需要單體化的目標地物結(jié)構(gòu)進行重構(gòu)。重構(gòu)單體化的數(shù)據(jù)源有兩種，即實景三維模型和重建的立體像對模型。利用DP-modeler、SVS-modeler等軟件，加載OSGB格式的三維模型，基于模型采集建筑物的主體的底面，通過擠壓、拉伸等操作，得到建筑物的主體結(jié)構(gòu)，再通過復(fù)雜的操作，采集得到建筑物的附屬結(jié)構(gòu)，從而得到重構(gòu)的單體化模型。對于模型拉花變形的，可采用交匯等方式，對拉花區(qū)域的結(jié)構(gòu)進行重建。除了基于實景三維模型進行單體化模型制作外，還可以基于重建的立體像對模型。利用最終的空三加密成果和導(dǎo)出的未畸變影像，恢復(fù)虛擬的立體像對模型，在立體環(huán)境下，對建筑物的結(jié)構(gòu)進行采集，然后基于影像和三角面片頂點之間的對應(yīng)關(guān)系，對單體化得到的白模進行紋理映射，從而得到單體化模型成果。在映射紋理時，每個三角面片會匹配得到多張影像，通過調(diào)整視角等方式，從中挑選映射效果最佳的影像進行紋理映射。對于自動映射的紋理不符合要求的，可以選中紋理面，聯(lián)動Photoshop軟件，利用Photoshop軟件的圖像編輯功能，對紋理進行高質(zhì)量編輯，然后再次映射到單體化模型上。除了這兩種方法外，如果有地籍成果，也可以直接導(dǎo)入地籍成果，然后以導(dǎo)入的地籍圖為建筑物主體的底面，完成建筑物單體化模型制作。這種方式得到的單體化模型質(zhì)量較高，但效率相對較低。

3 實景三維模型修飾

實景三維模型修飾是利用專業(yè)的修模軟件，對模型場景中存在的樹木、路燈等懸浮物進行刪除，對不平整的路面進行壓平，對單體化后的原有模型數(shù)據(jù)進行刪除壓平，對破損的水面進行修補等，其主要的目的是讓實景三維場景整潔美觀，提升審美效果。對于傾斜攝影生產(chǎn)的實景三維模型，除了生產(chǎn)測繪產(chǎn)品之外，還用于給領(lǐng)導(dǎo)展示規(guī)劃效果等，如果不對模型存在的問題進行處理，會影響整個的效果。模型修飾都是通過改變?nèi)敲嫫瑏韺崿F(xiàn)的，由于壓平等操作，會導(dǎo)致三角面片疊加，從而出現(xiàn)閃面問題，在對模型修飾處理后，要對修飾成果全面進行檢查，確保修飾成果符合要求。模型修飾一般采用OBJ和OSGB兩種格式，OSGB格式自帶多層級金字塔結(jié)構(gòu)，在簡單刪除、壓平時可以使用。對于復(fù)雜的模型修飾，必須使用OBJ格式的三維模型進行修飾，然后將OBJ格式轉(zhuǎn)為OSGB格式。

4 案例分析

查看生產(chǎn)的實景三維模型時，發(fā)現(xiàn)模型中的水面存在破損問題。我們利用智覺空間的SVSMeshEditor軟件，刪除了水面的離散三角網(wǎng)；然后，利用周邊的三角網(wǎng)，完成了水面三角網(wǎng)的內(nèi)插和壓平操作。同時，聯(lián)動Photoshop軟件，對水面紋理進行了修飾，最終得到修飾優(yōu)化后的水面。本次水面模型優(yōu)化對比如圖2所示。

利用SVS-modeler軟件，對結(jié)構(gòu)變形的建筑物進行重構(gòu)單體化，得到單體化前后的建筑物對比效果如圖3所示。

利用三維模型發(fā)布展示平臺，將單體化模型和修飾后的場景融合，得到如圖4所示的高質(zhì)量模型成果。

5 結(jié)束語

本文從實景三維模型存在的各種問題入手，對無人機傾斜攝影三維模型制作展開深入研究，對單體化和模型修飾技術(shù)進行介紹，并對實際生產(chǎn)項目中的實景三維模型數(shù)據(jù)成果進行優(yōu)化處理，將單體化模型和修飾后的場景融合，得到了高質(zhì)量的模型成果。本研究可以為實景三維中國建設(shè)、數(shù)字孿生等項目中的單體化模型制作和場景修飾提供參考借鑒。

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【通聯(lián)編輯：梁書】