盧丹丹，譚仁春，李 維，吳易璿

（1.武漢市測繪研究院，湖北 武漢 430022）

全景地圖在城市三維建模中的應(yīng)用

盧丹丹1，譚仁春1，李 維1，吳易璿1

（1.武漢市測繪研究院，湖北 武漢 430022）

以武漢市數(shù)字城市建設(shè)為例，重點(diǎn)研究了全景地圖在城市三維建模的數(shù)據(jù)采集、模型制作和成果檢查等環(huán)節(jié)的應(yīng)用，為輔助三維數(shù)字城市建設(shè)提供了一條行之有效的解決思路。

全景地圖；數(shù)字城市；三維建模

全景地圖是一種基于全景技術(shù)與電子地圖發(fā)布技術(shù)相結(jié)合的可定位展示真實(shí)場景的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)[1]。實(shí)現(xiàn)了360°全景融合和無縫拼接，并具有數(shù)據(jù)采集效率高、后續(xù)處理簡單、更新周期短、網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行速度快及成本低等特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于城市管理、房地產(chǎn)開發(fā)、旅游、教育等領(lǐng)域。將全景地圖作為傳統(tǒng)影像數(shù)據(jù)庫的補(bǔ)充，為城市三維建模的數(shù)據(jù)采集、模型制作和成果檢查提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，可有效提高城市三維建模的數(shù)據(jù)質(zhì)量和工作效率，為輔助三維數(shù)字城市建設(shè)提供一條行之有效的解決思路。

武漢市測繪研究院于2010年自主研發(fā)完成了基于武漢CORS的全景地圖采集器，完成了武漢市建成區(qū)內(nèi)主次干道（約2 200 km）的全景地圖采集、處理與互聯(lián)網(wǎng)發(fā)布（www.vrwuhan.com），建立了武漢市全景地圖系統(tǒng)。目前，該系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于武漢市三維數(shù)字城市建設(shè)的數(shù)據(jù)采集、模型制作及成果檢查和更新的全過程。

1 在三維建模數(shù)據(jù)采集中的應(yīng)用

1.1 紋理數(shù)據(jù)采集

由于航空影像容易獲取，因此地形紋理與建筑物頂部紋理也較易獲取，相對而言，建筑物側(cè)面紋理的獲取遇到了與建筑物高度獲取同樣的問題[2]，文獻(xiàn)[2]提出了4種紋理獲取方式，其中地面攝影像片直接提取的方式由于所建模型真實(shí)感強(qiáng)[2]，獲取方法簡單，被廣泛應(yīng)用于城市三維模型建設(shè)中。全景地圖收集大量沿街建筑物側(cè)面圖像信息，且具有獲取速度快、地理定位明確、圖像自動拼接和空間邏輯清晰的特點(diǎn)，能有效彌補(bǔ)實(shí)地紋理采集效率低、數(shù)據(jù)量大和后期圖像檢索困難的缺點(diǎn)。通過全景地圖系統(tǒng)和傳統(tǒng)手工地面攝影的對比發(fā)現(xiàn)，全景地圖的外業(yè)紋理采集效率是傳統(tǒng)手工地面攝影的36倍以上，內(nèi)業(yè)處理則采用軟件自動拼接完成360°全景圖像，比傳統(tǒng)單張像片的手工編號整理在空間邏輯和工作效率方面都有顯著提升。以武漢市三維數(shù)字地圖生產(chǎn)為例，采用全景地圖系統(tǒng)和傳統(tǒng)手工地面攝影兩種方式進(jìn)行紋理數(shù)據(jù)采集的效率對比如表1所示，全景地圖與實(shí)地拍照的數(shù)據(jù)量對比如圖1所示。

表1 紋理數(shù)據(jù)采集效率對比

1.2 高程數(shù)據(jù)采集

城市三維建模中高程數(shù)據(jù)的采集通常采用文獻(xiàn)[2]中的5種方法，通過這些方法能夠快速獲得地形、建筑物和交通設(shè)施的高程信息，但對于三維場景中植被、路燈等這些小品數(shù)據(jù)的高程采集并未提及，而小品的高程精度對整個三維場景的效果體現(xiàn)至關(guān)重要。全景地圖除了提供“三維直觀”的視覺效果外，還具備測量功能，精度可達(dá)10 cm。利用全景地圖量測技術(shù)制作三維場景時，可實(shí)時采樣測量獲取道路兩邊的植被和路燈高度，彌補(bǔ)植被和小品高程獲取困難的問題，使小品模型的建模比例更加協(xié)調(diào)，場景效果更加真實(shí)。

2 在三維模型制作中的應(yīng)用

城市三維模型制作內(nèi)容主要包括：地形模型、建筑模型和交通設(shè)施模型[3]，每類模型制作都可利用全景地圖提高模型制作效率和效果。

圖1 全景地圖與實(shí)景照片數(shù)據(jù)量對比

2.1 地形模型制作

地形模型制作的常用方法是以數(shù)字線劃圖為依據(jù)，以航空影像地圖為參考，手工CAD建模制作。該方式對于平坦地區(qū)建模效果較好，當(dāng)建模區(qū)域地形起伏較大時，便無法從線劃圖或航空影像圖中直觀準(zhǔn)確地獲取地形起伏信息，導(dǎo)致地形建模效率不高或效果不好。利用全景地圖的地面視角瀏覽和全景地圖量測技術(shù)，可以快速獲取地形起伏區(qū)域的地面特征及特征點(diǎn)高程，為地形建模提供參考依據(jù)。

2.2 建筑模型制作

建筑模型通常采用批量自動建模和CAD建模2種方式，并利用照片作為建筑物立面細(xì)節(jié)模型的表現(xiàn)或依據(jù)，存在細(xì)節(jié)表現(xiàn)不到位或建模效率不高的問題。建筑立面建模中引入全景地圖，能夠快速獲得建筑物360°立面特征，準(zhǔn)確把握建筑立面的建模重點(diǎn)，在保證模型精度的前提下，提高建模效率。

2.3 交通設(shè)施模型制作

逐漸增多的交通設(shè)施模型（特別是城市立體交通模型），因其自身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，錯落交織，常規(guī)航空影像圖和基本地形圖只能獲取交通設(shè)施模型的平面位置信息，缺少高度和立面結(jié)構(gòu)信息，使得交通設(shè)施建模成為城市三維建模的難點(diǎn)之一。全景地圖能夠反映城市交通及附屬設(shè)施的結(jié)構(gòu)特征，并通過360°全景瀏覽，全面展現(xiàn)交通設(shè)施與周邊環(huán)境的關(guān)系，快速判讀模型高度和結(jié)構(gòu)信息，為交通設(shè)施三維模型的制作提供詳實(shí)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。以全景地圖為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)制作的城市立體交通設(shè)施三維模型效果如圖2所示。

圖2 利用全景地圖制作城市立體交通三維模型

3 在三維模型檢查中的應(yīng)用

檢查驗(yàn)收是城市三維建模的最后一個環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)檢查驗(yàn)收方法通常將三維模型與二維CAD線劃圖、航空影像圖或?qū)嵉卣掌M(jìn)行對比，檢查三維模型數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、完整性、邏輯一致性和表現(xiàn)效果，該方法在進(jìn)行二維影像（特別是實(shí)地照片）與三維模型的空間位置匹配和圖像檢索方面耗時較多，成為影響檢查效率的主要因素之一。由于全景地圖具有空間定位速度快、效果真實(shí)直觀和360°超寬視角瀏覽等優(yōu)勢，武漢市測繪研究院通過開發(fā)三維模型全景檢查軟件，實(shí)現(xiàn)全景地圖和三維場景的雙屏關(guān)聯(lián)定位，解決三維模型檢查中實(shí)地照片檢索與空間定位速度較慢的問題，有效提升了對三維模型完整性、邏輯性和表現(xiàn)效果檢查的工作效率。

3.1 完整性檢查

通過對照全景地圖，可以快速聯(lián)動檢查三維模型對象的完整性，主要檢查內(nèi)容包括：橋梁、隧道和輕軌等立體交通設(shè)施的主體、橋墩、LOGO、欄桿、拉索、樓梯等的結(jié)構(gòu)和分布特征與實(shí)地是否一致；建筑模型窗戶陽臺結(jié)構(gòu)、臨街店面與實(shí)地是否一致；欄桿、路燈和景觀樹的分布特征、類型、大小與實(shí)地是否一致。通過對照全景地圖，三維模型的完整性檢查效果如圖3所示。

3.2 邏輯性檢查

通過對照全景地圖，可以快速聯(lián)動檢查各類三維模型的邏輯合理性，主要檢查內(nèi)容包括：地上建筑物、交通設(shè)施、植被、路燈等對象與地面銜接處的邏輯性是否正確；各類模型對象的比例關(guān)系是否合理。通過對照全景地圖，三維模型的邏輯性檢查效果如圖4所示。

3.3 表現(xiàn)效果檢查

沿街各類三維模型的表現(xiàn)效果是影像整個三維場景效果的主要因素之一。通過對照全景地圖，可以快速聯(lián)動地對該內(nèi)容進(jìn)行檢查，主要檢查內(nèi)容包括：沿街地上建筑物、交通設(shè)施和地形景觀的顏色與材質(zhì)與實(shí)地是否一致；沿街整體瀏覽效果是否協(xié)調(diào)。通過對照全景地圖，三維模型的表現(xiàn)效果檢查如圖5所示。

圖3 對照全景地圖檢查前和修改后的三維模型完整性對比

圖4 對照全景地圖檢查前和修改后的三維模型邏輯性對比

圖5 對照全景地圖檢查前和修改后的三維模型表現(xiàn)效果的對比

4 結(jié) 語

雖然全景地圖在城市三維模型的數(shù)據(jù)采集、模型制作和成果檢查中提供了豐富的數(shù)字影像參考依據(jù)，顯著提高了三維模型的數(shù)據(jù)質(zhì)量和生產(chǎn)效率，但還存在人行支路等區(qū)域影像采集困難、超高建筑變形較大的缺點(diǎn)。隨著全景地圖技術(shù)的不斷發(fā)展和全國全景地圖系統(tǒng)的逐步建立，全景地圖在三維數(shù)字城市建設(shè)中的應(yīng)用將更為廣泛。

[1] 李海亭,彭清山,王閃,等. 數(shù)字城市中的全景地圖系統(tǒng)建設(shè)方法研究[J].測繪通報(bào),2011(4):71-73

[2] 孫敏,陳軍. 3維城市模型的數(shù)據(jù)獲取方法評述[J].測繪通報(bào),2000(11):4-6

[3] CJJ/T 157-2010.城市三維建模技術(shù)規(guī)范[S].

[4] 張?jiān)?基于全景影像的二三維地圖系統(tǒng)研究[J].大壩與安全,2013(2):27-35

[5] 李海亭,張淼,彭清山.城市地理信息系統(tǒng)中的全景地圖技術(shù)研究[J].城市勘測,2011(3):39-42

[6] 畢碩本,張國建,候榮濤,等.三維建模技術(shù)及實(shí)現(xiàn)方法對比研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào),2010(16):26-30

[7] 譚仁春.三維城市模型的研究現(xiàn)狀綜述[J].城市勘測,2007(3):42-46

P208

B

1672-4623（2016）10-0056-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.10.016

盧丹丹，碩士，高級工程師，主要從事3DGIS開發(fā)研究。

2015-06-02。

項(xiàng)目來源：精密工程與工業(yè)測量國家測繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金資助項(xiàng)目（PF2013-13）。