覃雪梅，王偉立，賈偉定，姚鵬，魏致富

（1.武漢市測(cè)繪研究院，湖北 武漢 430022；2.湖北曉雲(yún)科技有限公司，湖北 武漢 430014）

1 項(xiàng)目要求和研究意義

崇陽(yáng)縣位于湖北省咸寧市西南部，居湘、鄂、贛三省交界處。本文制作了崇陽(yáng)縣城區(qū)的三維數(shù)字模型，總面積為14 km2，空間基準(zhǔn)采用2000國(guó)家大地坐標(biāo)系（CGCS2000），高程基準(zhǔn)采用1985國(guó)家高程基準(zhǔn)。新型城鎮(zhèn)化的規(guī)劃、建設(shè)和管理都依賴(lài)于精度高、現(xiàn)勢(shì)性好的地理信息數(shù)據(jù)。三維模型是城鎮(zhèn)規(guī)劃的科學(xué)依據(jù)，可使規(guī)劃更具前瞻性，有利于完成城市災(zāi)害事件、突發(fā)事件的動(dòng)態(tài)模擬，實(shí)現(xiàn)城市各類(lèi)信息的可視化查詢，為政府管理和服務(wù)城市提供決策；有利于研究城市環(huán)境動(dòng)態(tài)變化。

2 主要作業(yè)流程

本文主要利用運(yùn)-5飛機(jī)平臺(tái)和SWDC-5AP100傾斜攝影系統(tǒng)獲取數(shù)據(jù)；采用傾斜相機(jī)正拍的數(shù)字影像數(shù)據(jù)制作DEM和DOM，并構(gòu)建地形模型，利用傾斜影像和正拍影像制作三維白模；利用機(jī)載傾斜影像技術(shù)獲取建筑實(shí)景紋理影像，利用實(shí)景紋理影像進(jìn)行三維模型貼圖，制作三維景觀模型[1]；根據(jù)建筑物底商（商業(yè)門(mén)面）和底部結(jié)構(gòu)，配合地面補(bǔ)拍影像作為建筑物紋理?？傮w技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 總體技術(shù)路線圖

3 地形模型和DOM生產(chǎn)

本文利用傾斜影像數(shù)據(jù)制作地形模型，具體流程為：①模型定向；②采集特征點(diǎn)、線；③構(gòu)建TIN；④內(nèi)插粗間距的DEM；⑤編輯粗格網(wǎng)的DEM；⑥重新構(gòu)建TIN網(wǎng)；⑦內(nèi)插成果格網(wǎng)的DEM；⑧編輯成果格網(wǎng)的DEM；⑨DEM接邊；⑩DEM裁切。利用上述已完成的DEM數(shù)據(jù)，生產(chǎn)DOM數(shù)據(jù)[2]。

4 實(shí)體模型生產(chǎn)

4.1 建筑模型生產(chǎn)

4.1.1 白模制作

在立體像對(duì)中采集得到帶正確高程的房頂輪廓面，通過(guò)DTM采集方法獲取DEM，通過(guò)房頂輪廓線到DEM的距離判斷房屋高度，然后將房頂輪廓面下拉成實(shí)體落到DEM上，從而得到白模數(shù)據(jù)。

1）采集房頂輪廓。通過(guò)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)中的DLG獲取建筑輪廓；利用空三成果在采集軟件中恢復(fù)立體像對(duì)，通過(guò)立體像對(duì)獲取建筑的準(zhǔn)確高度，平頂房屋為到屋頂?shù)母叨?，尖頂房屋為到尖頂結(jié)構(gòu)底部屋檐的高度；將各建筑的高程附加到建筑的輪廓面中，得到帶高程的房頂輪廓面數(shù)據(jù)。

2）采集房脊線。通過(guò)立體像對(duì)獲取尖頂房屋的準(zhǔn)確房脊線輪廓；通過(guò)立體像對(duì)獲取房脊線的準(zhǔn)確高程；將各房脊線的高程附加到各房脊輪廓線上，得到帶準(zhǔn)確高程的房脊線數(shù)據(jù)。

3）生成格網(wǎng)DEM。由TIN數(shù)據(jù)內(nèi)插生成規(guī)則格網(wǎng)的DEM（GRID）數(shù)據(jù)，編輯形成DEM成果[3]。

4）生成實(shí)體模型。根據(jù)房頂輪廓面到DEM的距離得到房屋高度，批量將房頂輪廓面下拉成實(shí)體，落到房屋面正下方DEM的最低點(diǎn)，得到建筑的實(shí)體模型。

5）制作白模數(shù)據(jù)。將自動(dòng)生成的實(shí)體模型導(dǎo)入3ds Max中進(jìn)行刪除地面、根據(jù)房脊線添加房脊結(jié)構(gòu)、制作特殊結(jié)構(gòu)等操作，得到最終的白模數(shù)據(jù)，如圖2所示。

圖2 白模數(shù)據(jù)成果示例

4.1.2 傾斜影像貼圖

航飛傾斜影像具有視域廣、紋理真實(shí)的優(yōu)點(diǎn)，能很好地表現(xiàn)建筑的上層結(jié)構(gòu)，還原建筑真實(shí)現(xiàn)狀。傾斜影像貼圖工藝流程[4]如圖3所示。

圖3 傾斜影像貼圖流程圖

1）傾斜影像定向。航空傾斜影像采集時(shí)，POS數(shù)據(jù)將同步記錄傾斜相機(jī)的空間位置，從而計(jì)算影像的初始外方位元素。需要通過(guò)傾斜影像定向進(jìn)一步確定影像的空間位置和空間姿態(tài)，才能滿足傾斜影像貼圖要求。傾斜影像定向利用空三成果進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，得到與模型坐標(biāo)系相同的空間坐標(biāo)信息，以便后續(xù)進(jìn)行模型貼圖工作。

2）傾斜影像貼圖。利用軟件將同一區(qū)的模型和傾斜影像數(shù)據(jù)統(tǒng)一讀入軟件進(jìn)行貼圖作業(yè)。軟件能從海量?jī)A斜影像中快速搜索到模型面對(duì)應(yīng)的最佳貼圖，并自動(dòng)提取貼圖，如圖4、5所示。

圖4 傾斜影像貼圖

圖5 實(shí)景模型效果圖

4.1.3 地上貼圖

模型頂部和側(cè)面均需進(jìn)行貼圖。建筑頂部和側(cè)面主要采用傾斜影像貼圖，需對(duì)遮擋較嚴(yán)重的密集建筑區(qū)域進(jìn)行人工補(bǔ)拍，并采用補(bǔ)拍影像貼圖[5]。地面紋理采取人工方式獲取，作業(yè)靈活，能獲取更詳細(xì)的建筑影像。實(shí)景城市精細(xì)模型采取結(jié)合二者優(yōu)勢(shì)的方式，對(duì)重點(diǎn)和重要街區(qū)沿街建筑采用地面補(bǔ)拍的方式進(jìn)行模型制作。

1）地面影像處理。后期獲取的地面影像存在非建筑元素信息、影像透視、遮擋和明暗等問(wèn)題，無(wú)法直接使用，需經(jīng)過(guò)處理后才能用于地面紋理貼圖。①畸變校正，為消除因鏡頭影像畸變和拍攝角度產(chǎn)生的角度偏差，需對(duì)獲取的地面拍攝影像進(jìn)行畸變糾正，糾正后的影像能真實(shí)反映建筑的垂直關(guān)系?；冃Ｕ饕赑hotoshop軟件，利用變形校正工具以及水平、垂直輔助參考線進(jìn)行校正。校正后的影像垂直、水平關(guān)系正確，無(wú)角度、扭曲現(xiàn)象。②影像畫(huà)面處理，影像中若存在人、車(chē)或其他非建筑影像，會(huì)對(duì)建筑的效果表現(xiàn)造成極大影響，通常完成畸變校正后利用Photoshop對(duì)影像進(jìn)行修整，去除影像附帶的人像等。修整影像應(yīng)除去非建筑要素、保留建筑要素，以還原建筑原貌為主要標(biāo)準(zhǔn)，不能處理得過(guò)新、過(guò)假。修整影像時(shí)將一并處理門(mén)店上方的廣告牌。對(duì)于單獨(dú)或懸立的廣告牌，需單獨(dú)進(jìn)行摳像，處理影像畸變和修整，如圖6所示；對(duì)于樓宇附帶的字牌，采用透明貼圖進(jìn)行處理，保證與原始建筑表現(xiàn)一致，透明貼圖保存為tga格式。③影像拼合，修整后的影像只是建筑物底商（商業(yè)門(mén)面）或底部結(jié)構(gòu)的部分紋理，單獨(dú)進(jìn)行貼圖作業(yè)無(wú)法對(duì)紋理進(jìn)行精確定位，通常需對(duì)修整后的影像進(jìn)行拼合，得到與模型表面尺寸對(duì)應(yīng)的整體紋理，進(jìn)行統(tǒng)一貼圖，為模型的細(xì)化提供位置支持。影像位置匹配正確后，不能立即進(jìn)行圖層合并，應(yīng)統(tǒng)一對(duì)同一模型面的紋理進(jìn)行調(diào)色，保證同一模型表面色彩協(xié)調(diào)，光影關(guān)系正確；且需要調(diào)整地面影像紋理與傾斜影像紋理，確保兩種影像紋理色調(diào)協(xié)調(diào)，影像間過(guò)渡自然。④貼圖尺寸與格式，完成圖層合并后，需對(duì)影像尺寸進(jìn)行調(diào)整，一般將圖像長(zhǎng)寬調(diào)整為2n×2n。數(shù)值確定參照影像的比例關(guān)系，遵循就近原則。貼圖最大尺寸不超過(guò)1 024×1 024；地面影像紋理統(tǒng)一保存為jpeg（jpg）格式，圖像保存品質(zhì)為10（最佳）；命名參照貼圖命名規(guī)則，順序排列。⑤紋理貼圖，根據(jù)貼圖后的效果調(diào)整地面影像，調(diào)整影像時(shí)依據(jù)建筑附帶的光影信息，且底商（商業(yè)門(mén)面）紋理亮度不能過(guò)高，以免造成建筑光影錯(cuò)位。模型作業(yè)完成后需對(duì)模型進(jìn)行統(tǒng)一渲染與烘焙，協(xié)調(diào)模型效果，減少貼圖數(shù)量，本文中烘焙后的紋理貼圖尺寸統(tǒng)一為1 024×1 024（最佳）。

圖6 單獨(dú)廣告牌影像畸變處理和修整

2）建筑模型制作。①地面紋理貼圖，在重點(diǎn)的沿街區(qū)域或商業(yè)建筑區(qū)，為更好地展示沿街景觀，利用地面補(bǔ)拍影像依照傾斜影像反映的建筑底部細(xì)節(jié)表現(xiàn)來(lái)替換原有的傾斜影像紋理。②底部結(jié)構(gòu)細(xì)化，地面影像貼圖作業(yè)后，底部結(jié)構(gòu)仍不足以表現(xiàn)建筑細(xì)節(jié)，需進(jìn)一步對(duì)建筑底部進(jìn)行細(xì)化作業(yè)。細(xì)化作業(yè)通常采用3ds Max中的多邊形修改工具，根據(jù)底部貼圖表現(xiàn)的建筑結(jié)構(gòu)關(guān)系，利用模型表現(xiàn)底層建筑的門(mén)廳、廊檐、玻璃雨棚、階梯等建筑的進(jìn)退關(guān)系。建筑底層結(jié)構(gòu)細(xì)化時(shí)需考慮與上層的銜接，重點(diǎn)建筑需注意建筑與地形的過(guò)渡問(wèn)題。③廣告牌制作，一樓底商（商業(yè)門(mén)面）與主體建筑之間的分界線，應(yīng)與廣告牌頂部齊平，若在建筑的轉(zhuǎn)角處有明顯的樓層分界線或貼圖間不銜接的問(wèn)題，可通過(guò)調(diào)節(jié)廣告牌大小與高度來(lái)遮蓋接縫的過(guò)渡問(wèn)題。與建筑物底商（商業(yè)門(mén)面）墻體一體的廣告牌，通常采用地面影像進(jìn)行表現(xiàn)；獨(dú)立廣告牌或凸出建筑立面較多的廣告牌需利用模型進(jìn)行表現(xiàn)。④細(xì)節(jié)優(yōu)化，完成模型制作和貼圖后，需對(duì)模型的拐角接縫、面數(shù)等進(jìn)行優(yōu)化，在確保不損失模型效果的前提下，優(yōu)化模型數(shù)據(jù)量。

4.2 交通模型生產(chǎn)[6]

交通模型包括路面、道路中央綠化隔離帶、道路標(biāo)線、交通標(biāo)線、標(biāo)識(shí)、人行橋、車(chē)行橋、立交橋、轉(zhuǎn)盤(pán)及其附屬結(jié)構(gòu)、鐵路、輕軌等。道路、路面和人行道紋理采用傾斜紋理制作，需完整、準(zhǔn)確地展示路口的交通標(biāo)線（必要時(shí)需進(jìn)行實(shí)地拍照）。道路、路面和人行道上不允許出現(xiàn)建筑紋理壓蓋。高架橋需重新制作模型進(jìn)行表達(dá)。

4.3 植被模型生產(chǎn)

植被均應(yīng)在地表模型中表現(xiàn)。景觀樹(shù)采用三維模型樹(shù)表現(xiàn)，貼圖顏色應(yīng)真實(shí)自然，既要體現(xiàn)植物由于枝葉生長(zhǎng)和陰影變化而形成的體積層次感，又要做到形態(tài)均衡、完整協(xié)調(diào)，通過(guò)貼圖的修整能表現(xiàn)枝葉的疏密和透氣性。綠化樹(shù)（含堤岸樹(shù)、成片的樹(shù)林）、行道樹(shù)或重點(diǎn)區(qū)域的樹(shù)木采用模型樹(shù)表現(xiàn)，要求樹(shù)木種類(lèi)一致、密度適中，樹(shù)木姿態(tài)、樹(shù)冠大小、樹(shù)冠顏色有變化，高低錯(cuò)落，形態(tài)美觀。古樹(shù)名木需按照實(shí)際尺寸、樹(shù)種、位置、形態(tài)制作模型樹(shù)，應(yīng)保證與現(xiàn)狀樹(shù)木的較高相似度?；▔幸跃哂幸欢ㄩg距的單簇花為主花圃灌木，采用十字交叉面片紋理雙面貼圖，成片的形狀花壇可擠出主體結(jié)構(gòu)貼上紋理，紋理的形態(tài)色調(diào)應(yīng)與實(shí)地相似。

4.4 其他模型生產(chǎn)

交通標(biāo)志牌需參考傾斜影像制作，當(dāng)被嚴(yán)重遮擋時(shí)需外業(yè)實(shí)際調(diào)查。交通標(biāo)志信息需與實(shí)際信息一致，其平面位置參考現(xiàn)場(chǎng)照片，擺放合理，精度不做量化要求。

5 精度評(píng)定

本文主要通過(guò)人機(jī)交互的檢查方法，將生產(chǎn)的三維模型產(chǎn)品與該區(qū)域1∶1 000地形圖進(jìn)行坐標(biāo)比對(duì)，從而檢測(cè)三維模型的平面點(diǎn)位精度情況[7]。整個(gè)測(cè)區(qū)每種類(lèi)型的模型均抽查了15個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，其中平面和高程精度中誤差均按計(jì)算。檢驗(yàn)結(jié)果如表1所示，可以看出，三維模型的點(diǎn)位精度符合該項(xiàng)目的精度要求。

表1 三維模型精度/m