侯玉敏

（山西省測(cè)繪地理信息院第二測(cè)繪院，山西 太原 030001）

0.引言

最近幾年，無(wú)人機(jī)技術(shù)和傾斜攝影技術(shù)取得了快速發(fā)展及應(yīng)用，無(wú)人機(jī)是一種動(dòng)力驅(qū)動(dòng)、無(wú)人駕駛、可重復(fù)使用的飛行器。它具有機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、靈活性強(qiáng)、低空飛行快速安全等特點(diǎn)。作為一種新的遙感圖像獲取方法，它被廣泛運(yùn)用。

無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)以范圍大、精度高、清晰度高的形式全方面感知不同的復(fù)雜場(chǎng)景，由此獲得的數(shù)據(jù)可以快速地生成直觀的實(shí)景三維模型，能準(zhǔn)確地反映地物的方位、外觀等信息，為基礎(chǔ)測(cè)繪、地理國(guó)情、專題地圖制作等測(cè)繪產(chǎn)品提供參照依據(jù)，同時(shí)有效提升三維模型的生產(chǎn)效率。傾斜攝影技術(shù)是一項(xiàng)革命性建模技術(shù)，它的出現(xiàn)大大減少了人工成本和建模時(shí)間，提高建模的真實(shí)感，加速了三維GIS 技術(shù)的發(fā)展。

關(guān)于傾斜攝影，模型單體化技術(shù)始終是一個(gè)熱點(diǎn)問題。無(wú)論基于哪一種建模方案，受生成技術(shù)的限制，最終生成的是一個(gè)地表連續(xù)的數(shù)字地表模型。而在實(shí)際的應(yīng)用中，不能對(duì)某個(gè)指定的建筑物進(jìn)行單獨(dú)選擇和查詢，只能跟底圖一樣進(jìn)行瀏覽，無(wú)法進(jìn)一步深入運(yùn)用，因此就非常有必要對(duì)其進(jìn)行模型單體化，實(shí)現(xiàn)單獨(dú)管理，進(jìn)行對(duì)象的選擇及查詢，提高數(shù)據(jù)的價(jià)值，使最終的模型既“好看”，又“實(shí)用”。

1.傾斜攝影三維建模關(guān)鍵技術(shù)

伴隨著“數(shù)字城市”建設(shè)的快速推進(jìn)，作為地理信息框架的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，城市三維模型越來(lái)越受到廣泛重視。傳統(tǒng)的三維建模方法雖然在模型精細(xì)度上能夠得到很好控制，但無(wú)法滿足大范圍快速構(gòu)建城市三維模型的需求。傾斜攝影測(cè)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(gòu)建無(wú)死角三維建模環(huán)境，形成嚴(yán)格成像關(guān)系下真實(shí)紋理的三維重建，彌補(bǔ)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(dǎo)、計(jì)算機(jī)圖形識(shí)別等技術(shù)綜合應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(xì)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(cè)量算法，支持航測(cè)影像、無(wú)人機(jī)影像、地面影像、車載影像、激光點(diǎn)云等多數(shù)據(jù)源集成，實(shí)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(zhì)量。通過軟件可以直接對(duì)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(duì)作業(yè)方法，無(wú)需佩戴立體眼鏡，自動(dòng)檢索多角度影像，具有在任意表面的精細(xì)操作，達(dá)到測(cè)圖級(jí)精度成果，測(cè)圖與建模同步完成，二、三維矢量完全對(duì)應(yīng)便于后期分析應(yīng)用?；趪?yán)格多視成像模型，基于拍攝角度、遮擋、投影面積等因素，優(yōu)選算法對(duì)幾何模型進(jìn)行自動(dòng)紋理映射，并一步完成修補(bǔ)、融合處理。

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

圖1 基于實(shí)景三維模型的單體化建模技術(shù)流程圖

2.1 單體化建模及紋理修飾

傾斜攝影的實(shí)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(cè)量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源，通過在原有實(shí)景三維模型的基礎(chǔ)上對(duì)模型進(jìn)行重建，從而實(shí)現(xiàn)不同對(duì)象的模型單體化。對(duì)某個(gè)建筑物進(jìn)行單體化時(shí)我們應(yīng)選擇多邊形繪制工具，在頂視圖視角下對(duì)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(shè)定基準(zhǔn)面，將平面模型通過擠出操作，轉(zhuǎn)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(kuò)、切割等操作來(lái)創(chuàng)建建筑物立體面以及房屋附屬結(jié)構(gòu)，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(duì)建好的單體化模型進(jìn)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(jī)影像中自動(dòng)采集模型圖，然后可以通過一鍵完成來(lái)進(jìn)行單體化模型的貼圖，效果（如圖4 所示）。對(duì)于個(gè)別不合適的面可以通過選擇最佳影像進(jìn)行手動(dòng)貼圖，以達(dá)到三維模型所需要的最佳效果（如圖5 所示）。自動(dòng)映射與手動(dòng)貼圖所得到模型貼圖，不免有些瑕疵，我們可以通過調(diào)用PhotoShop 進(jìn)行紋理修改，修改后保存的貼圖可以在DP-modeler 下直接進(jìn)行替換，無(wú)需查找貼圖。

圖4 建筑物自動(dòng)紋理貼圖效果圖

圖5 建筑物手動(dòng)紋理貼圖效果圖

2.2 建筑物輪廓線采集技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

2.2.1 輪廓線采集技術(shù)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(chǔ)，采集輪廓線時(shí)按如下規(guī)則進(jìn)行矢量采集。

對(duì)于平頂建筑物，沿建筑物邊沿采集；對(duì)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(shí)際高度，構(gòu)出斜面；對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)的輪廓線，對(duì)于圓或是弧，用五、六個(gè)點(diǎn)連起來(lái)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(biāo)

（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(dāng)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(gòu)造線必須均勻有序，不能雜亂無(wú)章。

（5）高檔住宅，沿街道兩邊的商場(chǎng)，企事業(yè)單位，機(jī)關(guān)學(xué)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(dú)表現(xiàn)；高檔住宅，沿街道兩邊的商場(chǎng)，企事業(yè)單位，機(jī)關(guān)學(xué)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(dú)表現(xiàn),女兒墻表現(xiàn)時(shí)都需要以房上房的形式表現(xiàn)。

2.2.3 各等級(jí)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(jié)構(gòu)大于0.8 米以上需按照實(shí)際的尺寸、形狀采集，細(xì)節(jié)可以使用貼圖表現(xiàn)。

（4）突出門廳、進(jìn)出口大門需要采集。

（5）建筑頂部結(jié)構(gòu)需要按照實(shí)際情況采集，不能出現(xiàn)比例、結(jié)構(gòu)形狀與實(shí)際不符的情況。

（6）建筑的女兒墻需要按照實(shí)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(zhǎng)的一邊大于2 米的幾何造型必須采集。

2.3 三維建模技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

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(shí)要在垂直影像（頂視圖）上操作，描繪時(shí)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(diǎn)等現(xiàn)象。建筑各結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的比例要與實(shí)際相符。

（4）模型同一空間位置上的點(diǎn)要對(duì)齊并且焊接（不要存在2 個(gè)和多個(gè)點(diǎn)的問題存在）。

（5）模型重面。應(yīng)遵守不同細(xì)節(jié)層次模型面數(shù)生產(chǎn)要求，看不到的面或多余面應(yīng)刪除，交叉面的情況下沿街模型穿插大于1 米需要?jiǎng)h除，非沿街模型不需處理。模型應(yīng)避免出現(xiàn)重面，否則后期平臺(tái)里會(huì)出現(xiàn)黑面閃爍的現(xiàn)象。同一法線方向的兩個(gè)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(yīng)至少有一個(gè)數(shù)量級(jí)的差別。

（7）統(tǒng)一參照。所有模型應(yīng)在統(tǒng)一的參照系下，模型的坐標(biāo)位置和高程數(shù)據(jù)應(yīng)準(zhǔn)確。模型數(shù)據(jù)應(yīng)統(tǒng)一以“米”為計(jì)量單位。模型自身軸心點(diǎn)統(tǒng)一為獨(dú)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(shí)的直角化操作，或程序自動(dòng)選片的出入，導(dǎo)致模型面與貼圖結(jié)合不準(zhǔn)確，需人工編輯UV 或PS 貼圖，調(diào)整至合理狀態(tài)。

（2）重復(fù)紋理使用。弧形結(jié)構(gòu)由于貼圖時(shí)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(chǔ)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(fù)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(cuò)亂的現(xiàn)象。

（4）應(yīng)與幾何模型細(xì)節(jié)層次相匹配。

（5）貼圖紋理統(tǒng)一以*.jpg 格式存儲(chǔ)。

（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(duì)錯(cuò)誤及漏建的結(jié)構(gòu)貼圖時(shí)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(shí)對(duì)過曝、過黑的貼圖需進(jìn)行影像亮度及色差調(diào)整。

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

2.4 三維模型與紋理命名規(guī)則

（1）命名應(yīng)合理、簡(jiǎn)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(yīng)具有可擴(kuò)充性。

（6）所有模型名稱及紋理名稱應(yīng)考慮數(shù)據(jù)集成通用性命名。

3.結(jié)束語(yǔ)

無(wú)人機(jī)技術(shù)和傾斜攝影技術(shù)已成為快速制作實(shí)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(shí)有效獲取地表特征和地面人工建筑。但是，在實(shí)景三維模型的應(yīng)用過程中發(fā)現(xiàn)，其存在“可遠(yuǎn)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(shí)景三維模型廣泛應(yīng)用，本文詳細(xì)介紹了以DP-Modeler 為單體化平臺(tái)對(duì)建筑物進(jìn)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(shù)標(biāo)準(zhǔn)。此作業(yè)流程已取得了較好的適用性，可為其他項(xiàng)目做可行性參考。