基于无人机倾斜摄影的单体化模型制作与模型修饰研究

摘要：采用无人机倾斜摄影方式制作的实景三维模型存在一些问题，如树木悬浮物、建筑底部结构变形拉花、高楼顶部破损、水面破损等。针对这些问题，本文提出将单体化技术和模型修饰技术用于实景三维模型的优化处理。首先，笔者对无人机倾斜摄影三维模型制作展开研究，其次，对目前已有的单体化技术和实景三维模型修饰的方法进行介绍说明，最后，对生产的实景三维模型，采用本文提到的单体化和模型修饰方法进行优化，并将单体化成果和修饰后的模型场景融合，得到了高质量三维模型成果。本文的研究旨在为单体化模型以及模型修饰的从业人员提供参考。

关键词：无人机；倾斜摄影；单体化模型；模型修饰；实景三维模型

中图分类号：P231 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2024）23-0117-03

开放科学（资源服务）标识码（OSID）

0 引言

近年来，基于无人机搭载倾斜摄影相机生产测绘产品被广泛用于测绘各种项目，例如，将倾斜摄影技术用于农村房地一体确权登记项目，生产实景三维模型，在实景三维模型的基础上，完成地籍图的测绘工作，并基于模型完成指界确权工作，将模型数据保存下来，便于后期对房屋翻建、新建等更改进行核对[1]。将倾斜摄影技术用于拆迁项目，获取拆迁区域时效性强的实景三维模型数据，在三维模型上设计多种拆迁方式，对拆迁面积进行统计，评估拆迁成本。将实景三维模型数据用于城市规划，尤其是在天际线分析、通视分析、限高分析等方面，发挥着重要的作用。这些应用对模型的精细度要求并不高，无须对自动生产的实景三维模型进行修饰处理，也无须对其中的建筑物进行单体化制作。然而，对于数字孪生、实景三维中国建设等项目来说，不但要求生产得到实景三维模型，而且要求模型场景整洁，建筑物须进行详细的单体化制作[2-4]。基于无人机倾斜摄影方式采集的影像数据信息非常丰富，但是由于其是从空中对地面采集影像数据，因建筑物遮挡等原因，采集的影像是存在航摄盲区的，基于该数据生产得到的实景三维模型，肯定会存在建筑物底部拉花变形等问题的[5-6]。实景三维模型的最小组成单元是三角面片，是由无数个互不交叉重叠的连续三角面片组成的，因此实景三维模型是典型的“一张皮”模型，在建模的过程中，无法准确将建筑物分离出来，形成单体化成果[7-8]。基于此，本文对无人机倾斜摄影三维模型制作展开深入研究，并对目前的单体化和实景三维模型修饰进行了介绍，并以实际生产的实景三维模型为优化对象，进行了单体化模型的制作和三维模型场景的修饰，并将两种成果融合，得到了高质量的模型成果。

1 无人机倾斜摄影三维模型制作

基于无人机倾斜摄影技术生产实景三维模型数据，主要包括准备工作、外业数据采集工作和内业数据处理工作，具体的作业流程如图1所示。

在三维模型制作过程中，空中三角测量解算是内业数据处理中的一个重要环节。在空三加密成果符合要求后，可以基于空三成果完成多视影像的密集匹配，从而获得高精度、高密度的三维离散点云数据。不规则三角网的构建基于密集点云成果。在构建三角网时，按照构建的三角网互不交叉、互不重叠、三点是最邻近点以及三边之和最小等要求，以得到唯一的三角面片，从而形成连续构建的三角网模型，即白模。基于影像数据与三角网顶点之间的对应关系，对白模进行纹理自动映射，从而得到实景三维模型成果。

2 单体化技术

单体化是指将研究对象从场景中“分离”出来，并可以基于单体成果完成相关属性查询等操作。目前，单体化技术主要包括动态单体化、ID单体化、切割单体化和重构单体化。每种单体化的单体方式和特点如下。

2.1 动态单体化

动态单体化是一种渲染单体化，即采用动态方式，将目标物对应的矢量面叠加到模型成果上，将需要单体化的目标物包裹起来，实现目标物可单独选中的效果。这种方式不改变原有三角面片的组成，只是显示层面的单体化。在进行单体化作业前，要获取高精度的目标物表面数据，须采用摄影测量的方式，生产得到高精度的数字表面模型，然后基于数字表面模型制作目标物对应的矢量面，最后将二维矢量面叠加到三维模型上，采用渲染和贴对象的方式完成目标物的单体化。这种方式前期需要制作数据，单体化效率低，并且是显示层面的单体化，也不利于管理查询等操作。

2.2 ID单体化

组成实景三维模型的最小单元是三角面片，每个三角面片有三个顶点，顶点除了记录坐标等数据外，还有额外的存贮空间用于记录关联字段。而ID单体化就是从这个角度出发，对组成同一目标物的所有三角网面片的顶点中的关联字段，赋值同一个数值。当鼠标靠近目标物时，关联字段相同的三角网面片就会全部高亮呈现，从而实现单体化效果。这种单体化方式未改变原有建筑物的组成结构，只是以显示的形式完成单体化操作，但单体化成果不利于后期的管理查询等操作。

2.3 切割单体化

切割单体化就是将待单体化的目标物从原有的模型中切割出来，例如可以利用树木、建筑物、道路等对应的矢量面，对实景三维模型直接进行切割，其实质是对原有连续的三角面片进行拆分和重构。除了利用已有的矢量面进行切割外，还可以利用模型修饰软件，在实景三维模型上，通过选择三角面片的方式选中目标物，然后直接从模型中切割出来。由于组成模型的最小单元是三角面片，因此单体化得到的模型边缘会存在锯齿。这种方式得到的单体化模型更加精细，可以很好地实现管理查询等操作，并且切割简单，单体化效率高。

2.4 重构单体化

重构单体化是指对需要单体化的目标地物结构进行重构。重构单体化的数据源有两种，即实景三维模型和重建的立体像对模型。利用DP-modeler、SVS-modeler等软件，加载OSGB格式的三维模型，基于模型采集建筑物的主体的底面，通过挤压、拉伸等操作，得到建筑物的主体结构，再通过复杂的操作，采集得到建筑物的附属结构，从而得到重构的单体化模型。对于模型拉花变形的，可采用交汇等方式，对拉花区域的结构进行重建。除了基于实景三维模型进行单体化模型制作外，还可以基于重建的立体像对模型。利用最终的空三加密成果和导出的未畸变影像，恢复虚拟的立体像对模型，在立体环境下，对建筑物的结构进行采集，然后基于影像和三角面片顶点之间的对应关系，对单体化得到的白模进行纹理映射，从而得到单体化模型成果。在映射纹理时，每个三角面片会匹配得到多张影像，通过调整视角等方式，从中挑选映射效果最佳的影像进行纹理映射。对于自动映射的纹理不符合要求的，可以选中纹理面，联动Photoshop软件，利用Photoshop软件的图像编辑功能，对纹理进行高质量编辑，然后再次映射到单体化模型上。除了这两种方法外，如果有地籍成果，也可以直接导入地籍成果，然后以导入的地籍图为建筑物主体的底面，完成建筑物单体化模型制作。这种方式得到的单体化模型质量较高，但效率相对较低。

3 实景三维模型修饰

实景三维模型修饰是利用专业的修模软件，对模型场景中存在的树木、路灯等悬浮物进行删除，对不平整的路面进行压平，对单体化后的原有模型数据进行删除压平，对破损的水面进行修补等，其主要的目的是让实景三维场景整洁美观，提升审美效果。对于倾斜摄影生产的实景三维模型，除了生产测绘产品之外，还用于给领导展示规划效果等，如果不对模型存在的问题进行处理，会影响整个的效果。模型修饰都是通过改变三角面片来实现的，由于压平等操作，会导致三角面片叠加，从而出现闪面问题，在对模型修饰处理后，要对修饰成果全面进行检查，确保修饰成果符合要求。模型修饰一般采用OBJ和OSGB两种格式，OSGB格式自带多层级金字塔结构，在简单删除、压平时可以使用。对于复杂的模型修饰，必须使用OBJ格式的三维模型进行修饰，然后将OBJ格式转为OSGB格式。

4 案例分析

查看生产的实景三维模型时，发现模型中的水面存在破损问题。我们利用智觉空间的SVSMeshEditor软件，删除了水面的离散三角网；然后，利用周边的三角网，完成了水面三角网的内插和压平操作。同时，联动Photoshop软件，对水面纹理进行了修饰，最终得到修饰优化后的水面。本次水面模型优化对比如图2所示。

利用SVS-modeler软件，对结构变形的建筑物进行重构单体化，得到单体化前后的建筑物对比效果如图3所示。

利用三维模型发布展示平台，将单体化模型和修饰后的场景融合，得到如图4所示的高质量模型成果。

5 结束语

本文从实景三维模型存在的各种问题入手，对无人机倾斜摄影三维模型制作展开深入研究，对单体化和模型修饰技术进行介绍，并对实际生产项目中的实景三维模型数据成果进行优化处理，将单体化模型和修饰后的场景融合，得到了高质量的模型成果。本研究可以为实景三维中国建设、数字孪生等项目中的单体化模型制作和场景修饰提供参考借鉴。

参考文献：

[1] 魏军，于洪雨，靳巧珠，等.无人机倾斜摄影技术在农村房地一体确权登记项目中的应用研究[J].测绘与空间地理信息，2023，46（2）：60-63.

[2] 孙进冬，杨红军，庆成，等.倾斜摄影三维模型优化方法探索[J].城市勘测，2024（1）：91-94.

[3] 王玲玲.基于倾斜摄影测量技术的单体化模型重建与可视化平台开发[D].南昌：东华理工大学，2023.

[4]王萍，魏军，苟彦梅.基于Smart3D和SVS软件的实景三维模型生产[J].测绘标准化，2022，38（4）：15-19.

[5] 王壮壮，李沛鸿，李斌.倾斜摄影测量三维建模与模型修饰[J].江西测绘，2020（4）：31-33，61.

[6] 罗天银，张平，马玉强，等.实景三维模型修饰方法研究[J].测绘，2020，43（2）：51-56.

[7] 杨晓英，马旭燕，辛兵厂，等.基于多视角影像的实景三维单体化建模探究[J].河南城建学院学报，2023，32（3）：85-91.

[8] 钱少华，周伟晓，竺建平.基于倾斜摄影的建筑单体化三维模型构建[J].测绘技术装备，2023，25（2）：125-128，138.

【通联编辑：梁书】