倾斜模型单体化精修技术研究

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［摘要］城市的快速发展对管理的要求越来越高，精细化管理的基础是数据获取的高效和真实性。本文利用ＭｅｓｈＭａｓｔｅｒ工具对倾斜摄影三维模型数据进行数据重构、自动分类以及自动单体化重建与精修，解决了倾斜摄影三维模型一张网的应用限制以及近地效果差的问题，充分发挥倾斜数据在采集阶段的便捷高效性、生产过程中的高度自动化以及场景真实性等特点，进而为城市的精细化管理提供三维数据底板。

［关键词］规划管理；倾斜摄影；模型单体化；模型精修

随着二三维一体化ＧＩＳ技术的发展，单一的基于二维图形的管理方式已经难以满足城市精细化管理的需求，由二维向三维城市规划建设和运营管理的转变正在逐渐成形［１］。目前，对于数据获取与生产技术方面，国内外都一致将目光倾向了基于倾斜摄影的实景三维建模技术上［２］，使倾斜摄影建模数据逐渐成为城市空间数据框架的重要内容，尤其在城市规划与管理中［３］。但是倾斜摄影三维模型成果为“一张皮”，对于例如建筑物的选中、属性查询、空间査询以及专题图操作等ＧＩＳ操作都无法实施，只有具备了“单体化”的能力，数据才可以被管理，而不仅仅是被用来查看。由此可见，要解决倾斜摄影三维模型数据的应用，其中最关键的就是解决模型的单体化问题。

１规划管理中的数据要求分析

１.１规划管理的三维数据需求特点

城市三维仿真数据服务于规划管理工作的应用场景主要有三大类：一是依托三维数据的空间和要素各类属性可查询的特点，作为现状基础资源调研的手段，同时利用三维数据的可编辑性，对设计方案的三维空间构成实现实时调整、比对，从而辅助总规、详规及城市设计等规划便捷、高效的编制；二是通过构建建设项目设计方案的真实比例实景场景，在现状环境中对设计方案进行天际线、控高、通视、日照等规划分析，以辅助职能部门和专家对拟建项目进行全方位三维评审和决策；三是以实景三维宏大的、逼真的城市场景集成丰富的各类规划成果，结合“数字沙盘”“移动展示”“虚拟现实”等可视化技术手段，辅助城市规划展示。新形势下，不仅规划行业，各行各业乃至国家对三维数据的要求也随之深入，传统人工建模的一些劣势逐渐凸显，例如：数据生产效率低、投入人工成本大、数据精度低、展示效果差等。相较于传统人工建模，服务于规划管理的新模式的三维数据生产应当具备下列几大特点：（１）更全面的要素组成在规划管理工作中一个消防栓、一个公交站牌或者简单的红绿灯、分车线都可能影响到规划布局和决策，为更全面反映范围内现状的实际情况，新数据期望不单只制作建筑、道路、地形、水系等城市主体模型，更应当全面表现包括交通设施、园林绿化、公共设施、水域设施等城市部件类要素，为规划管理的严谨性和科学性助力。（２）更丰富的数据属性规划管理的三维数据应用很大程度上依赖于二三维数据的对接和单体化模型的属性查询，管理者应用三维数据，除了直接通过全角度浏览三维要素的外观，也需依托三维数据挂接的各类属性进行规划决策。新数据期望以单体化要素模型承载更直观、更丰富的属性数据供规划管理进行科学决策。（３）更高效的数据生产近年来，国内各大小城市对三维数据辅助规划应用的需求呈井喷式发展，“数字孪生城市”“智慧城市”等信息化概念鱼跃而出，以规划职能部门为主的用户期望城市三维数据在极短的时间内能一蹴而就，新数据期望能走出劳动密集型生产模式，跨进高效、流水线的自动化生产模式。由此，对于数据获取与生产技术方面，国内外都一致将目光倾向了基于倾斜摄影的实景三维建模技术上，使倾斜摄影建模数据逐渐成为城市空间数据框架的重要内容，尤其在城市规划与管理中，既解决了传统数据生产的周期长造成的时效性低，又解决了传统模型纹理与实际效果偏差较大的问题。

１.２倾斜摄影三维数据生产存在的问题

倾斜摄影技术是国际测绘遥感领域近年发展起来的一项高新技术，通过在同一飞行平台上搭载多台传感器，同时从垂直、倾斜等不同角度采集影像，获取地面物体更为完整准确的信息。倾斜摄影测量技术以大范围、高精度、高清晰的方式全面感知复杂场景，通过高效的数据采集设备及专业的数据处理流程生成的数据成果直观反映地物的外观、位置、高度等属性，为真实效果和测绘级精度提供保证［４］。经过多年技术的积累，倾斜摄影测量建模技术展现出相比其他建模技术的优势与特色，但同时，受现有技术水平、生产设备和技术原理制约，其也存在一些问题和缺陷：（１）数据低空效果差倾斜摄影采集影像是固定高度的空中采集，无法采集近地区域或有遮挡的地物，因此，以人、车视角浏览的近地区域数据将呈现扭曲、变形和空洞等重大缺陷，且近地区域的模型材质纹理也无法进行准确绘制，近地区域整体浏览效果差。图１倾斜摄影三维模型效果（２）数据更新难度大倾斜摄影测量的模型是由点云转换成三角面模型再匹配材质贴图形成的，其模型面数极大、贴图组成复杂，不易直接对其三维模型成果进行编辑和修缮；其数据的组成是整体化的模型，无法提取建筑、植被、设施等的单体模型，更新时一般只能整片更新，因而，倾斜摄影模型更新的成本和难度相对更大。由此可见要充分发挥倾斜摄影三维模型数据的价值，就必须要先对模型进行优化，处理悬浮物、修补破面等，然后对数据进行分类，最后进行单体化处理，本文通过自主研发的ＭｅｓｈＭａｓｔｅｒ工具，形成了一套完整的单体化解决方案。

２倾斜摄影三维模型单体化解决方案

“单体化”指的是每一个我们想要单独管理的实体对象，是一个个单独的、可以被选中分离的实体对象，只有具备了“单体化”的能力，数据才可以被管理，目前应用较为广泛的单体化方法主要为：切割单体化、矢量叠加单体化和模型重建单体化［５］。切割单体化是将对象物的三角面进行分割，实现了一定意义上的模型单体化操作，后期也能对单体化模型进行管理和应用。但是用这种编辑模型产生的数据量较大，会破坏原有的ＬＯＤ结构，边缘底部会有明显的锯齿和不规则形状，在后期的管理应用方面稍显欠缺。矢量叠加单体化，通过在倾斜摄影模型下叠加对应的矢量面，然后在该矢量面垂直地表的方向上生成包围盒，结合对范围内的三角网的判断，通过半透明颜色与三角网的贴合，使模型从视觉上的完整展现得以实现，并且能够实现对单个操作的管理。但是这种方法对单体的分离并不是真正意义上的，无法实现数据的更新。综上所述，为满足城市规划管理对数据的要求，特研发了一套基于倾斜摄影三维模型处理工具ＭｅｓｈＭａｓｔｅｒ来解决模型自动重建单体化。模型重建单体化是指以倾斜摄影测量数据为基础数据源，通过模型重构在原始场景上实现分离效果，从而实现模型的单体化。模型贴图是从航摄影像中自动选择角度最优，覆盖面最大的图像进行自动纹理映射，完成模型贴图。主要技术路线如下：（１）数据重构优化倾斜数据重组织及入库流程主要是将Ｏｓｇｂ的几何、纹理、属性等数据解析出来，再对其原有金字塔结构进行重新组织，最后将其统一存入数据库进行加密管理。首先获取倾斜摄影三维数据库，将数据中预设每一空间范围内的多个原始根节点进行几何合并，生成待简化的新的根节点；然后对于每个新生成的根节点需要对其进一步简化，以构建新的ＬＯＤ节点。（２）模型精修精修主要是通过压平、补洞以及悬浮物删除和纹理修饰等操作对倾斜摄影三维模型数据进行修补和美化。数据压平操作中平面的选取有两种模式：单点拟合平面和三点拟合平面。对空洞尤其是水面区域进行修补，是在选择修补的范围之后，通过手动选点的方式构建网格面，再将新绘制的网格面覆盖在原始网格面上，以达到修补空洞的目的。悬浮物删除通过选取一个三维包围盒区域，然后将该区域内的悬浮物进行删除。对于模型的贴图不免有些瑕疵，原始纹理图片可以自动导入到ＰＳ中进行显示，在ＰＳ中对所选原始纹理图片进行联动编辑，修改后保存的贴图可以直接进行替换，无需查找贴图。（３）二次生产通过识别倾斜场景中的建筑，对每栋建筑提取其轮廓线和其高度范围，获得的包围盒可用于切割场景获取单体模型，或是将轮廓线数据挂接属性实现逻辑层面的单体化。获取轮廓线的方式一共有三种：全自动提取、半自动提取、手动绘制轮廓线。三种方式相互补充，实现全场景的建筑物轮廓线提取，然后通过提取的轮廓线转换成面，最后将面进行挤出操作，得到单体化素模，然后通过自动纹理映射功能自动赋予纹理。倾斜摄影三维模型分类是对输入的倾斜数据按照建筑、地面、植被进行分类，并且输出各个类别的倾斜数据，该过程为全自动进行，无需进行参数设置。具体地，首先从倾斜摄影数据的ｏｓｇｂ文件提取顶点信息和颜色信息，使用位置特征、平面特征等特性，利用随机森林方法以及深度学习的方式进行分类，最终得到建筑、地面和植被等各种类别。ＤＥＭ生产是通过提取倾斜最精细层级的点、点云粗差剔除、点云滤波、点云人工编辑分类、构建三角网及ＤＥＭ输出等步骤后自动输出ＤＥＭ数据。通过对比不难看出，在规划管理应用领域对基于倾斜摄影三维模型数据的单体化精修处理既完成了单体化又解决了近地效果差的问题，充分发挥了倾斜摄影建模技术的高效便捷性和数据完整与真实性。

３实践案例及应用分析

（１）项目概况项目建设内容包括三维仿真数据制作、城市三维仿真系统升级研发，其中三维仿真数据生产为泉州市东海新区共计１３平方公里面积３ｃｍ精度的倾斜摄影模型制作及倾斜摄影模型数据的精修工作和泉州市晋江南岸１５平方公里的面积５ｃｍ精度的倾斜摄影模型制作。（２）技术路线项目针对泉州市整个２８平方公里区域倾斜摄影测量进行整体技术路线设计，由前到后分为航摄飞行设计、航空摄影、像控测量、内业数据生产四大步骤。整体技术路线如下图所示：①航摄采集项目采用纵横ＣＷ－１０、大疆Ｍ６００作为航飞平台，搭载数码航摄仪为成都睿铂ＤＧ３Ｐｒｏ相机、金鸟ＪＷ－Ｅ５相机。根据地形类型和成图精度要求的不同，按数字航摄仪性能划分航摄分区。完成整体采集后进行像控点测量，以对准坐标精度。②内业生产项目采用ＣｏｎｔｅｘｔＣａｐｔｕｒｅＣｅｎｔｅｒ进行倾斜摄影数据建模的处理，数据准备包括相机参数文件、ＰＯＳ数据、控制点、倾斜摄影数据等数据文件的准备和编辑。完成控制点刺点后，基于软件进行自动空中三角测量，通过密集匹配技术，根据高精度的影像匹配算法，从影像中抽取更多的特征点构成密集点云，从而更精确地表达地物的细节。最后对三维模型自动赋予纹理输出模型纹理清晰逼真的三维场景数据。③单体化＋精修项目针对东海新区１３平方公里模型通过倾斜摄影三维精修软件ＭｅｓｈＭａｓｔｅｒ进行精细化建模及Ｍｅｓｈ网格模型修饰，主要包括以下内容：将原有破面漏洞部分模型删除后，新建模型与地形间会出现缝隙。进行蹋平补洞，把中间的缝隙给填补起来，并自动映射纹理贴图，确保整体效果。基于ＭｅｓｈＭａｓｔｅｒ对拟精修区域建筑根据原有倾斜模型进行白模重构，保证重构模型的结构和高度能与现状完全吻合，然后对重构模型进行纹理自动映射，一个建筑物会同时出现在多张倾斜影像上，从这些影像中自动映射纹理贴图至三维白模上，最后输出平整，清晰的单体化精修模型.（３）项目成果展望《泉州市中心市区三维规划辅助决策系统升级及数据更新服务》项目共完成２８平方公里倾斜摄影模型数据建设，通过单体化技术完成了数据的分类管理和属性挂接，实现了属性数据的查询和统计，实现了楼栋级别的更新与方案对比，充分发挥出了倾斜摄影建模技术的高效率和高度自动化的特点，从而保证了数据的现势性、真实性和完整性。投入使用以来，辅助了泉州市规划审批、规划编制及规划展示等规划管理工作２００余项内容，获得了用户单位的高度评价。

４结论

当前信息化日新月异的潮流下，智慧城市在智慧资规领域对于其工作的精细化、精准化、精确化要求越来越高，单纯利用传统人工建模或倾斜摄影技术进行城市级的三维数据生产建设已经难以满足规划管理行业的要求，本文以泉州市三维数据生产项目为例，基于ＭｅｓｈＭａｓｔｅｒ进行倾斜摄影三维模型的单体化精修，较好地解决了传统三维数据生产面临的单体化、数据更新等一系列问题，达到了智慧城市中三维底板数据建设的高速化、自动化、精准化、全面化的要求，为倾斜摄影三维模型在城市规划管理领域的应用提供参考。

参考文献

［１］林金双．城市三维模型在规划管理中的应用研究［Ｊ］．矿山测量，２０２１，４９（３）：１１７－１２１＋１３３．

［２］李镇洲，张学之．基于倾斜摄影测量技术快速建立城市３维模型研究［Ｊ］．测绘与空间地理信息，２０１２（４）：１１７－１１９．

［３］张奇，徐斌，张冬，徐以泱．倾斜摄影测量三维重建在城市规划管理中的应用［Ｊ］．智能城市，２０２１（４）：１２－１４．

［４］孙宏伟．基于倾斜摄影测量技术的三维数字城市建模［Ｊ］．现代测绘２０１４３７（１）：１８－２１

［５］王勇，郝晓燕，李颖．基于倾斜摄影的三维模型单体化方法研究［Ｊ］．计算机工程与应用．２０１８（０３）

作者：郭坚 单位：泉州市城乡规划信息中心