基于倾斜摄影测量的三维数字城市建模研究

2022-10-02覃雪梅王伟立贾伟定姚鹏魏致富

地理空间信息 2022年9期

覃雪梅，王伟立，贾伟定，姚鹏，魏致富

（1.武汉市测绘研究院，湖北武汉 430022；2.湖北晓雲科技有限公司，湖北武汉 430014）

1 项目要求和研究意义

崇阳县位于湖北省咸宁市西南部，居湘、鄂、赣三省交界处。本文制作了崇阳县城区的三维数字模型，总面积为14 km2，空间基准采用2000国家大地坐标系（CGCS2000），高程基准采用1985国家高程基准。新型城镇化的规划、建设和管理都依赖于精度高、现势性好的地理信息数据。三维模型是城镇规划的科学依据，可使规划更具前瞻性，有利于完成城市灾害事件、突发事件的动态模拟，实现城市各类信息的可视化查询，为政府管理和服务城市提供决策；有利于研究城市环境动态变化。

2 主要作业流程

本文主要利用运-5飞机平台和SWDC-5AP100倾斜摄影系统获取数据；采用倾斜相机正拍的数字影像数据制作DEM和DOM，并构建地形模型，利用倾斜影像和正拍影像制作三维白模；利用机载倾斜影像技术获取建筑实景纹理影像，利用实景纹理影像进行三维模型贴图，制作三维景观模型[1]；根据建筑物底商（商业门面）和底部结构，配合地面补拍影像作为建筑物纹理。总体技术路线如图1所示。

图1 总体技术路线图

3 地形模型和DOM生产

本文利用倾斜影像数据制作地形模型，具体流程为：①模型定向；②采集特征点、线；③构建TIN；④内插粗间距的DEM；⑤编辑粗格网的DEM；⑥重新构建TIN网；⑦内插成果格网的DEM；⑧编辑成果格网的DEM；⑨DEM接边；⑩DEM裁切。利用上述已完成的DEM数据，生产DOM数据[2]。

4 实体模型生产

4.1 建筑模型生产

4.1.1 白模制作

在立体像对中采集得到带正确高程的房顶轮廓面，通过DTM采集方法获取DEM，通过房顶轮廓线到DEM的距离判断房屋高度，然后将房顶轮廓面下拉成实体落到DEM上，从而得到白模数据。

1）采集房顶轮廓。通过基础数据中的DLG获取建筑轮廓；利用空三成果在采集软件中恢复立体像对，通过立体像对获取建筑的准确高度，平顶房屋为到屋顶的高度，尖顶房屋为到尖顶结构底部屋檐的高度；将各建筑的高程附加到建筑的轮廓面中，得到带高程的房顶轮廓面数据。

2）采集房脊线。通过立体像对获取尖顶房屋的准确房脊线轮廓；通过立体像对获取房脊线的准确高程；将各房脊线的高程附加到各房脊轮廓线上，得到带准确高程的房脊线数据。

3）生成格网DEM。由TIN数据内插生成规则格网的DEM（GRID）数据，编辑形成DEM成果[3]。

4）生成实体模型。根据房顶轮廓面到DEM的距离得到房屋高度，批量将房顶轮廓面下拉成实体，落到房屋面正下方DEM的最低点，得到建筑的实体模型。

5）制作白模数据。将自动生成的实体模型导入3ds Max中进行删除地面、根据房脊线添加房脊结构、制作特殊结构等操作，得到最终的白模数据，如图2所示。

图2 白模数据成果示例

4.1.2 倾斜影像贴图

航飞倾斜影像具有视域广、纹理真实的优点，能很好地表现建筑的上层结构，还原建筑真实现状。倾斜影像贴图工艺流程[4]如图3所示。

图3 倾斜影像贴图流程图

1）倾斜影像定向。航空倾斜影像采集时，POS数据将同步记录倾斜相机的空间位置，从而计算影像的初始外方位元素。需要通过倾斜影像定向进一步确定影像的空间位置和空间姿态，才能满足倾斜影像贴图要求。倾斜影像定向利用空三成果进行格式转换，得到与模型坐标系相同的空间坐标信息，以便后续进行模型贴图工作。

2）倾斜影像贴图。利用软件将同一区的模型和倾斜影像数据统一读入软件进行贴图作业。软件能从海量倾斜影像中快速搜索到模型面对应的最佳贴图，并自动提取贴图，如图4、5所示。

图4 倾斜影像贴图

图5 实景模型效果图

4.1.3 地上贴图

模型顶部和侧面均需进行贴图。建筑顶部和侧面主要采用倾斜影像贴图，需对遮挡较严重的密集建筑区域进行人工补拍，并采用补拍影像贴图[5]。地面纹理采取人工方式获取，作业灵活，能获取更详细的建筑影像。实景城市精细模型采取结合二者优势的方式，对重点和重要街区沿街建筑采用地面补拍的方式进行模型制作。

1）地面影像处理。后期获取的地面影像存在非建筑元素信息、影像透视、遮挡和明暗等问题，无法直接使用，需经过处理后才能用于地面纹理贴图。①畸变校正，为消除因镜头影像畸变和拍摄角度产生的角度偏差，需对获取的地面拍摄影像进行畸变纠正，纠正后的影像能真实反映建筑的垂直关系。畸变校正主要基于Photoshop软件，利用变形校正工具以及水平、垂直辅助参考线进行校正。校正后的影像垂直、水平关系正确，无角度、扭曲现象。②影像画面处理，影像中若存在人、车或其他非建筑影像，会对建筑的效果表现造成极大影响，通常完成畸变校正后利用Photoshop对影像进行修整，去除影像附带的人像等。修整影像应除去非建筑要素、保留建筑要素，以还原建筑原貌为主要标准，不能处理得过新、过假。修整影像时将一并处理门店上方的广告牌。对于单独或悬立的广告牌，需单独进行抠像，处理影像畸变和修整，如图6所示；对于楼宇附带的字牌，采用透明贴图进行处理，保证与原始建筑表现一致，透明贴图保存为tga格式。③影像拼合，修整后的影像只是建筑物底商（商业门面）或底部结构的部分纹理，单独进行贴图作业无法对纹理进行精确定位，通常需对修整后的影像进行拼合，得到与模型表面尺寸对应的整体纹理，进行统一贴图，为模型的细化提供位置支持。影像位置匹配正确后，不能立即进行图层合并，应统一对同一模型面的纹理进行调色，保证同一模型表面色彩协调，光影关系正确；且需要调整地面影像纹理与倾斜影像纹理，确保两种影像纹理色调协调，影像间过渡自然。④贴图尺寸与格式，完成图层合并后，需对影像尺寸进行调整，一般将图像长宽调整为2n×2n。数值确定参照影像的比例关系，遵循就近原则。贴图最大尺寸不超过1 024×1 024；地面影像纹理统一保存为jpeg（jpg）格式，图像保存品质为10（最佳）；命名参照贴图命名规则，顺序排列。⑤纹理贴图，根据贴图后的效果调整地面影像，调整影像时依据建筑附带的光影信息，且底商（商业门面）纹理亮度不能过高，以免造成建筑光影错位。模型作业完成后需对模型进行统一渲染与烘焙，协调模型效果，减少贴图数量，本文中烘焙后的纹理贴图尺寸统一为1 024×1 024（最佳）。

图6 单独广告牌影像畸变处理和修整

2）建筑模型制作。①地面纹理贴图，在重点的沿街区域或商业建筑区，为更好地展示沿街景观，利用地面补拍影像依照倾斜影像反映的建筑底部细节表现来替换原有的倾斜影像纹理。②底部结构细化，地面影像贴图作业后，底部结构仍不足以表现建筑细节，需进一步对建筑底部进行细化作业。细化作业通常采用3ds Max中的多边形修改工具，根据底部贴图表现的建筑结构关系，利用模型表现底层建筑的门厅、廊檐、玻璃雨棚、阶梯等建筑的进退关系。建筑底层结构细化时需考虑与上层的衔接，重点建筑需注意建筑与地形的过渡问题。③广告牌制作，一楼底商（商业门面）与主体建筑之间的分界线，应与广告牌顶部齐平，若在建筑的转角处有明显的楼层分界线或贴图间不衔接的问题，可通过调节广告牌大小与高度来遮盖接缝的过渡问题。与建筑物底商（商业门面）墙体一体的广告牌，通常采用地面影像进行表现；独立广告牌或凸出建筑立面较多的广告牌需利用模型进行表现。④细节优化，完成模型制作和贴图后，需对模型的拐角接缝、面数等进行优化，在确保不损失模型效果的前提下，优化模型数据量。

4.2 交通模型生产[6]

交通模型包括路面、道路中央绿化隔离带、道路标线、交通标线、标识、人行桥、车行桥、立交桥、转盘及其附属结构、铁路、轻轨等。道路、路面和人行道纹理采用倾斜纹理制作，需完整、准确地展示路口的交通标线（必要时需进行实地拍照）。道路、路面和人行道上不允许出现建筑纹理压盖。高架桥需重新制作模型进行表达。

4.3 植被模型生产

植被均应在地表模型中表现。景观树采用三维模型树表现，贴图颜色应真实自然，既要体现植物由于枝叶生长和阴影变化而形成的体积层次感，又要做到形态均衡、完整协调，通过贴图的修整能表现枝叶的疏密和透气性。绿化树（含堤岸树、成片的树林）、行道树或重点区域的树木采用模型树表现，要求树木种类一致、密度适中，树木姿态、树冠大小、树冠颜色有变化，高低错落，形态美观。古树名木需按照实际尺寸、树种、位置、形态制作模型树，应保证与现状树木的较高相似度。花坛中以具有一定间距的单簇花为主花圃灌木，采用十字交叉面片纹理双面贴图，成片的形状花坛可挤出主体结构贴上纹理，纹理的形态色调应与实地相似。