基于实景三维模型的单体化建模技术浅谈

侯玉敏

（山西省测绘地理信息院第二测绘院，山西 太原 030001）

0.引言

最近几年，无人机技术和倾斜摄影技术取得了快速发展及应用，无人机是一种动力驱动、无人驾驶、可重复使用的飞行器。它具有机动性强、灵活性强、低空飞行快速安全等特点。作为一种新的遥感图像获取方法，它被广泛运用。

无人机倾斜摄影测量技术以范围大、精度高、清晰度高的形式全方面感知不同的复杂场景，由此获得的数据可以快速地生成直观的实景三维模型，能准确地反映地物的方位、外观等信息，为基础测绘、地理国情、专题地图制作等测绘产品提供参照依据，同时有效提升三维模型的生产效率。倾斜摄影技术是一项革命性建模技术，它的出现大大减少了人工成本和建模时间，提高建模的真实感，加速了三维GIS 技术的发展。

关于倾斜摄影，模型单体化技术始终是一个热点问题。无论基于哪一种建模方案，受生成技术的限制，最终生成的是一个地表连续的数字地表模型。而在实际的应用中，不能对某个指定的建筑物进行单独选择和查询，只能跟底图一样进行浏览，无法进一步深入运用，因此就非常有必要对其进行模型单体化，实现单独管理，进行对象的选择及查询，提高数据的价值，使最终的模型既“好看”，又“实用”。

1.倾斜摄影三维建模关键技术

伴随着“数字城市”建设的快速推进，作为地理信息框架的基础数据，城市三维模型越来越受到广泛重视。传统的三维建模方法虽然在模型精细度上能够得到很好控制，但无法满足大范围快速构建城市三维模型的需求。倾斜摄影测量三维建模，以倾斜式航空摄影为数据源，通过集成倾斜摄影与垂直影像数据到统一的作业系统，构建无死角三维建模环境，形成严格成像关系下真实纹理的三维重建，弥补了数据源的单一视角、遮挡等局限，集成化的建模环境大幅提升作业精度和效能。根据倾斜摄影组合数据源，克服影像在分辨率、摄影角度、影像辐射特性等方面的差异，通过POS辅助、DSM 引导、计算机图形识别等技术综合应用，实现自动化程度较高的高精度三维建模。

2.单体化建模

倾斜摄影三维建模软件DP-Modeler 是一款集精细化单体建模及Mesh 网格模型修饰于一体的新型软件。通过特有的摄影测量算法，支持航测影像、无人机影像、地面影像、车载影像、激光点云等多数据源集成，实现空地一体化作业模式，有效提高了三维建模的精度及质量。通过软件可以直接对照原始影像勾勒建筑物轮廓线，交互式建模，突破传统立体像对作业方法，无需佩戴立体眼镜，自动检索多角度影像，具有在任意表面的精细操作，达到测图级精度成果，测图与建模同步完成，二、三维矢量完全对应便于后期分析应用。基于严格多视成像模型，基于拍摄角度、遮挡、投影面积等因素，优选算法对几何模型进行自动纹理映射，并一步完成修补、融合处理。

自动化生成的模型受生成技术的限制，最终生成的是一个地表连续的数字地表模型，无法单独选择和管理不同的对象，单体化则可以实现这一功能，它可以使我们想要单独管理及查看的对象呈现出来。基于DP-Modeler 软件对三维模型进行单体化建模后，通过对模型踏平、删除等操作，使单体化模型与原有实景三维场景更好地融为一体，进而形成可单体化管理的高精度场景。具体的单体化操作流程（如图1 所示）：

图1 基于实景三维模型的单体化建模技术流程图

2.1 单体化建模及纹理修饰

倾斜摄影的实景模型单体化主要包括矢量切割单体化、矢量叠加单体化和模型重建单体化3 种方式。这次我们主要研究的是单体化的重建，它是以连续倾斜摄影测量数据为基础数据源，通过在原有实景三维模型的基础上对模型进行重建，从而实现不同对象的模型单体化。对某个建筑物进行单体化时我们应选择多边形绘制工具，在顶视图视角下对影像提取建筑顶部轮廓线（如图2 所示）。根据倾斜影像判断建筑物高度，设定基准面，将平面模型通过挤出操作，转化成立体模型。通过挤出柱体将其挤出到指定高度，再用 內偏移及外扩、切割等操作来创建建筑物立体面以及房屋附属结构，例如屋檐、女儿墙、单元楼门洞等（如图3 所示）：

图2 建筑物顶部轮廓线

图3 建筑物立体面

对建好的单体化模型进行一键贴图，利用倾斜影像可以采集到建筑物不同层面的纹理特征，可以从相机影像中自动采集模型图，然后可以通过一键完成来进行单体化模型的贴图，效果（如图4 所示）。对于个别不合适的面可以通过选择最佳影像进行手动贴图，以达到三维模型所需要的最佳效果（如图5 所示）。自动映射与手动贴图所得到模型贴图，不免有些瑕疵，我们可以通过调用PhotoShop 进行纹理修改，修改后保存的贴图可以在DP-modeler 下直接进行替换，无需查找贴图。

图4 建筑物自动纹理贴图效果图

图5 建筑物手动纹理贴图效果图

2.2 建筑物轮廓线采集技术标准

2.2.1 轮廓线采集技术要求

建筑物轮廓线采集是后续制作建筑物三维模型的基础，采集轮廓线时按如下规则进行矢量采集。

对于平顶建筑物，沿建筑物边沿采集；对于人字形房顶，按两次采集，先采集建筑物的边缘线，使其直角化，再采集建筑物顶部屋脊线，将其拉升至实际高度，构出斜面；对于复杂结构，需要先后采集同一高度闭合的外轮廓线、各屋脊线、屋顶凸出结构的轮廓线，对于圆或是弧，用五、六个点连起来表示。具体采集规则（如图 6 所示）：

图6 不同形状建筑物轮廓线采集方案图

2.2.2 数据采集指标

（1）郊区：房上房，高＞2.5 米，面积＞5 平方米；基本房，高＞2.5 米，面积＞5 平方米。城区：房上房，高＞2.5 米，面积＞2 平方米；基本房，高＞2.5 米，面积＞2平方米。

（2）在保持原有房屋外观的情况下，高度差小于0.5 米的以及水平方向拐折小于0.5 米的房子视情况可以适当综合。

（3）房上房必须抬到基本房上，该接边的房子必须接边，两者之间不能出现空隙。

（4）房屋构造线必须均匀有序，不能杂乱无章。

（5）高档住宅，沿街道两边的商场，企事业单位，机关学校医院等建筑，凡女儿墙高度大于0.5 米且宽度大于0.5 米的要单独表现；高档住宅，沿街道两边的商场，企事业单位，机关学校医院以及工矿等建筑，凡女儿墙高度大于1.5 米（除广告牌）女儿墙需要单独表现,女儿墙表现时都需要以房上房的形式表现。

2.2.3 各等级模型采集要求

（1）政府建筑、商业建筑、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、装饰墙等结构大于0.8 米以上需按照实际的尺寸、形状采集，细节可以使用贴图表现。

（4）突出门厅、进出口大门需要采集。

（5）建筑顶部结构需要按照实际情况采集，不能出现比例、结构形状与实际不符的情况。

（6）建筑的女儿墙需要按照实际高度、宽度采集，居民自建房屋除外。

（7）沿街建筑如有面积较小，面数较多的情况，如百叶窗、栏杆等，可做成块状，直接贴影像。

（8）建筑重要面的装饰柱（墙线）凹凸在1 米以上需要采集。

（9）房屋墩、柱：直径大于 1 米，且高度大于1.5 米需要采集。

（10）围墙需要采集。

（11）屋顶装饰物：投影面大于4 平方米，或者最长的一边大于2 米的几何造型必须采集。

2.3 三维建模技术标准

2.3.1 城市三维几何模型

（1）建筑直角化。勾勒建筑轮廓线时要在垂直影像（顶视图）上操作，描绘时尽可能地避免取消直角约束，保证建筑的边角为直角。

（2）建筑咬合问题。模型不得有漏缝、共面、废点等现象。建筑各结构需保证咬合，避免出现大的穿插、与主体分离的现象。

（3）建筑比例问题。建筑各结构的比例要与实际相符。

（4）模型同一空间位置上的点要对齐并且焊接（不要存在2 个和多个点的问题存在）。

（5）模型重面。应遵守不同细节层次模型面数生产要求，看不到的面或多余面应删除，交叉面的情况下沿街模型穿插大于1 米需要删除，非沿街模型不需处理。模型应避免出现重面，否则后期平台里会出现黑面闪烁的现象。同一法线方向的两个面之间避免共面闪烁。

（6）不同层次的几何模型在数据量上应至少有一个数量级的差别。

（7）统一参照。所有模型应在统一的参照系下，模型的坐标位置和高程数据应准确。模型数据应统一以“米”为计量单位。模型自身轴心点统一为独立object中心。

2.3.2 城市三维模型纹理

（1）贴图UV 编辑。由于模型建模时的直角化操作，或程序自动选片的出入，导致模型面与贴图结合不准确，需人工编辑UV 或PS 贴图，调整至合理状态。

（2）重复纹理使用。弧形结构由于贴图时比较繁琐，可以采用手工编辑UV 与影像中的弧形匹配，匹配完成后在MAX 立面视图中渲染出图，在此基础上处理拼接问题。在保证与周围墙面贴图融合的前提下，允许使用重复纹理。

（3）光影统一。建筑的光影必须保持方向统一，避免出现光影错乱的现象。

（4）应与几何模型细节层次相匹配。

（5）贴图纹理统一以*.jpg 格式存储。

（6）贴图纹理使用原始尺寸。

（7）有效模型面必须赋予贴图。

（8）对错误及漏建的结构贴图时需要根据影像改正模型。

（9）贴图不可出现拉伸、扭曲、变形的现象。

（10）贴图时对过曝、过黑的贴图需进行影像亮度及色差调整。

（11）建筑楼层要对齐，避免出现接缝没对齐、楼层错层的现象。

2.4 三维模型与纹理命名规则

（1）命名应合理、简明。

（2）名称使用字母、数字和下划线表示。

（3）不区分大小写字母，统一使用小写字母表示。

（4）所有模型名称及纹理命名必须唯一。

（5）命名规则应具有可扩充性。

（6）所有模型名称及纹理名称应考虑数据集成通用性命名。

3.结束语

无人机技术和倾斜摄影技术已成为快速制作实景三维模型及获取三维地理信息数据的重要手段，可以真实有效获取地表特征和地面人工建筑。但是，在实景三维模型的应用过程中发现，其存在“可远观不可近看，可浏览不可查询”的问题，这些问题直接制约着倾斜实景三维模型广泛应用，本文详细介绍了以DP-Modeler 为单体化平台对建筑物进行单体化建模的作业流程及几何模型制作和模型纹理贴图的技术标准。此作业流程已取得了较好的适用性，可为其他项目做可行性参考。