黃 瑤，張彩霞，楊璐璐，張晨曦*

（1.中科遙感科技集團(tuán)有限公司，天津300380）

城市建筑三維自動(dòng)分體系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

黃 瑤1，張彩霞1，楊璐璐1，張晨曦1*

（1.中科遙感科技集團(tuán)有限公司，天津300380）

傳統(tǒng)三維GIS平臺(tái)多以單體制作、場(chǎng)景集成和發(fā)布為主要技術(shù)流程，場(chǎng)景更新周期長(zhǎng)、投入大；基于傾斜攝影測(cè)量原理的Street Factory、Smart3DCapture解決方案便于構(gòu)建mesh三維模型，較傳統(tǒng)三維平臺(tái)更加精確高效，但因無法直接對(duì)單體對(duì)象進(jìn)行編輯導(dǎo)致應(yīng)用受限。因此，提出了對(duì)mesh三維模型自動(dòng)分體的構(gòu)想，設(shè)計(jì)開發(fā)了城市建筑三維自動(dòng)分體系統(tǒng)City Clipper。該系統(tǒng)以A3傾斜攝影測(cè)量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過建立高度和光譜規(guī)則算法庫以區(qū)分地物和地類，從背景信息中提取出建筑信息；同時(shí)對(duì)植被、道路等興趣地物進(jìn)行判別，實(shí)現(xiàn)城市建筑的三維自動(dòng)分體功能。

智慧城市；自動(dòng)分體；mesh三維模型；A3數(shù)據(jù)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，城市規(guī)模進(jìn)一步擴(kuò)大，城市數(shù)字化和智慧化建設(shè)成為城市發(fā)展的新方向。三維建設(shè)是城市建設(shè)中不可或缺的部分，在城市規(guī)劃管理[1-3]、環(huán)保應(yīng)用[4]、地質(zhì)地形勘察[5]、安保措施[6]等多個(gè)領(lǐng)域都有著較為廣泛的應(yīng)用。城市三維平臺(tái)是城市信息化的基礎(chǔ)設(shè)施之一，由于智慧城市行業(yè)應(yīng)用的深入，相關(guān)職能部門越來越迫切地需要更真實(shí)、更完整、更高精度的三維空間數(shù)據(jù)作為智慧城市的空間載體，為智慧城市提供實(shí)時(shí)、有效的空間信息。

國(guó)外主流的城市三維軟件產(chǎn)品包括ESRI公司推出的ArcGIS Explorer、EsriCityEngine，Google公司推出的Google Earth，Skyline公司推出的TerraExplorer，科納斯團(tuán)隊(duì)發(fā)布的OpenGL等。賀軍亮[7]等采用Google SketchUp對(duì)實(shí)體景觀進(jìn)行三維建模及優(yōu)化，利用ArcGlobe集成DEM建立虛擬三維場(chǎng)景，通過ArcGIS Server發(fā)布和管理地圖，提供免費(fèi)客戶端遠(yuǎn)程訪問和應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了基于3DGIS的虛擬場(chǎng)景制作與發(fā)布。付從梅[8]通過融合遙感數(shù)據(jù)與DEM數(shù)據(jù)建立了人防工程三維模型，對(duì)地形模型、矢量數(shù)據(jù)和三維模型進(jìn)行了網(wǎng)絡(luò)發(fā)布，利用Skyline三維可視化平臺(tái)完成了數(shù)據(jù)的集成與展示，對(duì)人防工程三維可視化系統(tǒng)進(jìn)行了總體設(shè)計(jì)。謝俊峰[9]等詳述了基于OpenGL的三維地圖場(chǎng)景制作流程：首先分別對(duì)地貌、水系等多要素層建立模型，再通過DTM集成形成一體化的三維數(shù)據(jù)模型，最后將三維模型顯示在三維場(chǎng)景中并發(fā)布地圖場(chǎng)景。國(guó)產(chǎn)城市三維軟件也有著良好的發(fā)展，武大吉奧的GeoGlobe是面向用戶提供標(biāo)準(zhǔn)空間信息服務(wù)的框架平臺(tái)，具有架構(gòu)完整、部署靈活、功能強(qiáng)大等特點(diǎn)，可通過桌面、Web、移動(dòng)端對(duì)地理信息進(jìn)行地圖瀏覽、空間分析、數(shù)據(jù)管理、服務(wù)發(fā)布，實(shí)現(xiàn)不同時(shí)相、不同分辨率的異構(gòu)三維虛擬地球的數(shù)據(jù)共享集成[10-11]。適普的IMAGIS軟件操作簡(jiǎn)單，DEM建立較為方便，可直接使用數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量數(shù)據(jù)，建筑物紋理添加方便[12]。

然而，上述傳統(tǒng)三維平臺(tái)多以單體模型制作—三維場(chǎng)景集成—場(chǎng)景發(fā)布為主要工作流程，“三步走”的工作方式導(dǎo)致場(chǎng)景更新周期長(zhǎng)、投入大，已越來越難以滿足智慧城市時(shí)效性、經(jīng)濟(jì)性的需求。隨著航空傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，街景工廠（Street FactoryTM）、智慧3D（Smart3DCaptureTM）等新型軟件支持快速、全自動(dòng)化處理街道影像，并生成三維城市模型，兼容各種傾斜航攝儀數(shù)據(jù)、定位姿態(tài)數(shù)據(jù)，可快速處理垂直和傾斜相片的空中三角測(cè)量技術(shù)問題，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)三維建模；但新型軟件所建立的城市均為mesh三維模型，無法對(duì)建筑單體進(jìn)行選擇編輯、添加屬性和空間分析，業(yè)務(wù)化應(yīng)用受到極大限制，應(yīng)用面狹窄。因此，研究城市建筑三維自動(dòng)分體技術(shù)已成為國(guó)內(nèi)外技術(shù)產(chǎn)品的發(fā)展趨勢(shì)，研發(fā)可單體編輯、數(shù)據(jù)快速更新、移植性強(qiáng)的應(yīng)用系統(tǒng)具有良好的市場(chǎng)前景，對(duì)三維產(chǎn)業(yè)具有重要的推動(dòng)作用。

1 系統(tǒng)概述

City Clipper城市建筑三維自動(dòng)分體系統(tǒng)基于傾斜攝影測(cè)量原理，研究了城市三維快速建模技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了建筑單體的自動(dòng)提取，彌補(bǔ)了街景工廠等先進(jìn)技術(shù)僅能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化城市三維建模但無法對(duì)單個(gè)建筑進(jìn)行編輯的不足。該技術(shù)在城市三維建模應(yīng)用上實(shí)現(xiàn)了重大突破，為國(guó)內(nèi)三維街景導(dǎo)航電子地圖的生產(chǎn)與服務(wù)、智慧城市建設(shè)以及相關(guān)領(lǐng)域應(yīng)用提供了更加優(yōu)化的技術(shù)支持，極大地提高了國(guó)內(nèi)遙感與地理信息資源利用率，推動(dòng)了行業(yè)整體發(fā)展，在滿足相關(guān)應(yīng)用需求的同時(shí)產(chǎn)生了巨大的社會(huì)與經(jīng)濟(jì)效益。

City Clipper系統(tǒng)主要以以色列VisionMap公司引進(jìn)的新一代數(shù)據(jù)航空攝影系統(tǒng)A3采集的高精度航空傾斜影像為數(shù)據(jù)支撐。A3系統(tǒng)獲取10～25 cm分辨率影像的效率是同類數(shù)碼航空攝影系統(tǒng)的2～4倍，并可自動(dòng)完成空中三角測(cè)量，生成DSM、DOM等產(chǎn)品[13]。City Clipper系統(tǒng)在A3自動(dòng)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，研發(fā)了城市建筑mesh三維模型自動(dòng)分體技術(shù)。系統(tǒng)的主要研究?jī)?nèi)容包括：①對(duì)osgb三維數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，獲得TIN、點(diǎn)云數(shù)據(jù)以及幾何信息與紋理信息的對(duì)應(yīng)關(guān)系；②研發(fā)智能分體技術(shù)，建立智能過濾規(guī)則算法庫，對(duì)建筑、植被等物體進(jìn)行分類提取，獲得建筑、植被等單體的位置信息和分類信息；③以建筑或樹木等單個(gè)模型為單元對(duì)TIN中每個(gè)不規(guī)則三角形進(jìn)行分類，完成模型三角網(wǎng)分體；④對(duì)TIN進(jìn)行優(yōu)化，使模型形狀更加逼真，提升展示效果；⑤對(duì)優(yōu)化后的建筑單體重新截取傾斜攝影數(shù)據(jù)進(jìn)行貼圖；⑥支持模型單體屬性構(gòu)建，可針對(duì)不同行業(yè)的業(yè)務(wù)應(yīng)用，為地物添加屬性信息。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為數(shù)據(jù)層、技術(shù)支撐層和展示應(yīng)用層。系統(tǒng)以A3數(shù)據(jù)為支撐，為三維模型構(gòu)建和提取提供了數(shù)據(jù)層面的支持。技術(shù)支撐層是系統(tǒng)核心和難點(diǎn)所在，旨在為系統(tǒng)的展示應(yīng)用做好技術(shù)準(zhǔn)備；主要負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)的智能分體任務(wù)，即在三維數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提取建筑、地面、樹木、道路等單體信息，通過智能分體技術(shù)處理后的數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)解析、高度提取、光譜提取、二值化處理后最終流向應(yīng)用層。應(yīng)用層可依據(jù)用戶需求靈活搭建，可實(shí)現(xiàn)三維情景展示、漫游、分類控制、屬性關(guān)聯(lián)、三維分析等功能。在此基礎(chǔ)上疊加規(guī)劃、地籍、安防等具體需求，可開發(fā)具體的業(yè)務(wù)系統(tǒng)。City Clipper系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 City Clipper系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖

系統(tǒng)采用的技術(shù)體系為：語言/開發(fā)框架：C++；核心底層庫：OSG、GDAL/OGR、OpenGL；核心插件/擴(kuò)展：OSGEarth、VPB、LibCurl；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)：PostgreSQL+PostGIS。

3 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

3.1 數(shù)據(jù)解析模塊

將現(xiàn)有基于傾斜攝影測(cè)量的自動(dòng)三維建模成果，包括osg、osgx、osgt、live、obj等三維數(shù)據(jù)統(tǒng)一為osgb格式；再將轉(zhuǎn)換后的osgb數(shù)據(jù)解析為幾何信息與紋理信息，如TIN、點(diǎn)云等，同時(shí)解析出幾何信息與紋理信息的對(duì)應(yīng)關(guān)系，為單體分類作準(zhǔn)備。

3.2 智能分體模塊

該模塊主要通過建立高度和光譜規(guī)則算法庫來區(qū)分地物和地類，從背景信息中提取建筑信息，同時(shí)對(duì)植被、道路等興趣地物進(jìn)行判別。

3.2.1 高度判別

利用高度區(qū)分整個(gè)城區(qū)模型中的建筑與非建筑區(qū)域，并自動(dòng)對(duì)建筑區(qū)域進(jìn)行單體分離，實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑單體模型的自動(dòng)提取。將初步解析的數(shù)據(jù)結(jié)合中心城區(qū)建筑高度控制導(dǎo)則進(jìn)行深度解析，自動(dòng)確定模型數(shù)據(jù)的建筑高度分界點(diǎn)；再利用建筑高度分界點(diǎn)對(duì)模型數(shù)據(jù)中的幾何數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，若幾何數(shù)據(jù)高于建筑高度分界點(diǎn)，則將該點(diǎn)視為建筑點(diǎn)，并保存該幾何數(shù)據(jù)。建筑模型的建立是基于同一時(shí)相航飛測(cè)量結(jié)果的，避免了人工建模時(shí)精度參差不齊的缺點(diǎn)。將經(jīng)過判斷的幾何數(shù)據(jù)進(jìn)行二值化處理，具體過程為：首先將TIN中三角形投影成二維平面，取3個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)的平均高程值Z作為判別標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)平均高程值大于等于幾何數(shù)據(jù)高程值時(shí)（Z≥N），則將三角形內(nèi)柵格像元值均賦為1，而Z＜N時(shí)將像元值賦為0，由此可得到二維的二值柵格圖像；再將二值柵格圖像矢量化，根據(jù)矢量數(shù)據(jù)中多邊形或圖斑面積的大小去除噪點(diǎn)。利用二值化后的幾何數(shù)據(jù)對(duì)初步解析后的模型數(shù)據(jù)進(jìn)行再判讀，若點(diǎn)坐標(biāo)為建筑數(shù)據(jù)，則保存該坐標(biāo)點(diǎn)及其紋理數(shù)據(jù)，否則將其刪除。

3.2.2 光譜判別

根據(jù)光譜特征，對(duì)影像數(shù)據(jù)進(jìn)行地物判別，可迅速識(shí)別影像中的綠樹，并生成屬性值為0和1的二值柵格圖像。對(duì)上述二值柵格圖像進(jìn)行矢量轉(zhuǎn)換，將其轉(zhuǎn)為矢量數(shù)據(jù)，并根據(jù)面積大小進(jìn)行去噪。

3.2.3 模型分類

將高度判別方法和光譜判別方法提取的地物范圍矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行屬性合并，生成的圖斑屬性為11、10、01、00。高度判別結(jié)果和光譜判別結(jié)果同為1表示像元為高樹；二者同為0表示為道路或平地；高度判別結(jié)果為1，光譜判別結(jié)果為0表示建筑；高度判別結(jié)果為0，光譜判別結(jié)果為1表示地表綠地；即屬性11表示樹、00表示平地或路、10表示建筑、01表示地表植被。

將紋理數(shù)據(jù)所包含的光譜信息與植被在紋理數(shù)據(jù)的光譜分布相結(jié)合，對(duì)紋理數(shù)據(jù)中的植被信息進(jìn)行提取。將紋理數(shù)據(jù)中提取出的植被信息與非植被信息進(jìn)行二值化處理，對(duì)非植被的紋理數(shù)據(jù)進(jìn)行刪除，對(duì)包含植被信息的紋理數(shù)據(jù)進(jìn)行保存。依據(jù)初步解析中幾何數(shù)據(jù)與紋理數(shù)據(jù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，將紋理數(shù)據(jù)映射到幾何數(shù)據(jù)，再根據(jù)保存的植被紋理數(shù)據(jù)提取幾何數(shù)據(jù)中的植被信息。將提取植被后的幾何數(shù)據(jù)進(jìn)行二值化處理，判斷幾何數(shù)據(jù)是否為植被，若幾何數(shù)據(jù)為植被，則存儲(chǔ)幾何數(shù)據(jù)；若為非植被，則刪除幾何數(shù)據(jù)。模型分類過程如圖2所示。

圖2 模型分類過程

3.2.4 單體自動(dòng)編號(hào)

按照順序?qū)?jīng)過模型分類的矢量數(shù)據(jù)的每個(gè)圖斑進(jìn)行ID自動(dòng)編碼，如圖3所示。由此，每個(gè)圖斑包含兩個(gè)必要信息：ID和分類屬性。

3.2.5 三角形分體及TIN優(yōu)化

判斷三角形3個(gè)頂點(diǎn)是否落在某個(gè)多邊形內(nèi)，將多邊形ID和分類信息賦予所有在此多邊形內(nèi)的三角形，見圖4。由此，每個(gè)TIN中三角形得到兩個(gè)屬性信息：①每個(gè)三角形屬于道路、建筑、樹木、平地的分類信息；②每個(gè)三角形屬于哪個(gè)多邊形的唯一標(biāo)識(shí)ID。對(duì)同一個(gè)建筑（具有相同ID）的TIN按照一定條件進(jìn)行合并，如對(duì)具有相鄰公共邊且方向角差異小于某閾值（170～190°）的三角形進(jìn)行合并優(yōu)化，重新構(gòu)建TIN。

圖3 單體自動(dòng)編號(hào)

圖 4 三角形分體

4 結(jié) 語

City Clipper系統(tǒng)以A3傾斜攝影測(cè)量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過建立高度和光譜規(guī)則算法庫以區(qū)分地物和地類，從背景信息中提取建筑信息，同時(shí)對(duì)植被、道路等興趣地物進(jìn)行判別，實(shí)現(xiàn)了對(duì)城市建筑的三維自動(dòng)分體，彌補(bǔ)了mesh三維模型應(yīng)用無法對(duì)單個(gè)建筑進(jìn)行編輯的弊端。系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：①生產(chǎn)效率高。系統(tǒng)打破了傳統(tǒng)三維場(chǎng)景“三步走”的復(fù)雜制作流程，直接由mesh三維模型分離出建筑單體模型，自動(dòng)化程度高，縮短了三維場(chǎng)景的更新周期，提高了三維數(shù)據(jù)的生產(chǎn)效率。②產(chǎn)品精度高。城市mesh三維模型建立基于同一時(shí)相的航飛測(cè)量結(jié)果，建筑單體提取方式基于同種算法規(guī)則，整個(gè)作業(yè)流程幾乎無需人工干預(yù)，避免了人工建立建筑單體模型過于虛假的問題和人為主觀因素造成的模型精度參差不齊。③應(yīng)用范圍廣泛。City Clipper系統(tǒng)能為智慧城市的建設(shè)提供有力的數(shù)據(jù)保障，可以應(yīng)用在城市規(guī)劃、土管、安防等多個(gè)領(lǐng)域，具有重大的社會(huì)價(jià)值。④經(jīng)濟(jì)效益可觀。系統(tǒng)作為智慧城市三維建模的關(guān)鍵技術(shù)，可為目前市場(chǎng)上眾多的mesh模型單體化提取提供服務(wù)，承接相關(guān)項(xiàng)目，創(chuàng)造可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

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B

1672-4623（2017）07-0031-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2017.07.009

黃瑤，碩士研究生，工程師，主要研究方向?yàn)閿z影測(cè)量與遙感。

2016-04-08。

項(xiàng)目來源：天津科技計(jì)劃資助項(xiàng)目（14ZCZDGX00024、14ZCDZGX00830）。（*為通訊作者）