傾斜模型單體化精修技術研究

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［摘要］城市的快速發展對管理的要求越來越高，精細化管理的基礎是數據獲取的高效和真實性。本文利用ＭｅｓｈＭａｓｔｅｒ工具對傾斜攝影三維模型數據進行數據重構、自動分類以及自動單體化重建與精修，解決了傾斜攝影三維模型一張網的應用限制以及近地效果差的問題，充分發揮傾斜數據在采集階段的便捷高效性、生產過程中的高度自動化以及場景真實性等特點，進而為城市的精細化管理提供三維數據底板。

［關鍵詞］規劃管理；傾斜攝影；模型單體化；模型精修

隨著二三維一體化ＧＩＳ技術的發展，單一的基于二維圖形的管理方式已經難以滿足城市精細化管理的需求，由二維向三維城市規劃建設和運營管理的轉變正在逐漸成形［１］。目前，對于數據獲取與生產技術方面，國內外都一致將目光傾向了基于傾斜攝影的實景三維建模技術上［２］，使傾斜攝影建模數據逐漸成為城市空間數據框架的重要內容，尤其在城市規劃與管理中［３］。但是傾斜攝影三維模型成果為“一張皮”，對于例如建筑物的選中、屬性查詢、空間査詢以及專題圖操作等ＧＩＳ操作都無法實施，只有具備了“單體化”的能力，數據才可以被管理，而不僅僅是被用來查看。由此可見，要解決傾斜攝影三維模型數據的應用，其中最關鍵的就是解決模型的單體化問題。

１規劃管理中的數據要求分析

１.１規劃管理的三維數據需求特點

城市三維仿真數據服務于規劃管理工作的應用場景主要有三大類：一是依托三維數據的空間和要素各類屬性可查詢的特點，作為現狀基礎資源調研的手段，同時利用三維數據的可編輯性，對設計方案的三維空間構成實現實時調整、比對，從而輔助總規、詳規及城市設計等規劃便捷、高效的編制；二是通過構建建設項目設計方案的真實比例實景場景，在現狀環境中對設計方案進行天際線、控高、通視、日照等規劃分析，以輔助職能部門和專家對擬建項目進行全方位三維評審和決策；三是以實景三維宏大的、逼真的城市場景集成豐富的各類規劃成果，結合“數字沙盤”“移動展示”“虛擬現實”等可視化技術手段，輔助城市規劃展示。新形勢下，不僅規劃行業，各行各業乃至國家對三維數據的要求也隨之深入，傳統人工建模的一些劣勢逐漸凸顯，例如：數據生產效率低、投入人工成本大、數據精度低、展示效果差等。相較于傳統人工建模，服務于規劃管理的新模式的三維數據生產應當具備下列幾大特點：（１）更全面的要素組成在規劃管理工作中一個消防栓、一個公交站牌或者簡單的紅綠燈、分車線都可能影響到規劃布局和決策，為更全面反映范圍內現狀的實際情況，新數據期望不單只制作建筑、道路、地形、水系等城市主體模型，更應當全面表現包括交通設施、園林綠化、公共設施、水域設施等城市部件類要素，為規劃管理的嚴謹性和科學性助力。（２）更豐富的數據屬性規劃管理的三維數據應用很大程度上依賴于二三維數據的對接和單體化模型的屬性查詢，管理者應用三維數據，除了直接通過全角度瀏覽三維要素的外觀，也需依托三維數據掛接的各類屬性進行規劃決策。新數據期望以單體化要素模型承載更直觀、更豐富的屬性數據供規劃管理進行科學決策。（３）更高效的數據生產近年來，國內各大小城市對三維數據輔助規劃應用的需求呈井噴式發展，“數字孿生城市”“智慧城市”等信息化概念魚躍而出，以規劃職能部門為主的用戶期望城市三維數據在極短的時間內能一蹴而就，新數據期望能走出勞動密集型生產模式，跨進高效、流水線的自動化生產模式。由此，對于數據獲取與生產技術方面，國內外都一致將目光傾向了基于傾斜攝影的實景三維建模技術上，使傾斜攝影建模數據逐漸成為城市空間數據框架的重要內容，尤其在城市規劃與管理中，既解決了傳統數據生產的周期長造成的時效性低，又解決了傳統模型紋理與實際效果偏差較大的問題。

１.２傾斜攝影三維數據生產存在的問題

傾斜攝影技術是國際測繪遙感領域近年發展起來的一項高新技術，通過在同一飛行平臺上搭載多臺傳感器，同時從垂直、傾斜等不同角度采集影像，獲取地面物體更為完整準確的信息。傾斜攝影測量技術以大范圍、高精度、高清晰的方式全面感知復雜場景，通過高效的數據采集設備及專業的數據處理流程生成的數據成果直觀反映地物的外觀、位置、高度等屬性，為真實效果和測繪級精度提供保證［４］。經過多年技術的積累，傾斜攝影測量建模技術展現出相比其他建模技術的優勢與特色，但同時，受現有技術水平、生產設備和技術原理制約，其也存在一些問題和缺陷：（１）數據低空效果差傾斜攝影采集影像是固定高度的空中采集，無法采集近地區域或有遮擋的地物，因此，以人、車視角瀏覽的近地區域數據將呈現扭曲、變形和空洞等重大缺陷，且近地區域的模型材質紋理也無法進行準確繪制，近地區域整體瀏覽效果差。圖１傾斜攝影三維模型效果（２）數據更新難度大傾斜攝影測量的模型是由點云轉換成三角面模型再匹配材質貼圖形成的，其模型面數極大、貼圖組成復雜，不易直接對其三維模型成果進行編輯和修繕；其數據的組成是整體化的模型，無法提取建筑、植被、設施等的單體模型，更新時一般只能整片更新，因而，傾斜攝影模型更新的成本和難度相對更大。由此可見要充分發揮傾斜攝影三維模型數據的價值，就必須要先對模型進行優化，處理懸浮物、修補破面等，然后對數據進行分類，最后進行單體化處理，本文通過自主研發的ＭｅｓｈＭａｓｔｅｒ工具，形成了一套完整的單體化解決方案。

２傾斜攝影三維模型單體化解決方案

“單體化”指的是每一個我們想要單獨管理的實體對象，是一個個單獨的、可以被選中分離的實體對象，只有具備了“單體化”的能力，數據才可以被管理，目前應用較為廣泛的單體化方法主要為：切割單體化、矢量疊加單體化和模型重建單體化［５］。切割單體化是將對象物的三角面進行分割，實現了一定意義上的模型單體化操作，后期也能對單體化模型進行管理和應用。但是用這種編輯模型產生的數據量較大，會破壞原有的ＬＯＤ結構，邊緣底部會有明顯的鋸齒和不規則形狀，在后期的管理應用方面稍顯欠缺。矢量疊加單體化，通過在傾斜攝影模型下疊加對應的矢量面，然后在該矢量面垂直地表的方向上生成包圍盒，結合對范圍內的三角網的判斷，通過半透明顏色與三角網的貼合，使模型從視覺上的完整展現得以實現，并且能夠實現對單個操作的管理。但是這種方法對單體的分離并不是真正意義上的，無法實現數據的更新。綜上所述，為滿足城市規劃管理對數據的要求，特研發了一套基于傾斜攝影三維模型處理工具ＭｅｓｈＭａｓｔｅｒ來解決模型自動重建單體化。模型重建單體化是指以傾斜攝影測量數據為基礎數據源，通過模型重構在原始場景上實現分離效果，從而實現模型的單體化。模型貼圖是從航攝影像中自動選擇角度最優，覆蓋面最大的圖像進行自動紋理映射，完成模型貼圖。主要技術路線如下：（１）數據重構優化傾斜數據重組織及入庫流程主要是將Ｏｓｇｂ的幾何、紋理、屬性等數據解析出來，再對其原有金字塔結構進行重新組織，最后將其統一存入數據庫進行加密管理。首先獲取傾斜攝影三維數據庫，將數據中預設每一空間范圍內的多個原始根節點進行幾何合并，生成待簡化的新的根節點；然后對于每個新生成的根節點需要對其進一步簡化，以構建新的ＬＯＤ節點。（２）模型精修精修主要是通過壓平、補洞以及懸浮物刪除和紋理修飾等操作對傾斜攝影三維模型數據進行修補和美化。數據壓平操作中平面的選取有兩種模式：單點擬合平面和三點擬合平面。對空洞尤其是水面區域進行修補，是在選擇修補的范圍之后，通過手動選點的方式構建網格面，再將新繪制的網格面覆蓋在原始網格面上，以達到修補空洞的目的。懸浮物刪除通過選取一個三維包圍盒區域，然后將該區域內的懸浮物進行刪除。對于模型的貼圖不免有些瑕疵，原始紋理圖片可以自動導入到ＰＳ中進行顯示，在ＰＳ中對所選原始紋理圖片進行聯動編輯，修改后保存的貼圖可以直接進行替換，無需查找貼圖。（３）二次生產通過識別傾斜場景中的建筑，對每棟建筑提取其輪廓線和其高度范圍，獲得的包圍盒可用于切割場景獲取單體模型，或是將輪廓線數據掛接屬性實現邏輯層面的單體化。獲取輪廓線的方式一共有三種：全自動提取、半自動提取、手動繪制輪廓線。三種方式相互補充，實現全場景的建筑物輪廓線提取，然后通過提取的輪廓線轉換成面，最后將面進行擠出操作，得到單體化素模，然后通過自動紋理映射功能自動賦予紋理。傾斜攝影三維模型分類是對輸入的傾斜數據按照建筑、地面、植被進行分類，并且輸出各個類別的傾斜數據，該過程為全自動進行，無需進行參數設置。具體地，首先從傾斜攝影數據的ｏｓｇｂ文件提取頂點信息和顏色信息，使用位置特征、平面特征等特性，利用隨機森林方法以及深度學習的方式進行分類，最終得到建筑、地面和植被等各種類別。ＤＥＭ生產是通過提取傾斜最精細層級的點、點云粗差剔除、點云濾波、點云人工編輯分類、構建三角網及ＤＥＭ輸出等步驟后自動輸出ＤＥＭ數據。通過對比不難看出，在規劃管理應用領域對基于傾斜攝影三維模型數據的單體化精修處理既完成了單體化又解決了近地效果差的問題，充分發揮了傾斜攝影建模技術的高效便捷性和數據完整與真實性。

３實踐案例及應用分析

（１）項目概況項目建設內容包括三維仿真數據制作、城市三維仿真系統升級研發，其中三維仿真數據生產為泉州市東海新區共計１３平方公里面積３ｃｍ精度的傾斜攝影模型制作及傾斜攝影模型數據的精修工作和泉州市晉江南岸１５平方公里的面積５ｃｍ精度的傾斜攝影模型制作。（２）技術路線項目針對泉州市整個２８平方公里區域傾斜攝影測量進行整體技術路線設計，由前到后分為航攝飛行設計、航空攝影、像控測量、內業數據生產四大步驟。整體技術路線如下圖所示：①航攝采集項目采用縱橫ＣＷ－１０、大疆Ｍ６００作為航飛平臺，搭載數碼航攝儀為成都睿鉑ＤＧ３Ｐｒｏ相機、金鳥ＪＷ－Ｅ５相機。根據地形類型和成圖精度要求的不同，按數字航攝儀性能劃分航攝分區。完成整體采集后進行像控點測量，以對準坐標精度。②內業生產項目采用ＣｏｎｔｅｘｔＣａｐｔｕｒｅＣｅｎｔｅｒ進行傾斜攝影數據建模的處理，數據準備包括相機參數文件、ＰＯＳ數據、控制點、傾斜攝影數據等數據文件的準備和編輯。完成控制點刺點后，基于軟件進行自動空中三角測量，通過密集匹配技術，根據高精度的影像匹配算法，從影像中抽取更多的特征點構成密集點云，從而更精確地表達地物的細節。最后對三維模型自動賦予紋理輸出模型紋理清晰逼真的三維場景數據。③單體化＋精修項目針對東海新區１３平方公里模型通過傾斜攝影三維精修軟件ＭｅｓｈＭａｓｔｅｒ進行精細化建模及Ｍｅｓｈ網格模型修飾，主要包括以下內容：將原有破面漏洞部分模型刪除后，新建模型與地形間會出現縫隙。進行蹋平補洞，把中間的縫隙給填補起來，并自動映射紋理貼圖，確保整體效果。基于ＭｅｓｈＭａｓｔｅｒ對擬精修區域建筑根據原有傾斜模型進行白模重構，保證重構模型的結構和高度能與現狀完全吻合，然后對重構模型進行紋理自動映射，一個建筑物會同時出現在多張傾斜影像上，從這些影像中自動映射紋理貼圖至三維白模上，最后輸出平整，清晰的單體化精修模型.（３）項目成果展望《泉州市中心市區三維規劃輔助決策系統升級及數據更新服務》項目共完成２８平方公里傾斜攝影模型數據建設，通過單體化技術完成了數據的分類管理和屬性掛接，實現了屬性數據的查詢和統計，實現了樓棟級別的更新與方案對比，充分發揮出了傾斜攝影建模技術的高效率和高度自動化的特點，從而保證了數據的現勢性、真實性和完整性。投入使用以來，輔助了泉州市規劃審批、規劃編制及規劃展示等規劃管理工作２００余項內容，獲得了用戶單位的高度評價。

４結論

當前信息化日新月異的潮流下，智慧城市在智慧資規領域對于其工作的精細化、精準化、精確化要求越來越高，單純利用傳統人工建模或傾斜攝影技術進行城市級的三維數據生產建設已經難以滿足規劃管理行業的要求，本文以泉州市三維數據生產項目為例，基于ＭｅｓｈＭａｓｔｅｒ進行傾斜攝影三維模型的單體化精修，較好地解決了傳統三維數據生產面臨的單體化、數據更新等一系列問題，達到了智慧城市中三維底板數據建設的高速化、自動化、精準化、全面化的要求，為傾斜攝影三維模型在城市規劃管理領域的應用提供參考。

參考文獻

［１］林金雙．城市三維模型在規劃管理中的應用研究［Ｊ］．礦山測量，２０２１，４９（３）：１１７－１２１＋１３３．

［２］李鎮洲，張學之．基于傾斜攝影測量技術快速建立城市３維模型研究［Ｊ］．測繪與空間地理信息，２０１２（４）：１１７－１１９．

［３］張奇，徐斌，張冬，徐以泱．傾斜攝影測量三維重建在城市規劃管理中的應用［Ｊ］．智能城市，２０２１（４）：１２－１４．

［４］孫宏偉．基于傾斜攝影測量技術的三維數字城市建模［Ｊ］．現代測繪２０１４３７（１）：１８－２１

［５］王勇，郝曉燕，李穎．基于傾斜攝影的三維模型單體化方法研究［Ｊ］．計算機工程與應用．２０１８（０３）

作者：郭堅 單位：泉州市城鄉規劃信息中心