城市级实景三维建模方法比较分析*

赵杏英 ，王金锋

（1．中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 311122；2．浙江省工程数字化技术研究中心，浙江 杭州311122；3.浙江华东工程数字技术有限公司，浙江 杭州 311122）

实景三维建模依托倾斜摄影测量数据成果，结合摄影测量学、计算机图形学算法，通过自动化处理手段，可获得实景全要素、可量测的三维模型。现阶段，城市级实景三维建模生产主要包括基于倾斜摄影测量技术的实景三维建模（简称倾斜三维建模）和基于激光雷达（LiDAR）与倾斜摄影测量技术的实景三维建模（简称LiDAR倾斜三维建模）两种。

倾斜三维建模具有全自动生产、模型精度高、贴图纹理色彩符合实际等特点。LiDAR倾斜三维建模可结合两种技术手段各有优势，改善建模效果、提高建模精度，解决了人工建模方式真实度和精度差的问题。

1 建模原理

倾斜三维建模采用匹配三维建模技术，即从大重叠度的倾斜影像立体像对中，利用同名点匹配方式，通过数学运算生成三维点云，在此基础上快速构建三维模型，如图1所示。

LiDAR倾斜三维建模，将获取到符合要求的倾斜影像和区域点云成果，通过自动化或半自动化手段对两种数据进行解算合成处理，快速生成三维模型，如图2所示。

图2 LiDAR 倾斜三维建模示意图

2 生产流程

（1）倾斜三维建模，其主要生产流程如下：获取多视角倾斜影像；密集点云提取，基于多视影像构建金字塔、进行密集匹配，提取密集点云；Mesh模型构建，基于点云构建Mesh模型几何结构，包括构建不规则三角网、三角网的优化与光滑；纹理映射，即建立三角网与纹理的相互关系，完成实景模型的自动创建与纹理自动关联；模型生产，按照成果格式要求输出模型成果。

图1 匹配三维建模示意图

（2）LiDAR倾斜三维建模，其主要生产流程如下：利用机载LiDAR和倾斜摄影分别获取LiDAR点云和倾斜影像；对获取的点云进行分类；将分类后的地面点云数据生成区域DEM；利用区域DEM对航摄影像进行正射纠正，拼接生成区域DOM；建筑物建模，将精细分类完成的建筑物点云和纠正拼接生成的DOM导入建模软件中，作为建模参考依据，然后编辑建筑物模型轮廓，得到三维白模；纹理贴图，使用配准的倾斜影像进行纹理贴图处理，最终生成整个城市的建筑物模型。

3 关键指标分析

3.1 自动化程度

倾斜三维建模，在密集点云提取、Mesh模型构建、纹理映射、模型生产等过程中可以实现软件全自动化生产，自动化程度高。倾斜三维建模软件市场化程度较高，国外的有Bentley公司的ContextCapture（原法国Acute 3D公司的Smart 3D Capture）、AgiSoft公司的Photo-Scan、Pix 4D公司的Pix 4D mapper、Astrium公司的Street Factory、Skyline公司的PhotoMesh，国内的有珠科创新的Altizure。以成熟度最高的Context Capture为例，单机可实现8000～10000张照片自动化处理和建模，若采用集群化处理方式，还可以大幅度提高其数据生产效率。

LiDAR倾斜三维建模，在点云分类、DEM生产、DOM生产、纹理贴图等阶段基本可以实现软件的自动化生产，在建筑物建模上采用的核心建模算法不同，其自动化程度有一定差距。武汉华正的真实三维影像技术快速构建系统（3D Real World）能将倾斜影像与同区域激光点云两种数据进行高度自动化的解算合成处理，快速生成实景三维模型。但该产品不对外销售，核心算法并未公开，商业化程度低。除此之外，市场上主流的建筑物建模基本采用半自动的建模方式，即基于立体像对采集地物几何轮廓，配合建立的模型库，利用匹配拟合技术实现建筑物建模，典型的有德国Virtual City System的Building Reconstruction，瑞典海克斯康的Hex Map Real City。

3.2 可视化效果

倾斜三维建模是对地理空间的全要素表达，故模型真实、可靠。但由于该方法是基于摄影测量的原理，对于弱纹理地物、微小地物、近地面地物等建模上存在着天然的弊端，因此会造成弱纹理地物建模空洞、局部建筑结构缺失、纹理映射错误、纹理严重扭曲等问题，一定程度影响了实景三维模型的整体效果。

LiDAR倾斜三维建模可以充分发挥两种技术手段的优势，尤其是在建筑物建模上，能解决建筑物结构缺失，纹理映射等问题，改善建模效果，提高建模精度。但由于该方法侧重于对地形、建筑物的表达，对于植被、景观等地物要素的表达上相对不足。目前有两种模式：一种是采用3dmax模型批量布置的方式进行表达，另一种是直接采用DEM、DOM建立的三维场景来进行表达，这两种方式在真实性、逼真效果上都不如倾斜三维建模。

3.3 成果精度

倾斜三维建模虽然能够进行严格的空三加密处理，但受到噪声干扰或影像特征点不明显等影响，匹配的结果具有很大的不确定性、随机性，解算得到的三角网不能满足相应比例尺定位精度的要求，基于此类数据进行的三维分析，结果可信度差。若要提高模型的精度，则需要降低飞行高度、提高倾斜影像地面分辨率；若要达到1∶1000的精度要求，则影像分辨率需要控制在3cm左右。虽然不少单位也在尝试1.5cm、2cm甚至更高分辨率的影像，以满足1∶500的精度要求，但此方法会显著增加外业采集和内业建模工作量，因此不适合城市级实景三维建模项目。

LiDAR倾斜三维建模采用高精度的激光点云作为模型TIN网构造的数据源，其处理阶段严格遵循摄影测量工艺，因此，具有非常高的测绘精度和精度可靠性，整体及局部的高程、平面精度均能够达到1∶1000的比例尺精度标准。虽然LiDAR技术完全可以达到1∶500的精度要求，但融合倾斜摄影后，需要降低飞行高度、提高影像分辨率，出于安全性、项目成本因素的综合考虑，现阶段城市级实景三维建模精度一般以1∶1000为主。

3.4 生产成本

LiDAR倾斜三维建模由于同时采用了机载雷达（LiDAR）和倾斜摄影两种技术手段，在硬件上，需要同时投入两套设备，机载激光扫描设备昂贵，动辄需要几百万，因此设备成本较高。对于外业采集，该方法需要执行两次航飞，分别获得点云和倾斜影像，故外业生产周期相对偏长。对于内业生产，虽然倾斜影像少了模型生产环节，但介于目前主流的建筑物建模仍以半自动化建模为主，故整体生产周期相对偏长。总之，LiDAR倾斜三维建模相对于倾斜三维建模的生产成本要高。以1∶1000的精度为例，据市场调研，前者的生产成本大致为2.5万元/km2，后者若采用地面影像分辨率3cm的实景三维模型生产成本大致为2万元/km2。因此，前者更适用于大范围的城市三维模型，一般建议生产任务在100km2以上时投入较为合适。

3.5 数据应用

在数据容量上，虽然LiDAR倾斜三维建模在外业采集阶段需要获取激光点云和倾斜影像两种数据，原始数据量较大，但最终成果中的建筑物需以单体模型表示，其他植被、景观等地物要素需采用3dmax模型加三维地形场景，或直接用三维地形场景来表示。相对于倾斜三维模型，LiDAR倾斜三维建模可显著压缩数据量，一般可降到倾斜三维模型的50%，因此更适合互联网的传输和城市级展示。

在应用领域方面，上述两种方法生产的实景三维模型都可用于面向公众的展示和互联网应用，可满足规划、国土、公安等领域对精度的要求，能进行数据的对象化管理，还能进行结果可靠的三维分析，适合作为基础的城市空间数据。

4 结束语

文章根据建模原理、生产流程和关键指标等，深入探讨当前主流的两种城市级实景三维建模技术，可以看出这两种方式各有优劣，实际应用时需要取长补短、合理选择。虽然基于项目生产周期、生产成本等方面考虑，倾斜三维建模目前仍是城市级实景三维建模的主要手段。但随着自动化建模、贴图处理等自动化算法的不断改进和完善，LiDAR倾斜三维建模凭借其集成多源数据的优势将会在城市级三维建模中越来越发挥出其重要作用。

随着机载雷达、移动激光扫描、无人机、倾斜摄影、空地一体化等技术的发展，为城市级实景三维模型的生产带来了更多机遇和选择，未来的城市级三维模型必定是多源模型融合的成果，可为智慧城市建设提供时效性更强、更真实、更精确、对象化程度更高的时空信息基础设施，从而促进政府机构改革和职能转变，全面提高城市治理水平。