基于模型修飾的城市精細(xì)化三維模型構(gòu)建

摘要：為解決傾斜攝影自動(dòng)生產(chǎn)的城市三維模型中存在的路燈懸浮、宣傳牌破損等問(wèn)題，文章探討了模型修飾技術(shù)在解決上述問(wèn)題、提升模型質(zhì)量方面的應(yīng)用。文章首先介紹了無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)和三維模型制作流程，其次對(duì)目前主流的模型修飾技術(shù)進(jìn)行介紹，然后對(duì)模型常見(jiàn)問(wèn)題進(jìn)行分析，并給出模型修飾措施，最后以某城市實(shí)景三維中國(guó)建設(shè)項(xiàng)目為例，對(duì)模型進(jìn)行修飾，得到了精細(xì)化模型成果。研究結(jié)果表明，模型修飾技術(shù)能夠有效解決城市三維模型中存在的常見(jiàn)問(wèn)題，顯著提升模型的精細(xì)化程度。

關(guān)鍵詞：傾斜攝影；模型修飾；三維建模；精細(xì)化模型；實(shí)景三維中國(guó)

中圖分類(lèi)號(hào)：P231 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2024）27-0083-03

0 引言

實(shí)景三維中國(guó)建設(shè)是國(guó)家測(cè)繪地理信息發(fā)展的重要戰(zhàn)略，旨在構(gòu)建覆蓋全國(guó)、統(tǒng)一規(guī)范、互聯(lián)互通的三維空間信息資源。然而，傳統(tǒng)傾斜攝影技術(shù)在三維模型自動(dòng)生產(chǎn)過(guò)程中，由于航攝影像部分區(qū)域遮擋嚴(yán)重、獲取影像時(shí)車(chē)輛發(fā)生位移、攝影測(cè)量軟件解算精度不高等原因，導(dǎo)致模型存在路燈懸浮、宣傳牌破損、車(chē)輛破損、建筑物結(jié)構(gòu)變形等問(wèn)題，難以滿(mǎn)足實(shí)景三維中國(guó)建設(shè)對(duì)模型精度和質(zhì)量的要求。為了解決自動(dòng)生產(chǎn)的模型成果存在的問(wèn)題，得到質(zhì)量較高的模型成果，很多學(xué)者對(duì)此展開(kāi)了研究。王萍[1]等人探討了基于Smart3D和SVS軟件生產(chǎn)實(shí)景三維模型的流程，在一定程度上提升了模型成果質(zhì)量。董飛飛[2]等人采用多源數(shù)據(jù)融合的方式來(lái)生產(chǎn)高質(zhì)量的實(shí)景三維模型成果。張懂慶[3]等人通過(guò)對(duì)比分析主流建模軟件的優(yōu)缺點(diǎn)，將不同軟件的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合，從而生產(chǎn)精細(xì)化模型。蔡占玲[4]以大同古城模型生成為例，探討了精細(xì)化建模的關(guān)鍵技術(shù)。徐夢(mèng)潔[5]和王小妹[6]等人從單體化技術(shù)入手，探討了單體化技術(shù)在精細(xì)化模型生產(chǎn)中的應(yīng)用，并得出基于單體化技術(shù)可以得到精細(xì)化模型成果。盡管眾多學(xué)者對(duì)精細(xì)化模型制作進(jìn)行了研究，但從效率和操作可行性來(lái)說(shuō)，效率較低，操作難度高。本文旨在探討模型修飾技術(shù)在城市精細(xì)化三維模型構(gòu)建中的應(yīng)用，通過(guò)對(duì)模型進(jìn)行針對(duì)性的修復(fù)和優(yōu)化，提升模型的精度、真實(shí)性和美觀(guān)度，為實(shí)景三維中國(guó)建設(shè)提供高質(zhì)量的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。文章首先介紹了無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)和三維模型制作流程，然后詳細(xì)闡述了模型修飾技術(shù)的原理和方法，并結(jié)合具體案例，分析了模型修飾技術(shù)在解決城市三維模型常見(jiàn)問(wèn)題方面的應(yīng)用效果。本文的研究可以為模型修飾及精細(xì)化模型制作提供參考。

1 無(wú)人機(jī)傾斜攝影

無(wú)人機(jī)傾斜攝影是指在無(wú)人機(jī)上搭載多臺(tái)航攝儀（一般為非量測(cè)數(shù)碼相機(jī)），從空中對(duì)地面進(jìn)行全方位、多角度、高分辨率、高重疊度影像數(shù)據(jù)的采集[7-8]，經(jīng)傾斜攝影軟件處理后，可獲得空三加密成果、三維模型、正射影像、數(shù)字表面模型等多種測(cè)繪產(chǎn)品。傾斜攝影技術(shù)憑借其多角度、高分辨率、高重疊度的優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)在測(cè)繪地理信息領(lǐng)域得到迅速發(fā)展，并廣泛應(yīng)用于城市規(guī)劃、災(zāi)害監(jiān)測(cè)、文物保護(hù)等多個(gè)行業(yè)。

2 模型修飾

模型修飾是指采用紋理修飾或結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)對(duì)模型進(jìn)行處理，得到質(zhì)量更高的模型成果[9-10]。目前模型修飾技術(shù)主要有兩種，分別是紋理修飾和結(jié)構(gòu)優(yōu)化。紋理修飾是指對(duì)映射錯(cuò)誤的紋理進(jìn)行修改。這種方式不改變模型的結(jié)構(gòu)，只對(duì)映射錯(cuò)誤的紋理進(jìn)行優(yōu)化處理，適用于結(jié)構(gòu)完整，紋理映射錯(cuò)誤的模型。結(jié)構(gòu)優(yōu)化是指對(duì)模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改，常見(jiàn)方法有壓平模型、修補(bǔ)空洞、刪除模型、拉伸結(jié)構(gòu)等。這種優(yōu)化方式可以得到結(jié)構(gòu)與實(shí)際地物更相符的模型成果，適用于結(jié)構(gòu)不完整的模型?；谀Ｐ托揎椉夹g(shù)對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化處理，主要的作業(yè)流程如圖1所示。

3 三維模型制作流程

該流程主要包含的內(nèi)容有兩部分，分別為外業(yè)數(shù)據(jù)的采集和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)的解算。外業(yè)數(shù)據(jù)的采集主要包括影像數(shù)據(jù)的采集和像控點(diǎn)數(shù)據(jù)的采集；內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)的解算主要是指對(duì)航攝傾斜影像的解算，并基于空三加密成果完成其他測(cè)繪產(chǎn)品的制作。本文方案的自動(dòng)化構(gòu)建模型流程如圖2所示。

4 模型常見(jiàn)問(wèn)題分析及優(yōu)化措施

4.1 路燈懸浮物問(wèn)題分析及優(yōu)化措施

路燈和樹(shù)木的頂部通常較大，而中間部分則相對(duì)細(xì)小。在基于傾斜影像生產(chǎn)三維模型時(shí)，路燈和樹(shù)木的中間部分常會(huì)出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，形成所謂的“懸浮物”。影像解算的本質(zhì)是對(duì)重疊區(qū)域影像上同一地物進(jìn)行同名點(diǎn)匹配。在進(jìn)行匹配之前，首先會(huì)通過(guò)特征點(diǎn)檢測(cè)和提取算法，從海量影像中提取相同影像上的同名點(diǎn)，然后通過(guò)同名點(diǎn)匹配，糾正影像的空間位置和姿態(tài)?；谄ヅ涞玫降耐c(diǎn)，采用多視影像密集匹配算法，對(duì)影像進(jìn)行解算，從而獲取密集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。由于路燈和樹(shù)木的中間部分較細(xì)小，因此密集匹配得到的點(diǎn)云數(shù)量較少。在基于密集點(diǎn)云構(gòu)建三角網(wǎng)時(shí)，由于點(diǎn)云數(shù)量不足，導(dǎo)致構(gòu)建的三角網(wǎng)出現(xiàn)不連續(xù)性問(wèn)題，形成“懸浮物”。增加點(diǎn)云數(shù)量可以有效解決懸浮物問(wèn)題。增加點(diǎn)云數(shù)量的方法包括采用三維激光掃描技術(shù)，對(duì)路燈和樹(shù)木進(jìn)行掃描，以獲取更密集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)；也可以使用長(zhǎng)焦距相機(jī)或降低飛行高度，以獲取分辨率更高的影像數(shù)據(jù)，從而解算出密度更高的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。樹(shù)木和路燈在實(shí)際應(yīng)用中主要起到美化場(chǎng)景的作用，因此除了上述兩種方法外，還可以采用外部模型植入的方式進(jìn)行處理。具體來(lái)說(shuō)，即刪除原有的路燈和樹(shù)木模型，將外部模型植入到場(chǎng)景中，然后調(diào)整其位置、大小和角度，以獲得更高質(zhì)量的模型成果。

4.2 宣傳牌破損問(wèn)題分析及優(yōu)化措施

宣傳牌一般是立方體結(jié)構(gòu)，具有較長(zhǎng)的長(zhǎng)度、較高的寬度和較薄的厚度，一般為幾毫米到幾厘米不等。組成模型結(jié)構(gòu)的最小單元是三角網(wǎng)，而三角網(wǎng)是基于密集點(diǎn)云構(gòu)建而成的。目前主流的軟件采用的三角網(wǎng)構(gòu)建算法都是不規(guī)則三角網(wǎng)，該算法要求構(gòu)建的三角網(wǎng)三邊之和最小，且構(gòu)建的三角網(wǎng)互不交叉、互不重疊?；谶@一算法，在對(duì)宣傳牌進(jìn)行三角網(wǎng)構(gòu)建時(shí)，由于宣傳牌厚度較薄，因此會(huì)將宣傳牌兩側(cè)的點(diǎn)云構(gòu)建到同一個(gè)三角網(wǎng)中，導(dǎo)致同側(cè)點(diǎn)云無(wú)法構(gòu)建三角網(wǎng)，出現(xiàn)孔洞。對(duì)于這種問(wèn)題的處理，目前主流的技術(shù)有兩種，一種是模型修飾，一種是單體化。模型修飾首先是指利用修模軟件對(duì)孔洞進(jìn)行修補(bǔ)，然后以宣傳牌平面為基準(zhǔn)面，對(duì)高出基準(zhǔn)面的部分進(jìn)行壓平處理，從而得到規(guī)整的宣傳牌，最后對(duì)宣傳牌紋理進(jìn)行映射編輯，得到最終優(yōu)化后的宣傳牌。這種方式得到的精細(xì)化模型是在原模型之中的，與原始模型是一體的，不利于屬性查詢(xún)等操作。單體化是指基于恢復(fù)的虛擬立體像對(duì)，在立體環(huán)境下，采集宣傳牌的結(jié)構(gòu)，然后構(gòu)建新的宣傳牌模型。這種方式得到的模型是獨(dú)立于原有模型的，可以對(duì)其屬性進(jìn)行查詢(xún)等，可操作性強(qiáng)。上述這兩種方案都可以得到精細(xì)化宣傳牌模型，在實(shí)際作業(yè)中，須根據(jù)項(xiàng)目需求自行選擇合適的優(yōu)化措施。

4.3 車(chē)輛破損問(wèn)題分析及優(yōu)化措施

道路上的車(chē)輛通常處于動(dòng)態(tài)狀態(tài)，即在不同影像上，車(chē)輛的位置是不同的。在解算過(guò)程中，由于車(chē)輛位置不同，可能匹配出錯(cuò)誤的同名點(diǎn)。在密集點(diǎn)云解算時(shí)，由于同名點(diǎn)是錯(cuò)誤的，匹配出的密集點(diǎn)云也會(huì)不準(zhǔn)確。在構(gòu)建三角網(wǎng)時(shí)，基于錯(cuò)誤的點(diǎn)云構(gòu)建得到的三角網(wǎng)與實(shí)際情況不符，進(jìn)而導(dǎo)致車(chē)輛出現(xiàn)大幅度的破損。對(duì)于道路上破損的車(chē)輛，最直接的處理方式是進(jìn)行壓平處理。即將車(chē)輛壓平到路面上，然后聯(lián)動(dòng)Photo?shop軟件，對(duì)錯(cuò)誤的紋理進(jìn)行編輯，以獲得與實(shí)際道路相符、干凈、整潔的道路面，從而提升模型成果的質(zhì)量。

4.4 建筑物結(jié)構(gòu)變形

對(duì)于建筑物模型來(lái)說(shuō)，底部通常會(huì)存在一定的變形，其主要原因是建筑物底部屬于航攝盲區(qū)，目前的影像解算算法無(wú)法對(duì)航攝盲區(qū)進(jìn)行高精度同名點(diǎn)的解算，因此也無(wú)法匹配精確的密集點(diǎn)云。在構(gòu)建白模時(shí)，由于缺少必要的頂點(diǎn)和邊界點(diǎn)云數(shù)據(jù)，導(dǎo)致構(gòu)建的三角網(wǎng)與建筑物實(shí)際結(jié)構(gòu)不符，出現(xiàn)建筑物結(jié)構(gòu)變形，紋理拉花。對(duì)于建筑物結(jié)構(gòu)的優(yōu)化處理，目前常用的方法有兩種，即建筑物結(jié)構(gòu)編輯和單體化模型制作。建筑物結(jié)構(gòu)編輯是指在已有模型上，對(duì)建筑物的邊界或頂點(diǎn)進(jìn)行拉伸處理，使建筑物邊界互相垂直，更加筆直。建筑物單體化是指在立體環(huán)境下，采集建筑物的頂點(diǎn)、邊界，通過(guò)拉伸、縮放等方式，從而重新構(gòu)建一個(gè)建筑物體?；诮ㄖ锝Y(jié)構(gòu)編輯和單體化方式，都可以得到高質(zhì)量三維模型成果。

5 案例分析

某城市開(kāi)展實(shí)景三維中國(guó)建設(shè)項(xiàng)目，需要生產(chǎn)實(shí)景三維模型。結(jié)合圖2的作業(yè)流程，選用六旋翼無(wú)人機(jī)搭載5鏡頭相機(jī)進(jìn)行傾斜影像數(shù)據(jù)的采集，共采集傾斜影像數(shù)據(jù)100 500張，POS數(shù)據(jù)20 100個(gè)。使用Context Capture軟件加載影像和POS數(shù)據(jù)，并進(jìn)行空中三角測(cè)量解算和三維模型生產(chǎn)。通過(guò)交互式軟件對(duì)模型成果進(jìn)行查看，發(fā)現(xiàn)模型存在道路兩側(cè)路燈懸浮物、宣傳牌破損、路面車(chē)輛破損、部分建筑物結(jié)構(gòu)變形等問(wèn)題。這些問(wèn)題影響模型整體的質(zhì)量，需要對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化處理。本文在對(duì)模型修飾技術(shù)進(jìn)行深入分析后，采用模型修飾方式來(lái)優(yōu)化本次生產(chǎn)的模型成果。

對(duì)于宣傳牌破損的問(wèn)題，采用結(jié)構(gòu)重構(gòu)技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化處理。首先對(duì)孔洞進(jìn)行修補(bǔ)，確保破損區(qū)域無(wú)孔洞，然后對(duì)宣傳牌兩側(cè)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行壓平處理，確保側(cè)面的三角網(wǎng)頂點(diǎn)都位于同一個(gè)立面上，最后對(duì)模型紋理進(jìn)行編輯修飾，使其紋理與周邊紋理過(guò)渡自然，與實(shí)際現(xiàn)狀相符。如圖3所示，是宣傳牌破損優(yōu)化前后對(duì)比圖。

對(duì)于路面車(chē)輛破損的問(wèn)題，直接采用模型壓平的方式，對(duì)車(chē)輛進(jìn)行壓平處理，然后對(duì)壓平后的紋理進(jìn)行優(yōu)化處理，使其與周邊紋理過(guò)渡自然，符合道路實(shí)際情況。如圖4所示，是路面破損車(chē)輛優(yōu)化前后對(duì)比圖。

對(duì)于建筑物結(jié)構(gòu)變形的問(wèn)題，采用修模軟件中的結(jié)構(gòu)拉伸功能，結(jié)合建筑物實(shí)際的位置和結(jié)構(gòu)，對(duì)變形建筑物的頂點(diǎn)或者邊界線(xiàn)進(jìn)行拉伸，使其與建筑物實(shí)際結(jié)構(gòu)一致，然后編輯紋理，得到與實(shí)際一致的建筑物模型成果。如圖5所示，是建筑物結(jié)構(gòu)變形優(yōu)化前后的對(duì)比圖。

通過(guò)人機(jī)交互的方式查看圖3、圖4和圖5的成果，通過(guò)對(duì)比分析，采用本文的優(yōu)化方案，對(duì)問(wèn)題模型進(jìn)行優(yōu)化，可以得到更精細(xì)的模型。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文研究了模型修飾技術(shù)在城市精細(xì)化三維模型構(gòu)建中的應(yīng)用，通過(guò)對(duì)路燈懸浮、宣傳牌破損、車(chē)輛破損、建筑物結(jié)構(gòu)變形問(wèn)題的分析，提出了多種切實(shí)可行的解決方案，并通過(guò)案例驗(yàn)證了方案的可行性和有效性。本文的研究結(jié)果為城市精細(xì)化三維模型的構(gòu)建提供了新的思路和方法，具有一定的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。未來(lái)可以進(jìn)一步研究如何將模型修飾技術(shù)與人工智能、深度學(xué)習(xí)等技術(shù)相結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)更加自動(dòng)化和智能化的三維模型精細(xì)化處理。

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