摘要：基于傾斜攝影方式生產(chǎn)的實(shí)景三維模型一般存在水面破損、圍墻和女兒墻孔洞、建筑物底部扭曲變形、路燈和樹木懸浮物等問題，針對(duì)上述問題，文章提出了一種結(jié)合模型修飾和單體化技術(shù)的精細(xì)化模型制作方法。文章首先對(duì)模型修飾技術(shù)和單體化技術(shù)進(jìn)行了介紹，其次對(duì)兩種技術(shù)用于精細(xì)化模型制作中的流程進(jìn)行了說明，最后以實(shí)際項(xiàng)目為例，探討了兩種技術(shù)在精細(xì)化模型制作中的具體應(yīng)用。研究結(jié)果表明，該方法能夠有效解決水面破損、孔洞、變形、懸浮物等問題，顯著提升模型的精度和視覺效果。該研究可以為精細(xì)化模型的制作提供借鑒。

關(guān)鍵詞：模型修飾；單體化技術(shù)；實(shí)景三維模型；精細(xì)化模型；三維模型重構(gòu)；紋理優(yōu)化

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

文章編號(hào)：1009-3044（2025）21-0091-04

開放科學(xué)（資源服務(wù)） 標(biāo)識(shí)碼（OSID）

0 引言

近年來，利用無人機(jī)傾斜攝影方式生產(chǎn)實(shí)景三維模型（下文統(tǒng)稱為模型） ，已成為模型制作的主要方式[1-2]。無人機(jī)通過搭載多鏡頭相機(jī)，從空中采集目標(biāo)地物的多角度影像數(shù)據(jù)，并結(jié)合相機(jī)曝光時(shí)的位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)，對(duì)傾斜影像數(shù)據(jù)進(jìn)行解算，經(jīng)過密集點(diǎn)云匹配、不規(guī)則三角網(wǎng)構(gòu)建等步驟，最終得到模型成果[3]。傾斜攝影較垂直攝影方式，其采集影像的角度更多，采集的影像重疊度更高，信息更加豐富，因此，與垂直攝影相比，傾斜攝影的應(yīng)用更加廣泛。例如，基于傾斜攝影生產(chǎn)的模型可用于房屋高度、面積的量算，以及拆遷項(xiàng)目的成本估算和賠償依據(jù)。此外，模型成果還可應(yīng)用于農(nóng)村房地一體項(xiàng)目，用于生產(chǎn)高精度宗地圖和地籍圖，并基于模型完成指界確權(quán)工作，從而極大地提高了農(nóng)村房地一體確權(quán)登記項(xiàng)目的作業(yè)效率 [4]。雖然模型成果用途很廣，但是模型成果也存在一定的問題。例如模型水面一般會(huì)產(chǎn)生破損的面，也可能出現(xiàn)空洞，水面高程凹凸不平[5]；女兒墻和圍墻一般會(huì)出現(xiàn)小孔洞，影響整體美觀度[6]；建筑物底部扭曲變形，無法準(zhǔn)確呈現(xiàn)原有建筑物結(jié)構(gòu)[7-8]；路燈和樹木懸浮物，使得場(chǎng)景整體美觀度降低[9-10]。本文首先對(duì)模型修飾和單體化技術(shù)進(jìn)行介紹，然后重點(diǎn)探討了兩種方式在精細(xì)化模型制作中的流程，最后將兩種方式用于實(shí)際項(xiàng)目中問題模型的精細(xì)化處理，得到了精細(xì)化模型成果。

1 模型修飾技術(shù)

模型修飾是指基于模型成果，采用編輯紋理和編輯結(jié)構(gòu)的方式，對(duì)問題模型進(jìn)行處理，得到質(zhì)量較高的模型成果。模型修飾技術(shù)主要應(yīng)用于以下幾個(gè)方面：路面的平整處理、懸浮物的刪除、水面空洞的修補(bǔ)、建筑物邊界的拉直等。模型修飾得到的成果和原有場(chǎng)景是一個(gè)整體，三角網(wǎng)都是連續(xù)不斷的。下面對(duì)不同模型修飾技術(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

1.1 路面的平整處理

組成模型的最小單元是三角網(wǎng)，而三角網(wǎng)則由三個(gè)頂點(diǎn)來確定。對(duì)于影像數(shù)據(jù)的解算來說，其主要包括密集的三維點(diǎn)云坐標(biāo)匹配、三角網(wǎng)的構(gòu)建和紋理的映射。對(duì)于道路來說，由于影像匹配的密集點(diǎn)云存在一定的誤差，因此生產(chǎn)的密集點(diǎn)云其高程一般是不等的。在構(gòu)建三角網(wǎng)時(shí)，不同高度的點(diǎn)坐標(biāo)構(gòu)建為同一個(gè)三角網(wǎng)，從而導(dǎo)致最終的道路模型出現(xiàn)凹凸不平的問題，影響模型的視覺質(zhì)量，因此須對(duì)道路進(jìn)行平整處理。道路的平整通常采用壓平的方式進(jìn)行，即選中道路范圍，按照單點(diǎn)或三點(diǎn)的方式，來確定道路壓平后的高程，從而對(duì)選中范圍內(nèi)的三角網(wǎng)進(jìn)行壓平處理。壓平后的三角網(wǎng)頂點(diǎn)高程都是統(tǒng)一值，此時(shí)道路非常平整。該方法適用于比較平坦的道路，對(duì)于高程起伏變化的道路，此方法作業(yè)效率低，整平后的路面容易出現(xiàn)縫隙。

1.2 懸浮物的刪除

懸浮物是指模型成果之外的獨(dú)立的地物，其實(shí)質(zhì)是指懸浮物的三角網(wǎng)已經(jīng)從模型成果中分離出來的，是單獨(dú)存在的，這種問題通常出現(xiàn)在樹木、路燈、指示牌等地物上。在密集點(diǎn)云構(gòu)建三角網(wǎng)的時(shí)候，由于樹木、路燈地物中間部分細(xì)小，匹配得到的點(diǎn)云數(shù)量較少，在生成三角網(wǎng)的時(shí)候，少量點(diǎn)無法滿足三角網(wǎng)構(gòu)建需求，導(dǎo)致構(gòu)建的三角網(wǎng)不連續(xù)，出現(xiàn)斷裂，從而形成懸浮物。懸浮物具有獨(dú)立于模型成果的特點(diǎn)，因此通常采用刪除的方式來對(duì)懸浮物進(jìn)行優(yōu)化處理。即通過不同“體”的形式，將懸浮物包住，然后對(duì)其進(jìn)行一鍵刪除操作。該方法適用于大場(chǎng)景中“脫離”場(chǎng)景地物的刪除，對(duì)于與場(chǎng)景相連的需要?jiǎng)h除的懸浮物，此方法需要過多人工干預(yù)，智能化程度較低。

1.3 水面空洞的修補(bǔ)

水面是一種具有紋理高度相似的地物，目前的同名點(diǎn)匹配算法，尚無法對(duì)水面進(jìn)行高精度解算。在對(duì)水面影像進(jìn)行特征點(diǎn)檢測(cè)與提取的過程中，由于水面紋理相似，因此只能提取少量的特征點(diǎn)，在平差過程中，無法對(duì)同名特征點(diǎn)準(zhǔn)確匹配，導(dǎo)致特征點(diǎn)被軟件當(dāng)作錯(cuò)誤點(diǎn)進(jìn)行自動(dòng)剔除。在匹配密集點(diǎn)云的過程中，由于高度相似性的水面和少量的同名點(diǎn)，無法完成密集點(diǎn)云的匹配，因此在構(gòu)建水面模型時(shí)，點(diǎn)云數(shù)量太少導(dǎo)致水面出現(xiàn)破損問題。水面模型的優(yōu)化一般選用空洞修補(bǔ)的方式。此方法只適用于水面小范圍空洞的修復(fù)，對(duì)于水面存在的大面積空洞問題，需要通過約束建模的方式來完成水面的修復(fù)工作。

1.4 建筑物邊界拉直

一般來說，建筑物都是規(guī)則的矩形組成的，因此其邊界一般是一條直線，但是對(duì)于生產(chǎn)的模型來說，邊界一般會(huì)存在缺失、彎曲問題，因此需要對(duì)建筑物邊界進(jìn)行拉直處理。由于模型是通過三角網(wǎng)組成的，因此在對(duì)建筑物邊界進(jìn)行拉直處理時(shí)，需要選定兩個(gè)點(diǎn)，從而確定拉直后的邊界。在拉直處理的時(shí)候，和直線有關(guān)的三角網(wǎng)，其邊界都會(huì)落到直線上，從而得到邊界規(guī)則的建筑物模型。此方法適用于規(guī)則建筑物邊界的拉直處理，對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、形狀無規(guī)律的建筑物，此方法并不適用。

2 單體化技術(shù)

單體化是指采用某種方式，將研究對(duì)象（如建筑、樹木、路燈） 模型成果從原有模型場(chǎng)景中“分離”出來，形成一個(gè)單獨(dú)的模型成果，便于模型的管理。常見的單體化技術(shù)主要有ID單體化、切割單體化、動(dòng)態(tài)單體化和模型重構(gòu)單體化。下面對(duì)不同單體化方式進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

2.1 ID單體化

該方式是利用三角網(wǎng)頂點(diǎn)中額外的存儲(chǔ)空間，對(duì)組成矢量面的三個(gè)頂點(diǎn)的ID值進(jìn)行存儲(chǔ)。這樣，組成同一個(gè)建筑物的三角網(wǎng)的頂點(diǎn)都存儲(chǔ)相同的ID值。當(dāng)選中該建筑物的任何位置時(shí)，記錄相同ID值的三角網(wǎng)就會(huì)以高亮的形式呈現(xiàn)出來，從而實(shí)現(xiàn)建筑物的單體化。

2.2 切割單體化

該方式是指采用一定的矢量面（可以是建筑物、道路、樹木等對(duì)應(yīng)的矢量面） ，對(duì)模型從物理層面上進(jìn)行切割，即將原有三角網(wǎng)分割開，從而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)物脫離原有場(chǎng)景的目的。

2.3 動(dòng)態(tài)單體化

該方式是指在對(duì)模型進(jìn)行渲染時(shí)，將矢量面、矢量體等疊加到模型上，類似于一個(gè)“外套”將目標(biāo)物體包裹住，從而在選中矢量面、矢量體時(shí)，就可以將建筑物選中，從而呈現(xiàn)建筑物被分離出來的狀態(tài)。

2.4 模型重構(gòu)單體化

基于模型成果或傾斜空三加密成果，在模型上或恢復(fù)的立體像對(duì)模型上，采集目標(biāo)物的頂點(diǎn)、邊界等信息，從而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)物的重新構(gòu)建，獲得單體化成果。

3 精細(xì)化模型制作方案

決定采用模型修飾和單體化方式，對(duì)問題模型進(jìn)行優(yōu)化處理，制作精細(xì)化模型的流程如圖1和圖2所示。

4 實(shí)際應(yīng)用

實(shí)景三維作為真實(shí)、立體、時(shí)序化反映人類生產(chǎn)、生活和生態(tài)空間的時(shí)空信息，是國(guó)家重要的新型基礎(chǔ)設(shè)施，因此實(shí)景三維建設(shè)是必須開展的。某市自然資源局為獲得最新的新型基礎(chǔ)測(cè)繪產(chǎn)品，決定開展該市建成區(qū)范圍內(nèi)的實(shí)景三維模型生產(chǎn)工作。實(shí)景三維工作的開展主要包括已有數(shù)據(jù)收集，外業(yè)像控點(diǎn)的測(cè)量和傾斜影像數(shù)據(jù)的獲取，然后內(nèi)業(yè)完成空三加密和實(shí)景三維模型生產(chǎn)，并完成其他新型基礎(chǔ)測(cè)繪產(chǎn)品的制作。本次作業(yè)采用無人機(jī)搭載下視焦距為35 mm，側(cè)視焦距為50 mm的5鏡頭相機(jī)，采集分辨率優(yōu)于3 cm的傾斜影像數(shù)據(jù)，并利用ContextCapture（下文簡(jiǎn)稱CC） 軟件，采用集群的方式生產(chǎn)了城區(qū)所有模型成果。采用人機(jī)交互的方式對(duì)模型成果查看，發(fā)現(xiàn)模型存在水面破損、女兒墻孔洞、建筑物底部扭曲變形、路燈和樹木懸浮物問題，影響了模型整體的質(zhì)量。為得到精細(xì)化模型成果，決定采用模型修飾和單體化方式，對(duì)問題模型進(jìn)行優(yōu)化處理。

對(duì)于模型成果中水面破損的問題，利用生成的OBJ格式模型成果，采用智覺空間SVS修模軟件，對(duì)水面問題進(jìn)行處理。首先，利用空三成果、未畸變照片、相機(jī)參數(shù)、OSGB和OBJ格式模型創(chuàng)建工程。其次，利用補(bǔ)洞工具，對(duì)破損的水面進(jìn)行修復(fù)處理。在完成破損區(qū)域水面的修補(bǔ)后，選擇需要優(yōu)化紋理的區(qū)域，聯(lián)動(dòng)Photoshop軟件，對(duì)水面模型紋理進(jìn)行統(tǒng)一處理。如圖3所示，是水面修補(bǔ)前后的效果對(duì)比圖。

對(duì)于模型成果中女兒墻孔洞問題，采用SVS軟件進(jìn)行修復(fù)處理。女兒墻一般是立面墻，因此首先要通過女兒墻上的三點(diǎn)，對(duì)基準(zhǔn)面進(jìn)行確定。在確定基準(zhǔn)面之后，對(duì)女兒墻的孔洞進(jìn)行修復(fù)。如圖4所示，是女兒墻修復(fù)前后的效果對(duì)比圖。圖4（a） 是孔洞修補(bǔ)前的模型，圖4（b） 是孔洞修補(bǔ)后的模型。對(duì)兩幅圖對(duì)比可以看出，對(duì)女兒墻孔洞修補(bǔ)之后，模型更加完整，與實(shí)際現(xiàn)狀更符。

對(duì)于模型成果中樹木懸浮物問題，采用直接刪除方式進(jìn)行處理。懸浮物脫離于模型場(chǎng)景，因此可以采用懸浮物識(shí)別算法，對(duì)懸浮物進(jìn)行自動(dòng)選中，然后一鍵刪除。為了保證模型場(chǎng)景的整體展示效果，須對(duì)懸浮物產(chǎn)生的影子等問題進(jìn)行優(yōu)化處理。本次采用SVS軟件聯(lián)動(dòng)Photoshop軟件，首先將模型場(chǎng)景中的懸浮物一鍵刪除，然后選中需要優(yōu)化紋理的區(qū)域，聯(lián)動(dòng)Photoshop軟件，對(duì)紋理進(jìn)行編輯處理，然后保存。此時(shí)模型上的紋理就會(huì)同步更新過來，從而得到精細(xì)化模型場(chǎng)景。如圖5所示，是懸浮物刪除前后的效果對(duì)比圖。圖5（a） 是懸浮物刪除前的模型，圖5（b） 是懸浮物刪除后并對(duì)紋理進(jìn)行編輯處理后的模型。刪除懸浮物后，模型場(chǎng)景更干凈整潔，美觀度有了一定的提升。

對(duì)于模型成果中建筑物底部扭曲變形問題，采用單體化技術(shù)進(jìn)行三維模型重構(gòu)。三維模型的重構(gòu)主要采用兩種方式：一是在模型上直接采集建筑物的底部作為基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，然后對(duì)基準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行拉伸、縮放等一系列操作，獲得建筑物的主體結(jié)構(gòu)。對(duì)于建筑物的附屬物體，按照單一到整體的思路，優(yōu)先制作簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，利用組合功能，完成多個(gè)物體的組合，從而得到一個(gè)整體。二是基于立體像對(duì)模型，在立體環(huán)境下采集建筑物的結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)單體化模型重構(gòu)。對(duì)于重構(gòu)模型的紋理，可采用傾斜影像、地面補(bǔ)拍的影像、數(shù)字正射影像等進(jìn)行紋理的映射、編輯和修改，從而得到最終的單體精細(xì)化模型成果。如圖6所示，是采用單體化技術(shù)生產(chǎn)的建筑物模型前后效果對(duì)比圖。圖6（a） 是自動(dòng)化生產(chǎn)的模型，圖6（b） 是單體化模型成果。通過對(duì)比圖6（a） 和圖6（b） 可以看出，單體化模型結(jié)構(gòu)更加完整，建筑物底部不存在扭曲變形問題，貼圖更加合理，模型質(zhì)量整體較高。

對(duì)于模型修飾和單體化來說，兩者適用的場(chǎng)景和目的不盡相同。模型修飾只是為了得到質(zhì)量更高的模型成果，單體化技術(shù)也可以實(shí)現(xiàn)精細(xì)化模型制作。除此之外，模型單體化的主要目的是獲得獨(dú)棟建筑物，便于后期對(duì)建筑物進(jìn)行屬性掛接。在實(shí)景三維模型平臺(tái)中，通過屬性查詢，快速定位到目標(biāo)物體上，便于在線精準(zhǔn)、高效管理。

5 結(jié)束語

本文對(duì)模型修飾和單體化技術(shù)進(jìn)行了介紹，對(duì)兩種方式在精細(xì)化模型制作中的流程進(jìn)行了說明，并將兩種技術(shù)用于某城市實(shí)景三維中國(guó)建設(shè)項(xiàng)目中，生產(chǎn)出精細(xì)化的模型成果。本研究可以為精細(xì)化模型的制作帶來借鑒，同時(shí)也保障了傾斜攝影技術(shù)在其他行業(yè)的應(yīng)用。本研究將兩種修模方式相結(jié)合，快速高效得到精細(xì)化模型成果。然而，模型修飾、單體化工作量大，如何高效生產(chǎn)高質(zhì)量的模型成果，需要更多學(xué)者進(jìn)一步研究。

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【通聯(lián)編輯：梁書】