基于傾斜攝影的單體化模型制作研究

摘要：實景三維模型是“一張皮”模型，為了便于對實景模型中的建筑物進(jìn)行查詢管理，需要對建筑物進(jìn)行單體化。文章首先對實景三維模型的生產(chǎn)流程進(jìn)行了介紹；其次對目前常見的ID單體化、切割單體化、動態(tài)單體化和模型重構(gòu)單體化進(jìn)行了對比分析；最后采用SVSModeler軟件，對傾斜攝影模型單體化的作業(yè)流程進(jìn)行了探索，得到了建筑物單體化成果。文章的研究可以為傾斜攝影單體化模型的制作提供借鑒。

關(guān)鍵詞：傾斜攝影；實景三維模型；單體化技術(shù)；單體化模型

中圖分類號：P231 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2024）27-0089-03

0 引言

實景三維模型是“一張皮”模型，即表皮模型，組成實景三維模型的最小單元是三角網(wǎng)，無數(shù)個互不交叉重疊的三角網(wǎng)組成了實景三維模型的整個結(jié)構(gòu)框架[1-2]。實景三維模型具有測繪精度高、包含地物信息豐富、分辨率高的特點[3]。近年來，基于傾斜攝影的實景三維模型被廣泛用于實景三維中國建設(shè)，數(shù)字孿生等項目中，在這些項目中，要求能夠選中建筑物，并且通過調(diào)用平臺數(shù)據(jù)，來查詢選中建筑物的相關(guān)屬性，如結(jié)構(gòu)、層數(shù)、該棟樓的住戶數(shù)等[4-5]。然而自動生產(chǎn)的實景三維模型，是無法對其中某一建筑物進(jìn)行單獨選擇，因此需要對模型中的建筑物進(jìn)行單體化[6-7]。本文首先介紹實景三維模型的制作流程，了解模型生產(chǎn)過程中各環(huán)節(jié)得到的成果，其次對目前常見的單體化技術(shù)進(jìn)行概述，并對不同單體化方式進(jìn)行對比分析，最后以SVSModeler 軟件為例，對SVSModeler 軟件在傾斜攝影單體化模型制作中的具體流程進(jìn)行探討。

1 實景三維模型制作流程

基于傾斜攝影技術(shù)制作實景三維模型成果，其主要流程如圖1所示。

從圖1可以看出，在實景三維模型制作中，主要包括外業(yè)航空傾斜攝影和像控點采集，內(nèi)業(yè)包括數(shù)據(jù)預(yù)處理、空中三角測量和實景三維模型生產(chǎn)。在實景三維模型生產(chǎn)過程中，主要包括多視影像密集匹配、高密度點云的生成、不規(guī)則三角網(wǎng)TIN模型的構(gòu)建、三角網(wǎng)的迭代優(yōu)化、白模的生成、多層級金字塔的構(gòu)建（OSGB格式的模型具有多層級金字塔）、傾斜影像的自動映射與優(yōu)化，最后根據(jù)項目需求，完成不同數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換與成果輸出。

2 常見單體化技術(shù)

單體化成果是指管理的目標(biāo)對象是單獨的、可以被選中分離的實體，并且可以對選中的實體進(jìn)行屬性查詢等操作。目前常見的單體化技術(shù)主要有四種，分別是ID單體化、切割單體化、動態(tài)單體化和模型重構(gòu)單體化，每種單體的定義和特點如下。

2.1 ID 單體化

ID單體化是指結(jié)合已有的二維矢量面數(shù)據(jù)，將對應(yīng)的矢量面的ID值作為屬性賦給三角網(wǎng)中的每個頂點，同一地物對應(yīng)的三角網(wǎng)頂點就存儲了同一個ID值，當(dāng)鼠標(biāo)選中某一個三角面片時，根據(jù)這個三角面片頂點的ID值得到其他ID相同的三角面片并高亮顯示，就實現(xiàn)了單獨選中某一地物的效果[8]。這種方式不破壞原有模型結(jié)構(gòu)，需要前期做一定的預(yù)處理工作。

2.2 切割單體化

用建筑物、道路、樹木等對應(yīng)的矢量面，對傾斜攝影模型進(jìn)行切割，也就是把連續(xù)的三角網(wǎng)從物理上分割開，從而實現(xiàn)單體化模型。這種方式破壞了原有的模型結(jié)構(gòu)，得到的模型邊緣類似鋸齒，不齊平。

2.3 動態(tài)單體化

動態(tài)單體化是指將配套的二維矢量面與傾斜攝影模型加載到同一場景中，在渲染模型數(shù)據(jù)時把矢量面貼到傾斜模型對象表面，然后設(shè)置矢量面的顏色和透明度，從而實現(xiàn)可以單獨選中地物的效果。這種方式不需要對模型進(jìn)行預(yù)處理，不破壞原有模型結(jié)構(gòu)。

2.4 模型重構(gòu)單體化

模型重構(gòu)單體化是指利用空三加密后的空三成果，重建立體像對模型，在立體環(huán)境下，采集建筑物的頂點坐標(biāo)和邊界線，并將建筑物的多個部分組合成一體，然后形成一個獨立的實體。這種方式不破壞原有模型成果，并且精度高，采集的建筑物實體結(jié)構(gòu)精細(xì)，不存在建筑物底部變形拉花問題。

通過查詢文獻(xiàn)分析和結(jié)合實際項目，對不同單體化技術(shù)進(jìn)行對比分析，具體內(nèi)容見表1。

目前實景三維中國建設(shè)等項目對模型的精細(xì)度和結(jié)構(gòu)完整性要求較高，對此，本文重點對模型重構(gòu)單體化作業(yè)流程進(jìn)行探討。

3 基于SVSModeler 軟件單體化建模

基于傾斜攝影數(shù)據(jù)，采用SVSModeler軟件對建筑物進(jìn)行單體化，其作業(yè)流程如圖2所示。

3.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

數(shù)據(jù)準(zhǔn)備環(huán)節(jié)包括的數(shù)據(jù)主要有從傾斜建模軟件中導(dǎo)出的未畸變影像數(shù)據(jù)，每張影像對應(yīng)的平差優(yōu)化后的空三加密成果（xml格式）以及相機(jī)參數(shù)，OSGB 格式的實景三維模型成果。

3.2 新建單體化解決方案

在SVSModeler軟件中新建單體化解決方案，并將未畸變影像、外方位元素和OSGB格式的模型導(dǎo)入方案之中，得到可以對道路、建筑等地物進(jìn)行單體化制作的工程。在創(chuàng)建工程的過程中，需要對導(dǎo)入的空三加密成果中的影像路徑重新進(jìn)行映射，并且要創(chuàng)建影像的金字塔，這樣便于后期的作業(yè)，保證操作時調(diào)用影像快速、不卡頓。

3.3 建筑單體化建模

對于建筑單體化模型的制作，其主要包括以下幾個步驟：

1） 建筑輪廓的提取。對于建筑單體化來說，首先要對建筑的主體底面輪廓進(jìn)行提取。輪廓提取常用的幾種方法有：①對于已有的地籍圖，將其格式轉(zhuǎn)為3DMAX軟件可以加載的格式，然后直接引入作為單體化建筑物的底面。②基于重建的立體像對，在立體環(huán)境下采集建筑物的底面輪廓線。③基于高分辨率真正射影像數(shù)據(jù)，直接對需要單體化的建筑進(jìn)行平面矢量化，得到閉合的面作為建筑單體化的底面。這種方式采集的建筑物底面，有些存在陽臺，不是建筑物的主體輪廓，需要后期對輪廓邊界進(jìn)行修改。④實景三維模型是全方位的，在單體化軟件中，可以查看其任何一個角度，因此可以直接在模型上對建筑物的主體輪廓底面進(jìn)行采集，對于模型變形拉花的，這種方式采集的建筑物主體輪廓精度較差，需要借助立體模型完成高精度主體輪廓線的采集。本次在制作建筑單體化模型時，采用恢復(fù)的空三立體模型像對，對需要單體化的建筑物的主體底面進(jìn)行采集。

2） 建筑主體結(jié)構(gòu)的制作。在已有的建筑物輪廓底面上，通過SVSModeler軟件中的柱體擠出、拉伸、放大、縮小等功能，對建筑物的主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行采集。對于部分結(jié)構(gòu)復(fù)雜，SVSModeler軟件無法進(jìn)行單體化的建筑物，采用SVSModeler軟件的3DMAX聯(lián)動模塊，在3dmax軟件中制作復(fù)雜的建筑物單體化模型。

3） 建筑附屬結(jié)構(gòu)的制作。建筑物附屬結(jié)構(gòu)主要包括女兒墻、陽臺、門廊、屋檐、樓梯等，多數(shù)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。在采集完建筑物的主體結(jié)構(gòu)后，利用SVSModeler 軟件的3DMAX聯(lián)動模塊，基于恢復(fù)的空三立體模型像對，對建筑附屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行制作。在制作的過程中，其思路是由簡到難，所有的復(fù)雜結(jié)構(gòu)都是通過簡單的結(jié)構(gòu)組合而成的，因此分別制作單一的簡單結(jié)構(gòu)，然后對制作的單一結(jié)構(gòu)進(jìn)行拼接，然后進(jìn)行縮放、焊接等處理，最后將附屬結(jié)構(gòu)和建筑主體組合在一起，成為一個建筑物實體。

3.4 紋理映射編輯

目前影像紋理的來源主要有傾斜攝影影像、地面補(bǔ)拍影像和正射影像。在紋理映射時，其主要是通過恢復(fù)的立體像對進(jìn)行紋理的準(zhǔn)確匹配，然后人工切換不同視角，選擇最優(yōu)的照片進(jìn)行紋理映射。對于映射效果不好的紋理，可以聯(lián)動Photoshop軟件，對紋理進(jìn)行修改編輯，然后重新映射到單體化模型上。對于建筑物底部遮擋嚴(yán)重區(qū)域，傾斜攝影盲區(qū)部分的紋理貼圖，可以采用地面補(bǔ)拍的影像完成紋理的貼圖。在貼圖的過程中，由于地面補(bǔ)拍的影像沒坐標(biāo)，分辨率也是任意的，因此需要對其進(jìn)行拉伸、縮放、變形等操作，確保紋理貼圖過渡自然，符合實際情況。

3.5 單體化成果檢查

單體化成果檢查主要是對單體化模型的拓?fù)潢P(guān)系、結(jié)構(gòu)完整性、紋理準(zhǔn)確合理性進(jìn)行檢查。拓?fù)潢P(guān)系可以采用軟件進(jìn)行質(zhì)檢，然后通過定位方式快速找到拓?fù)洳徽_的區(qū)域，進(jìn)行拓?fù)鋯栴}的修改。結(jié)構(gòu)完整性和紋理準(zhǔn)確合理性主要采用人機(jī)交互的方式檢查，確保最終單體化模型成果結(jié)構(gòu)完整，紋理過渡自然。

3.6 單體化成果輸出

單體化成果輸出主要是根據(jù)項目需求，導(dǎo)出符合要求的對應(yīng)格式成果，要準(zhǔn)確輸入偏移值，并且按照瓦片命名原則，對單體化模型成果準(zhǔn)確命名，設(shè)置紋理貼圖路徑，導(dǎo)出最終的單體化模型成果。

采用本文單體化作業(yè)方案，對某一區(qū)域建筑物、樹木、路燈、指示牌等地物進(jìn)行單體化，得到的單體化成果如圖3所示。

4 結(jié)束語

本文對傾斜攝影建模流程展開深入研究，并對目前常見的四種單體化技術(shù)進(jìn)行了對比分析，最后以SVSModeler軟件為例，探索了模型重構(gòu)單體化技術(shù)在傾斜攝影單體化模型制作中的流程。本文的研究可以為傾斜攝影單體化模型的制作帶來參考。

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【通聯(lián)編輯：梁書】