面状要素与三维实景模型的无缝融合技术

赵昕 王春 李敏 李彦恒 王浩翔 许劲峰 满剑奇

摘 要：随着无人机倾斜摄影测量的发展，二三维一体化由于其独特优势被广泛应用于各个行业，二维矢量与三维实景模型的融合成为人们关注的重点。二维矢量叠加到三维实景模型实现了模型单体化效果，不仅挂接了属性，还增强了三维可视化效果。本文对传统面状要素融合到三维实景模型的方法进行分析并提出了改进，为面状要素到三维实景模型的融合拓宽了新的思路。

关键词：三维实景;面状要素;数据融合;篱笆墙法;高程值法

中图分类号：P23      文献标志码：A     文章编号：1003-5168（2022）11-0101-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.11.023

Seamless Fusion Technology of Area Features and 3D Real Scene Mode

ZHAO Xin1    WANG Chun1，2    LI Min1    LI Yanheng1    WANG Haoxiang1

XU Jinfeng1    MAN Jianqi 1

（1.School of Earth Science and Engineering， Hebei University of Engineering， Handan 056038， China;

2. College of Geographic Information and Tourism， Chuzhou University， Chuzhou 239000， China）

Abstract：With the development of UAV tilt photogrammetry， two-dimensional and three-dimensional integration is widely used in various industries because of its unique advantages. The integration of two-dimensional vector and three-dimensional real scene model has become the focus of attention. The superposition of two-dimensional vectors to the three-dimensional real scene model realizes the monomer effect of the model， which not only connects the attributes， but also enhances the three-dimensional visualization effect. This paper analyzes and improves the traditional method of integrating area elements into three-dimensional real scene model， which widens a new idea for the integration of area elements into three-dimensional real scene model.

Keyword：Three dimensional real scene; Planar elements; Data fusion; Fence method; Elevation value method

0 引言

随着无人机摄影测量的发展，三维GIS技术越来越成熟，且被广泛应用于各个领域[1]。在城市规划、灾害评估、三维社区、智慧交通、地下管网、环境监测与评估等方面，三維GIS在可视化和展现力方面的优势越来越明显[2-3]。然而三维GIS发展时间较短，其空间分析能力与二维GIS相比较差，因此出现了二三维一体可视化：即在数据可视化中将二维矢量数据叠加在三维实景模型上。该方法既保留了三维直观表达的特点也获取了强大的空间分析能力[4-5]。由于实景三维模型是一个连续整体，无法对单个实体进行数据修改、模型重建和属性挂接等操作和管理，二维矢量要素与三维实景模型融合能够在一定程度上实现模型单体化。这种单体化称为逻辑单体化，它并不是通过矢量切割、模型重建方法将模型切割为单个实体[6]。而是借助二维矢量要素与三维模型叠加，通过二维矢量要素间接将模型进行逻辑和视觉切割，同时在二维矢量要素中可挂接属性信息，满足在三维模型中基本的GIS查询、分析等功能[7]。以不动产登记管理为例，三维地理信息系统可以利用高分辨率卫星影像、航空像片及数字高程模型生成地表三维模型，再叠加空间矢量数据、地物兴趣点及三维建筑物模型数据[8]，形成区域或城市的可视化三维数字景观，实现不动产登记可视化管理，从而提高政府的决策水平[9]。

二维矢量要素分为点状要素、线状要素和面状要素，其中面状要素空间结构比较复杂，在与实景三维模型融合中涉及维数更多、范围更大。目前常见的融合方法为包围盒法、颜色填充法以及高度可见法。包围盒法是指对同一空间域内的二维面进行升维，设定二维面的高度值，形成同区域内二维面扩展的三维半透明实体包围盒，该方法适用于实景三维起伏不大或者区域小、特征区分比较明显的融合应用。该方法的优点在于操作简单，不需要花费额外工作即可得到，缺点在于超过包围盒高度的实体部分无法被包裹，当区域较小时特征区分度不明显的实体如外观相似的房子无法被明显区分。颜色填充法是二维面使用贴对象法得到的依附在实体表面的三维实体，再通过填充颜色来区分不同实体。该方法优点在于可以直观通过包围盒颜色来区分不同实体;缺点在于可视化效果问题，填充颜色区分度不明显时会导致实体区分度不明显，并且该融合效果全部包裹实体。高度可见法是指在高于一定高度时二维面与实景三维叠加可见，突出二维面空间范围，降低到一定高度以下时，二维面转为线框模式，突出实景三维模型，该方法针对的是视角高度可视化内容的转换问题，适用于二维面域较大的情况。当视角高度较高时，由于视角特性对可视化效果要求较低，面状要素与三维实景模型融合效果不需要十分精确。

本文将研究视角高度较低时面状要素与三维实景模型的融合技术，一方面通过技术改进提高融合的视觉效果，另一方面根据面状要素空间特点因地制宜，利用三维效果宏观反映地物实体位置信息与特点。

1 数据和方法

1.1 数据

1.1.1 研究区。本文选取研究区为安徽省滁州市明南街道的横山村，所占面积为83.06 km2，5个行政村，134个村民小组，总人口1.8万人。该区域内拥有旱地、水田、池塘、沟渠农村道路、乔木林地等地物要素，房屋主要为集中的低层建筑[10]。该乡镇拥有美丽仓湖、美丽横山集两个美丽乡村建设点，研究面状要素到实景三维模型的融合可以为其日后数字孪生平台的建设留下参考。

1.1.2 数据收集和预处理。收集到的数据包括实景三维模型和面状矢量要素，面状要素为房地一体中的自然幢、宗地图层和明南街道基础数据库中土地利用现状图层、道路图层。在SuperMap iDesktop 10i上将倾斜摄影数据生成倾斜摄影配置文件即三维切片缓存文件，然后通过添加配置文件实现OSGB格式的实景三维模型加载到球面场景中;新建文件型数据源，在数据源中加载存储实景三维生成的DSM导入待添加的面状要素，完成面状要素与实景三维融合前的数据加载。

1.2 技术路线

本文探讨的是视角较低时面状要素与三维实景模型融合技术，以超图公司的软件SuperMap iDesktop 10i（2020）为融合可视化和展示平台，根据面状要素类型选取不同的融合方法进行融合效果制作，构建完整的二维面状矢量要素与实景三维模型的融合流程，技术路线如图1所示。对于面状要素与三维实景模型的融合，核心点在于给二维矢量进行升维得到盒装或者围墙状包裹实体，因此需要给面状要素赋予高程值作为包裹体的底部高程，再进行高度拉伸。其中拉伸高度值由融合效果中融合后的面状要素包裹实体的高度决定。

1.2.1 面状要素分类。依据面状要素的地物特征将其分为三类：地类面状要素、房屋类面状要素和有坎类面状要素。

①地类面状要素。地类面状要素主要为自然景观，例如田地、旱地和草地等（图2），这类地物结构简单、起伏不大，因此在二维面状要素与三维实景模型融合时只需要明显区分每个土地斑块并表明地类名称。

②房屋类面状要素。房屋类面状要素内景观为人工建筑，其空间结构较为复杂。从图3中可以明显看出各个房子的形状各异、高度不同，存在一个宗地中套着一个或多个宅基地的情况。

③有坎类面状要素。有坎类面状要素内主要为边界外围有坎，因而融合到实景三维模型中，需要表现出坎的特征，例如道路、水塘和水渠等。图4中内侧两条线代表道路，外侧两条线代表坎。

1.2.2 缓冲区设置。由于尺度差异、精度误差、投影变化误差、应用目的不同、人工采集差异等多种因素的影响，这样导致了空间实体位置的差异，如图5（a）所示[11]。因此对面状要素的边界进行缓冲，缓冲区半径设置为大于实景三维模型误差的一半，使其缓冲范围能包含地物实体的实际边界，如图5（b）所示。

1.2.3 二维面状要素高程值获取方法。记录空间位置的矢量数据缺少高程值数据，无法直接显示在实景三维模型中，需要将三维GIS高度数据赋值给面状矢量数据，这样解决了二维矢量缺乏高程值问题。目前普遍使用的方法为贴对象法、DEM/DSM提取三维数据法、三维测图法。

①贴对象法。贴对象是iDesktop软件风格高度模式的一种，其作用是二维面状矢量图层将会依附在实景三维模型表面，依托三维模型形成三维效果。该方法实现了面状要素与实景三维模型的无缝融合，不需要再进行拉伸高度设置，操作简单，但其最终融合效果是包裹全部实体。

②DSM提取三维数据法。该方法使用iDesktop软件上空间分析中的提取三维数据操作，输入DSM數据和需要获得高程的二维矢量数据，DSM是一个显示实体表面高度的高程模型[12]，软件从DSM数据中自动提取二维矢量对应实体位置的表面高程数据然后设置拉伸高度形成包围盒。该方法的优点在于可自由设置拉伸高度，融合后的面状要素包裹实体的高度是自由的;由于DSM数据是存储实体表面的高程信息，所以该方法缺点为不能获取二维矢量对应实体位置的表面上方或里面高程。

③三维测图法。三维测图法是利用iDesktop软件上查询坐标值功能，通过手动点击实景三维模型上的位置获取其高程值。该方法与DSM提取三维数据方法相同点为在后续操作中都需设置拉伸高度且拉伸高度值按照融合需求自由设置，实现了融合后的面状要素可全部或部分包裹实体;不同点在于赋予高程法是手动获取任意位置的高程值，其效率较低，但融合效果更多样，而DSM提取三维数据法是自动获取二维矢量对应实体位置的表面高程。

1.3 面状要素融合方法的改进

1.3.1 篱笆墙法。包围盒法是将面状要素升维实现的半透明包围盒，其缺点在于将整个地物实体包裹在盒子内部。本研究针对包围盒法进行改进并提出了篱笆墙法，该方法核心点是将面状要素的轮廓升维来构建从实体的侧面进行包裹的围墙式效果。其操作流程如下：利用软件中的数据转换功能将面类型数据转换成线类型数据，如图6（a）所示;对线类型数据进行缓冲区分析，如图6（b）;最后对二维缓冲区进行拉伸得到三维的篱笆墙，如图6（c）所示。与包围盒法相比，篱笆墙效果包裹地物实体部分更少，融合后的面状要素不会遮挡住实体顶部，有利于人们从更多角度更清晰地观察实体。

1.3.2 颜色填充法的改进。颜色填充法的改进一方面是选择填充颜色的合适的透明度、区分度明显的颜色来提高可视化效果。另一方面是使用范围的扩大，不止是使用贴对象法构建的要素使用不同颜色填充，篱笆墙法构建的要素也可以使用不同颜色进行填充。

2 结果

本文通过SuperMap iDesktop 10i（2020）平台以无人机倾斜摄影实景三维模型为基础，以土地利用现状图层、自然幢和宗地图层、道路图层为对象验证面状要素与实景三维模型融合技术的可行性。

2.1 土地利用現状

土地利用现状图层与实景三维的融合采用了篱笆墙法进行融合，同时用标签标记了地类名称。篱笆墙制作使用了DSM提取三维数据法，拉伸高度为6 m，透明度设置为50%。标签的制作与前面篱笆墙采用方法一致，不同点是标签是对面状要素质心点进行升维处理。

图7为土地利用现状图层融合后的效果，各个图斑由篱笆墙包围，且各图斑上空标有地类名称。标签的制作与前面篱笆墙采用方法一致，不同点是标签是对面状要素质心点进行升维处理，而篱笆墙是对面状要素边界升维处理。

2.2 宗地自然幢

2.2.1 房地一体数据。宗地图层采用篱笆墙方法，通过赋予高程值法手动获取房屋底部与地面相连的地方高程，拉伸高度为2 m、透明度为100%。自然幢图层采用篱笆墙法、贴对象法，透明度为50%。从图8可以看出屋顶区域为宗地范围，院墙区域为自然幢范围。

2.2.2 自然幢。自然幢图层采用篱笆墙法，篱笆墙的底部高程信息分别通过三维测图法获取建筑物中间位置高程和顶部位置高程，在位置选取时应注意保证相邻的建筑的围墙可以错开，分别制作围绕建筑中部和顶部的围墙，拉伸高度分别为1.5 m、0.3 m，透明度为50%。其中，不同符号标记代表不同宗地范围，图9为自然幢图层与实景三维模型融合后的效果。

2.2.3 宗地。宗地图层采用颜色覆盖法实现不同颜色的盒子套在不同宗地上。设置透明度40%，保证围墙颜色不遮盖建筑物纹理，通过围墙可以清晰地看到建筑物情况。不同符号标记代表不同自然幢范围，图10为宗地图层与实景三维模型融合后的效果。

2.3 道路

在收集到的道路数据中没有坎数据，需要在DP Modeler软件中加载实景三维模型手工画道路的坎图层，然后再导入iDesktop软件中。坎图层利用篱笆墙法、DSM提取三维数据法制作了沿着道路边界、坎边界的围墙。其中设置道路篱笆墙的拉伸高度为1 m、透明度100%，坎篱笆墙的拉伸高度为0.75 m、透明度为100%，道路篱笆墙比坎的厚度更大，突出道路为主、坎为辅的特征，如图11。

3 结语

本文介绍了面状要素到实景三维模型的融合技术。首先根据地物特征与空间结构将面状要素类，根据不同类别设计不同融合效果，然后提出了缓冲区设置的必要性，介绍了赋予二维矢量底部高程值方法，并且提出了改进的融合方法，最后进行了面状要素与实景三维模型融的效果展示。下一步将在赋予高程值情况进行研究，用更多自动化代替手工化，提高工作效率，达到可视化效果的同时满足快速融合以及不同应用需求。

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