摘要：為了解決實(shí)景三維模型中的建筑物可以單獨(dú)選擇的問(wèn)題，文章提出采用模型重構(gòu)的方式進(jìn)行建筑物單體化模型的制作，并基于補(bǔ)拍的照片完成模型高分辨率紋理的貼圖。文章首先對(duì)單體化建模技術(shù)展開探討，介紹了傾斜攝影技術(shù)和地面補(bǔ)攝影像采集技術(shù)，對(duì)兩種數(shù)據(jù)源融合建模流程進(jìn)行了介紹，其次將傾斜攝影影像和地面補(bǔ)攝的影像融合用于實(shí)景三維模型生產(chǎn)，并采用SVSmodeler軟件制作建筑單體化模型，得到了結(jié)構(gòu)完整、紋理貼圖完整的單體化建模成果。最后將單體化模型成果和優(yōu)化后的三維模型場(chǎng)景融合，得到了高質(zhì)量模型成果。文章的研究可以為建筑單體化模型的制作帶來(lái)借鑒。

關(guān)鍵詞：無(wú)人機(jī)；傾斜攝影；建筑單體化；單體化模型；實(shí)景三維模型

中圖分類號(hào)：P231 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2025）01-0130-03 開放科學(xué)（資源服務(wù)） 標(biāo)識(shí)碼（OSID） ：

0 引言

實(shí)景三維中國(guó)建設(shè)項(xiàng)目、數(shù)字孿生項(xiàng)目中都要求對(duì)建筑物可以單獨(dú)選擇，并對(duì)其進(jìn)行屬性查詢等操作，然而基于連續(xù)三角網(wǎng)構(gòu)建的實(shí)景三維模型，是表皮模型，無(wú)法對(duì)其中的建筑物進(jìn)行單獨(dú)選擇。為解決這一問(wèn)題，很多學(xué)者對(duì)單體化模型的制作展開了研究。錢少華[1]等人對(duì)比分析了三種單體化技術(shù)，并以DP-Modeler為單體化平臺(tái)，講解了單體化模型的制作流程，并沒(méi)有對(duì)單體化貼圖展開深入研究。尹長(zhǎng)林[2]等人首先通過(guò)格網(wǎng)模型水平切割的方式獲取不同高度的建筑物投影，然后按照幾何相似性算法對(duì)建筑物的邊界進(jìn)行提取，從而實(shí)現(xiàn)建筑物的單體化。趙偉山[3]等人提出將傾斜攝影影像和近景攝影影像相結(jié)合進(jìn)行三維模型的生產(chǎn)，然后進(jìn)行單體化制作，然而基于無(wú)人機(jī)的近景攝影在城市區(qū)域操作難度較大，成本較高。鄭月[4]等人以Context Capture和DP-Modeler軟件為例，對(duì)傾斜攝影自動(dòng)化三維模型構(gòu)建和單體化模型構(gòu)建進(jìn)行了講解，并未對(duì)航攝盲區(qū)單體化紋理的處理進(jìn)行說(shuō)明。褚寧[5]等人提出采用三維環(huán)繞式航線設(shè)計(jì)方案，并對(duì)每個(gè)建筑物的點(diǎn)云進(jìn)行切割，經(jīng)過(guò)濾波等操作，然后基于剩余點(diǎn)云構(gòu)建三角網(wǎng)，從而形成單體化模型成果。陳欣[6]介紹了四種單體化技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，并針對(duì)單體化概念提出房屋分層分戶單體化的作業(yè)流程，取得了較好的效果，但是未解決航攝盲區(qū)建筑變形及紋理錯(cuò)誤的問(wèn)題。周憲[7]等人提出利用已有地形圖數(shù)據(jù)完成建筑物單體化模型的快速制作，然而地形圖精度現(xiàn)勢(shì)性較差，且精度無(wú)法滿足實(shí)景三維中國(guó)、數(shù)字孿生等項(xiàng)目的要求。基于已有學(xué)者研究的成果，研究者提出將地面補(bǔ)攝技術(shù)和傾斜攝影技術(shù)相結(jié)合用于實(shí)景三維模型的生產(chǎn)，然后利用SVSmodeler軟件對(duì)建筑物進(jìn)行單體化制作，基于重建的立體模型像對(duì)完成紋理的貼圖映射，聯(lián)動(dòng)Photoshop軟件完成紋理的編輯修飾，得到了貼圖更加真實(shí)的單體化三維模型成果，最后將單體化成果與處理后的場(chǎng)景融合，得到了高質(zhì)量實(shí)景三維模型成果。文章的研究可以為實(shí)景三維中國(guó)、數(shù)字孿生項(xiàng)目中單體化模型的制作帶來(lái)借鑒。

1 單體化模型建模技術(shù)

單體化就是指采用一定的方式，將目標(biāo)物從原有場(chǎng)景中“分離”出來(lái)，從而可以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)物的單獨(dú)選中，并可以對(duì)其屬性等信息進(jìn)行查詢。目前單體化技術(shù)主要分為兩大類，即假單體化和真單體化。假單體化就是可以對(duì)目標(biāo)物進(jìn)行單獨(dú)選中，但是目標(biāo)物并不真實(shí)存在，只是按照一定的方式可以呈現(xiàn)出來(lái)，這種單體化方式主要有ID單體化和動(dòng)態(tài)單體化。真單體化是指目標(biāo)物是真實(shí)存在的，可以單獨(dú)作為一個(gè)成果進(jìn)行保存，是真實(shí)存在的數(shù)據(jù)，這種單體化方式主要有切割單體化和模型重構(gòu)單體化兩種。本文主要研究真單體化技術(shù)中的模型重構(gòu)單體化，即利用實(shí)景三維模型成果或重建的立體像對(duì)模型成果，采集得到建筑物的結(jié)構(gòu)，按照由點(diǎn)到線再到面的方式，制作得到單體化模型的整體結(jié)構(gòu)，然后基于紋理的映射與編輯，得到帶有符合實(shí)際現(xiàn)狀紋理的建筑單體化模型成果。

2 傾斜攝影影像采集技術(shù)

傾斜攝影影像采集是指在飛行平臺(tái)上掛載多鏡頭航攝儀，安裝全球定位系統(tǒng)和慣性測(cè)量裝置，在空中按照等間隔或等距離的方式曝光采集地面上的影像數(shù)據(jù)，并利用安裝的設(shè)備記錄下相機(jī)曝光瞬間的位置和姿態(tài)。目前常見(jiàn)的傾斜航攝儀以5個(gè)鏡頭較多，5 個(gè)鏡頭航攝儀采集影像示意圖如圖1所示。

傾斜攝影是從空中對(duì)地面進(jìn)行影像數(shù)據(jù)的采集，對(duì)于建筑密集區(qū)域，伸出的屋檐，門廳下面，采用傾斜攝影技術(shù)是無(wú)法采集到有效影像的，在航攝中屬于航攝盲區(qū)，這部分區(qū)域在后期模型重建時(shí)，會(huì)出現(xiàn)建筑物結(jié)構(gòu)變形拉花問(wèn)題，因此需要對(duì)此進(jìn)行處理。

3 地面補(bǔ)攝影像采集技術(shù)

地面補(bǔ)攝影像采集，是指在地面上利用相機(jī)對(duì)目標(biāo)物進(jìn)行采集，用來(lái)解決傾斜攝影航攝盲區(qū)問(wèn)題。地面影像數(shù)據(jù)在采集的時(shí)候，不但要考慮影像的重疊度，還要考慮相機(jī)的焦距，采集得到的影像的分辨率等。在采集影像時(shí)，需要使用專門的三腳架，將相機(jī)安置在三腳架上對(duì)目標(biāo)進(jìn)行采集。因?yàn)榈孛嫜a(bǔ)拍的影像，通常是沒(méi)有POS數(shù)據(jù)的，因此照片之間的位置屬于相對(duì)關(guān)系，而且后期要和傾斜攝影影像融合，因此需要控制點(diǎn)對(duì)補(bǔ)攝采集的影像位置進(jìn)行糾正。對(duì)于數(shù)據(jù)解算來(lái)說(shuō)，影像的分辨率要盡可能一致，當(dāng)分辨率差異大時(shí)，低分辨率影像匹配的點(diǎn)就會(huì)被當(dāng)作誤差點(diǎn)自動(dòng)剔除，從而導(dǎo)致低分辨率影像不能參與運(yùn)算。對(duì)于地面補(bǔ)攝的影像，首先將控制點(diǎn)坐標(biāo)平移到原點(diǎn)坐標(biāo)處，在補(bǔ)拍的影像上加完控制點(diǎn)，然后平差調(diào)整后，再將控制點(diǎn)坐標(biāo)改為真實(shí)坐標(biāo)，再次進(jìn)行平差調(diào)整，作為最終成果，和傾斜攝影影像數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，從而保證后期模型數(shù)據(jù)不會(huì)出現(xiàn)“兩張皮”問(wèn)題。

4 應(yīng)用實(shí)例

某城區(qū)要進(jìn)行實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)的生產(chǎn)，并且要對(duì)建筑物進(jìn)行單體化處理。筆者在對(duì)項(xiàng)目需求分析后，提出采用傾斜攝影和地面補(bǔ)攝的方式采集影像數(shù)據(jù)，然后基于瞰景Smart3D軟件，對(duì)兩套數(shù)據(jù)分別進(jìn)行空三解算，隨后通過(guò)轉(zhuǎn)刺控制點(diǎn)，對(duì)兩套數(shù)據(jù)的絕對(duì)精度進(jìn)行調(diào)整，待兩套數(shù)據(jù)控制點(diǎn)三維誤差均小于0.001m后，將兩套數(shù)據(jù)合并，再次對(duì)包含公共控制點(diǎn)的影像進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)刺，然后再次平差調(diào)整，得到融合后的空中三角測(cè)量解算成果?；谠摽杖晒瓿蓪?shí)景三維模型數(shù)據(jù)的生產(chǎn)。如圖2所示，其中圖2（a） 是傾斜攝影方式生產(chǎn)的模型成果，圖2（b） 是基于傾斜攝影和地面補(bǔ)攝方式生產(chǎn)的實(shí)景三維模型成果。

4.1 基于SVSmodeler 軟件的單體化模型制作

基于SVSmodeler軟件的單體化模型制作主要包括單體化工程的創(chuàng)建、建筑物結(jié)構(gòu)的制作和紋理的映射編輯。

4.1.1 單體化工程的創(chuàng)建

單體化工程創(chuàng)建需要的數(shù)據(jù)有OSGB格式的實(shí)景三維模型成果，無(wú)畸變影像和空三加密成果。首先創(chuàng)建空工程，然后加載模型數(shù)據(jù)，影像數(shù)據(jù)和空三成果，并對(duì)空三成果中的影像路徑進(jìn)行修改，確保影像可以正常訪問(wèn)到，路徑改好后，創(chuàng)建影像金字塔，完成單體化工程的創(chuàng)建。

4.1.2 建筑物結(jié)構(gòu)的制作

建筑物的結(jié)構(gòu)制作主要包含三部分內(nèi)容，分別是建筑物底面輪廓提取、建筑物主體結(jié)構(gòu)制作和建筑物附屬物制作。首先通過(guò)創(chuàng)建的立體模型像對(duì)，采集建筑物主體的輪廓線，作為建筑物的底面，其次以底面為基準(zhǔn)，通過(guò)拉伸、擠壓等操作得到建筑物的主體結(jié)構(gòu)，最后對(duì)附屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行制作。附屬結(jié)構(gòu)一般都比較復(fù)雜，在制作的時(shí)候，由簡(jiǎn)到難，逐漸制作?；蛘咄ㄟ^(guò)對(duì)附屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行分解，分解為多個(gè)簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，制作完成后，再和主體組合在一起，從而形成一個(gè)完整的建筑物單體化白模。

4.1.3 紋理的映射編輯

基于重建的立體模型像對(duì)，對(duì)單體化白模進(jìn)行紋理的映射。單體化白模具有真實(shí)的地理坐標(biāo)，重建的立體像對(duì)也有真實(shí)的地理坐標(biāo)，基于坐標(biāo)位置，完成影像紋理的映射。一般會(huì)匹配較多的紋理，可以人工選擇最優(yōu)的紋理進(jìn)行映射。對(duì)于映射錯(cuò)位等與實(shí)際不符的紋理，聯(lián)動(dòng)Photoshop軟件，對(duì)紋理進(jìn)行編輯修飾，然后重新映射到模型上。本次作業(yè)中，建筑物上部分紋理主要來(lái)源于傾斜攝影的影像，而建筑物底部的紋理，來(lái)源于地面補(bǔ)攝的影像數(shù)據(jù)。紋理映射完成后，就得到了最終的建筑物單體化模型成果。

4.2 單體化模型和實(shí)景三維模型場(chǎng)景融合

本次生產(chǎn)的原始實(shí)景三維模型如圖3（a） 所示，制作的建筑單體化模型如圖3（b） 所示，優(yōu)化后的模型場(chǎng)景如圖3（c） 所示，采用模型合并軟件，對(duì)圖3（b） 和圖3（c） 進(jìn)行融合，得到如圖3（d） 所示成果。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)單體化技術(shù)、傾斜攝影技術(shù)和地面補(bǔ)攝影像采集技術(shù)進(jìn)行了介紹，并將傾斜攝影技術(shù)和地面補(bǔ)攝技術(shù)相結(jié)合，用于實(shí)際作業(yè)項(xiàng)目中，得到了結(jié)構(gòu)更加完整的實(shí)景三維模型成果?；凇耙粡埰ぁ蹦Ｐ椭锌床恢杏玫膯?wèn)題，采用SVSmodeler軟件對(duì)建筑物進(jìn)行了單體化，利用兩種數(shù)據(jù)源進(jìn)行紋理貼圖，得到了高質(zhì)量單體化模型成果。并且和實(shí)景三維場(chǎng)景融合，得到了融合后的模型成果。本文的研究可以為建筑單體化和高質(zhì)量模型數(shù)據(jù)制作的同行提供參考。

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【通聯(lián)編輯：梁書】