城市建筑三维自动分体系统的设计与实现

黄 瑶，张彩霞，杨璐璐，张晨曦*

（1.中科遥感科技集团有限公司，天津300380）

城市建筑三维自动分体系统的设计与实现

黄 瑶1，张彩霞1，杨璐璐1，张晨曦1*

（1.中科遥感科技集团有限公司，天津300380）

传统三维GIS平台多以单体制作、场景集成和发布为主要技术流程，场景更新周期长、投入大；基于倾斜摄影测量原理的Street Factory、Smart3DCapture解决方案便于构建mesh三维模型，较传统三维平台更加精确高效，但因无法直接对单体对象进行编辑导致应用受限。因此，提出了对mesh三维模型自动分体的构想，设计开发了城市建筑三维自动分体系统City Clipper。该系统以A3倾斜摄影测量数据为基础，通过建立高度和光谱规则算法库以区分地物和地类，从背景信息中提取出建筑信息；同时对植被、道路等兴趣地物进行判别，实现城市建筑的三维自动分体功能。

智慧城市；自动分体；mesh三维模型；A3数据

随着我国经济不断发展，城市规模进一步扩大，城市数字化和智慧化建设成为城市发展的新方向。三维建设是城市建设中不可或缺的部分，在城市规划管理[1-3]、环保应用[4]、地质地形勘察[5]、安保措施[6]等多个领域都有着较为广泛的应用。城市三维平台是城市信息化的基础设施之一，由于智慧城市行业应用的深入，相关职能部门越来越迫切地需要更真实、更完整、更高精度的三维空间数据作为智慧城市的空间载体，为智慧城市提供实时、有效的空间信息。

国外主流的城市三维软件产品包括ESRI公司推出的ArcGIS Explorer、EsriCityEngine，Google公司推出的Google Earth，Skyline公司推出的TerraExplorer，科纳斯团队发布的OpenGL等。贺军亮[7]等采用Google SketchUp对实体景观进行三维建模及优化，利用ArcGlobe集成DEM建立虚拟三维场景，通过ArcGIS Server发布和管理地图，提供免费客户端远程访问和应用，实现了基于3DGIS的虚拟场景制作与发布。付从梅[8]通过融合遥感数据与DEM数据建立了人防工程三维模型，对地形模型、矢量数据和三维模型进行了网络发布，利用Skyline三维可视化平台完成了数据的集成与展示，对人防工程三维可视化系统进行了总体设计。谢俊峰[9]等详述了基于OpenGL的三维地图场景制作流程：首先分别对地貌、水系等多要素层建立模型，再通过DTM集成形成一体化的三维数据模型，最后将三维模型显示在三维场景中并发布地图场景。国产城市三维软件也有着良好的发展，武大吉奥的GeoGlobe是面向用户提供标准空间信息服务的框架平台，具有架构完整、部署灵活、功能强大等特点，可通过桌面、Web、移动端对地理信息进行地图浏览、空间分析、数据管理、服务发布，实现不同时相、不同分辨率的异构三维虚拟地球的数据共享集成[10-11]。适普的IMAGIS软件操作简单，DEM建立较为方便，可直接使用数字摄影测量数据，建筑物纹理添加方便[12]。

然而，上述传统三维平台多以单体模型制作—三维场景集成—场景发布为主要工作流程，“三步走”的工作方式导致场景更新周期长、投入大，已越来越难以满足智慧城市时效性、经济性的需求。随着航空倾斜摄影测量技术的发展，街景工厂（Street FactoryTM）、智慧3D（Smart3DCaptureTM）等新型软件支持快速、全自动化处理街道影像，并生成三维城市模型，兼容各种倾斜航摄仪数据、定位姿态数据，可快速处理垂直和倾斜相片的空中三角测量技术问题，实现自动三维建模；但新型软件所建立的城市均为mesh三维模型，无法对建筑单体进行选择编辑、添加属性和空间分析，业务化应用受到极大限制，应用面狭窄。因此，研究城市建筑三维自动分体技术已成为国内外技术产品的发展趋势，研发可单体编辑、数据快速更新、移植性强的应用系统具有良好的市场前景，对三维产业具有重要的推动作用。

1 系统概述

City Clipper城市建筑三维自动分体系统基于倾斜摄影测量原理，研究了城市三维快速建模技术，实现了建筑单体的自动提取，弥补了街景工厂等先进技术仅能实现自动化城市三维建模但无法对单个建筑进行编辑的不足。该技术在城市三维建模应用上实现了重大突破，为国内三维街景导航电子地图的生产与服务、智慧城市建设以及相关领域应用提供了更加优化的技术支持，极大地提高了国内遥感与地理信息资源利用率，推动了行业整体发展，在满足相关应用需求的同时产生了巨大的社会与经济效益。

City Clipper系统主要以以色列VisionMap公司引进的新一代数据航空摄影系统A3采集的高精度航空倾斜影像为数据支撑。A3系统获取10～25 cm分辨率影像的效率是同类数码航空摄影系统的2～4倍，并可自动完成空中三角测量，生成DSM、DOM等产品[13]。City Clipper系统在A3自动数据处理系统的基础上，研发了城市建筑mesh三维模型自动分体技术。系统的主要研究内容包括：①对osgb三维数据进行解析，获得TIN、点云数据以及几何信息与纹理信息的对应关系；②研发智能分体技术，建立智能过滤规则算法库，对建筑、植被等物体进行分类提取，获得建筑、植被等单体的位置信息和分类信息；③以建筑或树木等单个模型为单元对TIN中每个不规则三角形进行分类，完成模型三角网分体；④对TIN进行优化，使模型形状更加逼真，提升展示效果；⑤对优化后的建筑单体重新截取倾斜摄影数据进行贴图；⑥支持模型单体属性构建，可针对不同行业的业务应用，为地物添加属性信息。

2 系统设计

系统结构分为数据层、技术支撑层和展示应用层。系统以A3数据为支撑，为三维模型构建和提取提供了数据层面的支持。技术支撑层是系统核心和难点所在，旨在为系统的展示应用做好技术准备；主要负责对数据的智能分体任务，即在三维数据的基础上进一步提取建筑、地面、树木、道路等单体信息，通过智能分体技术处理后的数据经数据解析、高度提取、光谱提取、二值化处理后最终流向应用层。应用层可依据用户需求灵活搭建，可实现三维情景展示、漫游、分类控制、属性关联、三维分析等功能。在此基础上叠加规划、地籍、安防等具体需求，可开发具体的业务系统。City Clipper系统总体设计如图1所示。

图1 City Clipper系统总体设计图

系统采用的技术体系为：语言/开发框架：C++；核心底层库：OSG、GDAL/OGR、OpenGL；核心插件/扩展：OSGEarth、VPB、LibCurl；数据存储：PostgreSQL+PostGIS。

3 系统功能实现

3.1 数据解析模块

将现有基于倾斜摄影测量的自动三维建模成果，包括osg、osgx、osgt、live、obj等三维数据统一为osgb格式；再将转换后的osgb数据解析为几何信息与纹理信息，如TIN、点云等，同时解析出几何信息与纹理信息的对应关系，为单体分类作准备。

3.2 智能分体模块

该模块主要通过建立高度和光谱规则算法库来区分地物和地类，从背景信息中提取建筑信息，同时对植被、道路等兴趣地物进行判别。

3.2.1 高度判别

利用高度区分整个城区模型中的建筑与非建筑区域，并自动对建筑区域进行单体分离，实现对建筑单体模型的自动提取。将初步解析的数据结合中心城区建筑高度控制导则进行深度解析，自动确定模型数据的建筑高度分界点；再利用建筑高度分界点对模型数据中的几何数据进行分类，若几何数据高于建筑高度分界点，则将该点视为建筑点，并保存该几何数据。建筑模型的建立是基于同一时相航飞测量结果的，避免了人工建模时精度参差不齐的缺点。将经过判断的几何数据进行二值化处理，具体过程为：首先将TIN中三角形投影成二维平面，取3个坐标点的平均高程值Z作为判别标准，当平均高程值大于等于几何数据高程值时（Z≥N），则将三角形内栅格像元值均赋为1，而Z＜N时将像元值赋为0，由此可得到二维的二值栅格图像；再将二值栅格图像矢量化，根据矢量数据中多边形或图斑面积的大小去除噪点。利用二值化后的几何数据对初步解析后的模型数据进行再判读，若点坐标为建筑数据，则保存该坐标点及其纹理数据，否则将其删除。

3.2.2 光谱判别

根据光谱特征，对影像数据进行地物判别，可迅速识别影像中的绿树，并生成属性值为0和1的二值栅格图像。对上述二值栅格图像进行矢量转换，将其转为矢量数据，并根据面积大小进行去噪。

3.2.3 模型分类

将高度判别方法和光谱判别方法提取的地物范围矢量数据进行属性合并，生成的图斑属性为11、10、01、00。高度判别结果和光谱判别结果同为1表示像元为高树；二者同为0表示为道路或平地；高度判别结果为1，光谱判别结果为0表示建筑；高度判别结果为0，光谱判别结果为1表示地表绿地；即属性11表示树、00表示平地或路、10表示建筑、01表示地表植被。

将纹理数据所包含的光谱信息与植被在纹理数据的光谱分布相结合，对纹理数据中的植被信息进行提取。将纹理数据中提取出的植被信息与非植被信息进行二值化处理，对非植被的纹理数据进行删除，对包含植被信息的纹理数据进行保存。依据初步解析中几何数据与纹理数据的对应关系，将纹理数据映射到几何数据，再根据保存的植被纹理数据提取几何数据中的植被信息。将提取植被后的几何数据进行二值化处理，判断几何数据是否为植被，若几何数据为植被，则存储几何数据；若为非植被，则删除几何数据。模型分类过程如图2所示。

图2 模型分类过程

3.2.4 单体自动编号

按照顺序对经过模型分类的矢量数据的每个图斑进行ID自动编码，如图3所示。由此，每个图斑包含两个必要信息：ID和分类属性。

3.2.5 三角形分体及TIN优化

判断三角形3个顶点是否落在某个多边形内，将多边形ID和分类信息赋予所有在此多边形内的三角形，见图4。由此，每个TIN中三角形得到两个属性信息：①每个三角形属于道路、建筑、树木、平地的分类信息；②每个三角形属于哪个多边形的唯一标识ID。对同一个建筑（具有相同ID）的TIN按照一定条件进行合并，如对具有相邻公共边且方向角差异小于某阈值（170～190°）的三角形进行合并优化，重新构建TIN。

图3 单体自动编号

图 4 三角形分体

4 结 语

City Clipper系统以A3倾斜摄影测量数据为基础，通过建立高度和光谱规则算法库以区分地物和地类，从背景信息中提取建筑信息，同时对植被、道路等兴趣地物进行判别，实现了对城市建筑的三维自动分体，弥补了mesh三维模型应用无法对单个建筑进行编辑的弊端。系统具有以下特点：①生产效率高。系统打破了传统三维场景“三步走”的复杂制作流程，直接由mesh三维模型分离出建筑单体模型，自动化程度高，缩短了三维场景的更新周期，提高了三维数据的生产效率。②产品精度高。城市mesh三维模型建立基于同一时相的航飞测量结果，建筑单体提取方式基于同种算法规则，整个作业流程几乎无需人工干预，避免了人工建立建筑单体模型过于虚假的问题和人为主观因素造成的模型精度参差不齐。③应用范围广泛。City Clipper系统能为智慧城市的建设提供有力的数据保障，可以应用在城市规划、土管、安防等多个领域，具有重大的社会价值。④经济效益可观。系统作为智慧城市三维建模的关键技术，可为目前市场上众多的mesh模型单体化提取提供服务，承接相关项目，创造可观的经济效益。

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P208

B

1672-4623（2017）07-0031-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2017.07.009

黄瑶，硕士研究生，工程师，主要研究方向为摄影测量与遥感。

2016-04-08。

项目来源：天津科技计划资助项目（14ZCZDGX00024、14ZCDZGX00830）。（*为通讯作者）