周智勇

(重慶市勘測院，重慶 400020)

1 引言

隨著計(jì)算機(jī)硬件軟件技術(shù)、多媒體技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的迅速發(fā)展，“數(shù)字地球”的概念——一種可以嵌入海量地理數(shù)據(jù)的、多分辨率的和三維的地球表示應(yīng)運(yùn)而生。經(jīng)過近十年的研究和發(fā)展，數(shù)字城市三維模型的建設(shè)和應(yīng)用越來越多。目前城市三維模型依據(jù)建設(shè)目標(biāo)和技術(shù)不同大致可以分兩種:一是服務(wù)于城市規(guī)劃、建設(shè)、管理的精細(xì)三維模型建設(shè)。其主要技術(shù)路線是利用城市基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)(1∶500地形圖、數(shù)字正射影像等)，在專業(yè)三維建模軟件中對建筑、道路、水系、小品、植被等要素進(jìn)行建模，貼圖通過處理實(shí)地拍攝獲取的相片得到，這種方法能逼真地表示城市的精細(xì)結(jié)構(gòu)和材質(zhì)特征，效果好但是所需時(shí)間成本和經(jīng)濟(jì)成本較高;二是利用數(shù)字?jǐn)z影測量技術(shù)的快速建模。通過數(shù)字?jǐn)z影測量工作站可以方便地進(jìn)行數(shù)字線劃圖的測繪、數(shù)字高程模型的獲取、數(shù)字正射影像圖的制作，以及采集建筑物頂，通過程序來生成建筑模型。目前技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到可以從立體像對中自動(dòng)提取建筑輪廓、提取紋理，并對生成的建筑模型進(jìn)行紋理映射，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)程序化生產(chǎn)。

2 快速三維建模方法與流程

基于數(shù)字?jǐn)z影測量工作站(VirtuoZo)的快速三維建?；舅悸啡缦?在航測內(nèi)業(yè)空三加密完成后，生成立體像對文件。首先在VirtuoZo系統(tǒng)中建立立體像對，采集所有建筑物的頂部輪廓面，遵循從高到低的原則，將測區(qū)內(nèi)所有建筑物的頂部輪廓面采集完成。接著采用自動(dòng)加人工干預(yù)方式生成高精度數(shù)字高程模型(DEM)成果和數(shù)字正射影像圖(DOM)。再利用開發(fā)的程序?qū)⒉杉慕ㄖ镯敳枯喞€垂直投影到DEM上，即生成建筑物體塊模型。然后將模型導(dǎo)入到3ds Max軟件中，利用外業(yè)實(shí)地拍攝的建筑物外立面相片進(jìn)行模型校正和紋理映射，得到建筑模型。同時(shí)利用數(shù)字高程模型和數(shù)字正射影像，生成地形三維模型。最后將建筑模型和地形模型進(jìn)行融合，得到快速三維模型成果。

3 建筑輪廓線數(shù)據(jù)采集

雖然目前技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)提取建筑物外輪廓，但是針對復(fù)雜一點(diǎn)的房屋，如圓形建筑、異形建筑、樓頂造型復(fù)雜建筑等，程序自動(dòng)判別還達(dá)不到較為理想的結(jié)果。因此，為保證精度和建筑細(xì)部結(jié)構(gòu)準(zhǔn)確，采用人工采集建筑物頂部輪廓線。在VirtuoZo系統(tǒng)的IGS測圖模塊下，加載立體像對文件。按從高到低的采集原則，采集建筑物頂部的特殊造型、女兒墻、坡屋頂、電梯井等所有要素。其中要特別注意異形屋頂要按不同高程對輪廓面進(jìn)行分開采集，坡屋頂沿著屋脊線分開采集。目的是為了防止后期模型高程出現(xiàn)塌陷。

4 DEM和DOM的生成

采用VirtuoZo系統(tǒng)的自動(dòng)匹配生成等高線功能，套合立體影像進(jìn)行人工干預(yù)編輯，處理等高線穿過建筑物、水域等情況，并增加采集道路特征線、廣場、山頭及洼地高程點(diǎn)等，生成數(shù)字高程模型(DEM)。再結(jié)合立體像對，制作數(shù)字正射影像(DOM)。此技術(shù)環(huán)節(jié)是航測生產(chǎn)流程中比較常規(guī)的數(shù)據(jù)生產(chǎn)方法，因此不再贅述。

5 模型生成

5.1 建筑模型生成

導(dǎo)入采集的建筑物頂部輪廓線矢量數(shù)據(jù)、精細(xì)DEM成果、空三影像數(shù)據(jù)，設(shè)置輸出模型和紋理的各項(xiàng)路徑和相關(guān)參數(shù)，采用開發(fā)的程序自動(dòng)生成建筑模型。程序主要思路如下:按采集的建筑物輪廓線的高程從低到高投影到DEM。如先將建筑物的裙樓投影到DEM上，生成一個(gè)體塊，接著將塔樓輪廓線投影到裙樓頂生成另一個(gè)體塊，再將女兒墻投影到屋頂面生成體塊，依此類推，生成所有建筑物的體塊模型。并依據(jù)上下重疊關(guān)系，將同一棟建筑的裙樓、塔樓、女兒墻等進(jìn)行合并。同時(shí)依據(jù)空三影像數(shù)據(jù)，從立體像對的影像上提取建筑物的紋理，并一一對應(yīng)生成每個(gè)面的紋理數(shù)據(jù)，同步完成紋理映射。完成后的效果如圖1所示。

圖1 自動(dòng)生成模型及提取紋理后效果

從影像上自動(dòng)提取的紋理，除了屋頂上的效果能達(dá)到要求，側(cè)面的效果都不盡如人意，其主要原因有兩點(diǎn):一是航飛數(shù)據(jù)重疊度不夠大，且不是傾斜攝影;二是樓層比較高的建筑，貼圖拉伸度太大。要徹底解決紋理清晰的問題，最好的辦法是實(shí)地拍攝相片，依據(jù)相片處理紋理。依據(jù)實(shí)地拍攝的照片處理紋理后的模型效果如圖2所示。

圖2 實(shí)地拍照處理紋理后模型效果

5.2 模型校正

基于投影原則的模型生成方法，會導(dǎo)致部分模型(如上寬下窄的建筑物、鏤空的架子、遮陽罩、亭子、懸空通廊等)會與現(xiàn)實(shí)存在出入，因此需對這些模型進(jìn)行校正。依據(jù) 1∶500地形圖和實(shí)地拍攝的照片，對建筑模型進(jìn)行修改，精化細(xì)部結(jié)構(gòu)，提高準(zhǔn)確度和仿真度。從圖3(a)可以看到遮雨棚是直接落到地面上的，依據(jù)實(shí)拍照片對模型進(jìn)行校正后，模型變成了圖3(b)的效果。

圖3 模型校正對比效果圖

5.3 地形三維模型生成

不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)能夠充分表達(dá)地形的結(jié)構(gòu)特征和細(xì)部信息，具有可變的分辨率。TIN既能很好地按地形特征如山脊、山谷線、地形變化線等表示數(shù)字高程特征，又能避免地形平坦時(shí)的數(shù)據(jù)冗余，對地形的描述具有很好的合理性。基于數(shù)字高程模型轉(zhuǎn)換成不規(guī)則三角網(wǎng)地形模型，同時(shí)為了便于后期調(diào)用和管理，將地形模型按標(biāo)準(zhǔn) 1∶2 000圖幅進(jìn)行裁切，得到單個(gè)以1∶2 000圖幅命名的地形模型。為了保證紋理映射后精度，在單個(gè) 1∶2 000圖幅大小的地形模型中再細(xì)化為16個(gè) 1∶500圖幅大小的節(jié)點(diǎn)，同時(shí)將數(shù)字正射影像也裁切成 1∶500圖幅大小的圖片，并與地形模型一一映射，生成大范圍的地形三維模型。

6 試驗(yàn)分析

6.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

以長壽區(qū)10 km2城區(qū)進(jìn)行試驗(yàn)。長壽區(qū)作為規(guī)劃中的重慶一小時(shí)經(jīng)濟(jì)圈的大城市，距重慶江北國際機(jī)場僅40分鐘車程，以打造“三地一中心”(重慶工業(yè)高地、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)基地、休閑旅游勝地和區(qū)域物流中心)戰(zhàn)略發(fā)展目標(biāo)。測區(qū)有全覆蓋航測空三加密成果，精度達(dá)到 1∶2 000線劃圖的要求。

6.2 試驗(yàn)成果

采用本文3、4、5節(jié)技術(shù)流程進(jìn)行三維建筑建模和地形建模。圖4為集成建筑模型和地形模型后的效果。

圖4 快速三維模型集成后效果

7 結(jié)語

在全球范圍內(nèi)，對“數(shù)字地球”的相關(guān)研究正成為計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)研究的熱點(diǎn)之一。城市三維模型是“數(shù)字地球“最核心和關(guān)鍵的技術(shù)之一。而基于數(shù)字?jǐn)z影測量技術(shù)的快速三維建模具有以下優(yōu)勢:

①建模速度快，程序自動(dòng)化程度高，區(qū)域越大越能體現(xiàn)優(yōu)勢;

②模型精度高。常規(guī)三維建模的樓高是依據(jù)樓層數(shù)推斷出來，樓頂造型是依據(jù)影像示意制作，而本文方法是從立體模型上精確采集。

③影像數(shù)據(jù)信息豐富。本文采用的地形模型疊加正射影像的三維地形制作方式，不僅包含了空間屬性，同時(shí)含有了豐富的影像信息。

④成本低。較高的自動(dòng)化生產(chǎn)模式，減少了人工投入和時(shí)間投入，降低了時(shí)間成本和經(jīng)濟(jì)成本，提高了生產(chǎn)效率。鑒于數(shù)字?jǐn)z影測量技術(shù)三維建模的諸多優(yōu)點(diǎn)，采用此方法進(jìn)行大規(guī)模的城市三維建模是可行的。

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