基于倾斜摄影的单体化模型制作研究

摘要：实景三维模型是“一张皮”模型，为了便于对实景模型中的建筑物进行查询管理，需要对建筑物进行单体化。文章首先对实景三维模型的生产流程进行了介绍；其次对目前常见的ID单体化、切割单体化、动态单体化和模型重构单体化进行了对比分析；最后采用SVSModeler软件，对倾斜摄影模型单体化的作业流程进行了探索，得到了建筑物单体化成果。文章的研究可以为倾斜摄影单体化模型的制作提供借鉴。

关键词：倾斜摄影；实景三维模型；单体化技术；单体化模型

中图分类号：P231 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2024）27-0089-03

0 引言

实景三维模型是“一张皮”模型，即表皮模型，组成实景三维模型的最小单元是三角网，无数个互不交叉重叠的三角网组成了实景三维模型的整个结构框架[1-2]。实景三维模型具有测绘精度高、包含地物信息丰富、分辨率高的特点[3]。近年来，基于倾斜摄影的实景三维模型被广泛用于实景三维中国建设，数字孪生等项目中，在这些项目中，要求能够选中建筑物，并且通过调用平台数据，来查询选中建筑物的相关属性，如结构、层数、该栋楼的住户数等[4-5]。然而自动生产的实景三维模型，是无法对其中某一建筑物进行单独选择，因此需要对模型中的建筑物进行单体化[6-7]。本文首先介绍实景三维模型的制作流程，了解模型生产过程中各环节得到的成果，其次对目前常见的单体化技术进行概述，并对不同单体化方式进行对比分析，最后以SVSModeler 软件为例，对SVSModeler 软件在倾斜摄影单体化模型制作中的具体流程进行探讨。

1 实景三维模型制作流程

基于倾斜摄影技术制作实景三维模型成果，其主要流程如图1所示。

从图1可以看出，在实景三维模型制作中，主要包括外业航空倾斜摄影和像控点采集，内业包括数据预处理、空中三角测量和实景三维模型生产。在实景三维模型生产过程中，主要包括多视影像密集匹配、高密度点云的生成、不规则三角网TIN模型的构建、三角网的迭代优化、白模的生成、多层级金字塔的构建（OSGB格式的模型具有多层级金字塔）、倾斜影像的自动映射与优化，最后根据项目需求，完成不同数据格式的转换与成果输出。

2 常见单体化技术

单体化成果是指管理的目标对象是单独的、可以被选中分离的实体，并且可以对选中的实体进行属性查询等操作。目前常见的单体化技术主要有四种，分别是ID单体化、切割单体化、动态单体化和模型重构单体化，每种单体的定义和特点如下。

2.1 ID 单体化

ID单体化是指结合已有的二维矢量面数据，将对应的矢量面的ID值作为属性赋给三角网中的每个顶点，同一地物对应的三角网顶点就存储了同一个ID值，当鼠标选中某一个三角面片时，根据这个三角面片顶点的ID值得到其他ID相同的三角面片并高亮显示，就实现了单独选中某一地物的效果[8]。这种方式不破坏原有模型结构，需要前期做一定的预处理工作。

2.2 切割单体化

用建筑物、道路、树木等对应的矢量面，对倾斜摄影模型进行切割，也就是把连续的三角网从物理上分割开，从而实现单体化模型。这种方式破坏了原有的模型结构，得到的模型边缘类似锯齿，不齐平。

2.3 动态单体化

动态单体化是指将配套的二维矢量面与倾斜摄影模型加载到同一场景中，在渲染模型数据时把矢量面贴到倾斜模型对象表面，然后设置矢量面的颜色和透明度，从而实现可以单独选中地物的效果。这种方式不需要对模型进行预处理，不破坏原有模型结构。

2.4 模型重构单体化

模型重构单体化是指利用空三加密后的空三成果，重建立体像对模型，在立体环境下，采集建筑物的顶点坐标和边界线，并将建筑物的多个部分组合成一体，然后形成一个独立的实体。这种方式不破坏原有模型成果，并且精度高，采集的建筑物实体结构精细，不存在建筑物底部变形拉花问题。

通过查询文献分析和结合实际项目，对不同单体化技术进行对比分析，具体内容见表1。

目前实景三维中国建设等项目对模型的精细度和结构完整性要求较高，对此，本文重点对模型重构单体化作业流程进行探讨。

3 基于SVSModeler 软件单体化建模

基于倾斜摄影数据，采用SVSModeler软件对建筑物进行单体化，其作业流程如图2所示。

3.1 数据准备

数据准备环节包括的数据主要有从倾斜建模软件中导出的未畸变影像数据，每张影像对应的平差优化后的空三加密成果（xml格式）以及相机参数，OSGB 格式的实景三维模型成果。

3.2 新建单体化解决方案

在SVSModeler软件中新建单体化解决方案，并将未畸变影像、外方位元素和OSGB格式的模型导入方案之中，得到可以对道路、建筑等地物进行单体化制作的工程。在创建工程的过程中，需要对导入的空三加密成果中的影像路径重新进行映射，并且要创建影像的金字塔，这样便于后期的作业，保证操作时调用影像快速、不卡顿。

3.3 建筑单体化建模

对于建筑单体化模型的制作，其主要包括以下几个步骤：

1） 建筑轮廓的提取。对于建筑单体化来说，首先要对建筑的主体底面轮廓进行提取。轮廓提取常用的几种方法有：①对于已有的地籍图，将其格式转为3DMAX软件可以加载的格式，然后直接引入作为单体化建筑物的底面。②基于重建的立体像对，在立体环境下采集建筑物的底面轮廓线。③基于高分辨率真正射影像数据，直接对需要单体化的建筑进行平面矢量化，得到闭合的面作为建筑单体化的底面。这种方式采集的建筑物底面，有些存在阳台，不是建筑物的主体轮廓，需要后期对轮廓边界进行修改。④实景三维模型是全方位的，在单体化软件中，可以查看其任何一个角度，因此可以直接在模型上对建筑物的主体轮廓底面进行采集，对于模型变形拉花的，这种方式采集的建筑物主体轮廓精度较差，需要借助立体模型完成高精度主体轮廓线的采集。本次在制作建筑单体化模型时，采用恢复的空三立体模型像对，对需要单体化的建筑物的主体底面进行采集。

2） 建筑主体结构的制作。在已有的建筑物轮廓底面上，通过SVSModeler软件中的柱体挤出、拉伸、放大、缩小等功能，对建筑物的主体结构进行采集。对于部分结构复杂，SVSModeler软件无法进行单体化的建筑物，采用SVSModeler软件的3DMAX联动模块，在3dmax软件中制作复杂的建筑物单体化模型。

3） 建筑附属结构的制作。建筑物附属结构主要包括女儿墙、阳台、门廊、屋檐、楼梯等，多数结构较复杂。在采集完建筑物的主体结构后，利用SVSModeler 软件的3DMAX联动模块，基于恢复的空三立体模型像对，对建筑附属结构进行制作。在制作的过程中，其思路是由简到难，所有的复杂结构都是通过简单的结构组合而成的，因此分别制作单一的简单结构，然后对制作的单一结构进行拼接，然后进行缩放、焊接等处理，最后将附属结构和建筑主体组合在一起，成为一个建筑物实体。

3.4 纹理映射编辑

目前影像纹理的来源主要有倾斜摄影影像、地面补拍影像和正射影像。在纹理映射时，其主要是通过恢复的立体像对进行纹理的准确匹配，然后人工切换不同视角，选择最优的照片进行纹理映射。对于映射效果不好的纹理，可以联动Photoshop软件，对纹理进行修改编辑，然后重新映射到单体化模型上。对于建筑物底部遮挡严重区域，倾斜摄影盲区部分的纹理贴图，可以采用地面补拍的影像完成纹理的贴图。在贴图的过程中，由于地面补拍的影像没坐标，分辨率也是任意的，因此需要对其进行拉伸、缩放、变形等操作，确保纹理贴图过渡自然，符合实际情况。

3.5 单体化成果检查

单体化成果检查主要是对单体化模型的拓扑关系、结构完整性、纹理准确合理性进行检查。拓扑关系可以采用软件进行质检，然后通过定位方式快速找到拓扑不正确的区域，进行拓扑问题的修改。结构完整性和纹理准确合理性主要采用人机交互的方式检查，确保最终单体化模型成果结构完整，纹理过渡自然。

3.6 单体化成果输出

单体化成果输出主要是根据项目需求，导出符合要求的对应格式成果，要准确输入偏移值，并且按照瓦片命名原则，对单体化模型成果准确命名，设置纹理贴图路径，导出最终的单体化模型成果。

采用本文单体化作业方案，对某一区域建筑物、树木、路灯、指示牌等地物进行单体化，得到的单体化成果如图3所示。

4 结束语

本文对倾斜摄影建模流程展开深入研究，并对目前常见的四种单体化技术进行了对比分析，最后以SVSModeler软件为例，探索了模型重构单体化技术在倾斜摄影单体化模型制作中的流程。本文的研究可以为倾斜摄影单体化模型的制作带来参考。

参考文献：

[1] 李俊，杨德宏，吴锋振，等.倾斜摄影测量三维模型单体化构建及服务共享[J].软件，2023，44（7）：79-82.

[2] 史与正，陈梦华，黄煜，等.实景三维模型的建筑物单体模型框架搭建[J].测绘通报，2023（6）：161-166.

[3] 王英，熊远社，陈梦华，等.基于倾斜三维模型的规则建筑物自动单体化方法研究[J].地矿测绘，2023，39（2）：13-18.

[4] 钱少华，周伟晓，竺建平.基于倾斜摄影的建筑单体化三维模型构建[J].测绘技术装备，2023，25（2）：125-128，138.

[5] 尹长林，许文强，姜琦，等.倾斜摄影三维建筑模型自动单体化与轮廓提取方法[J].测绘工程，2023，32（3）：62-68.

[6] 张懂庆，魏军，王萍.三种倾斜摄影建模软件对比分析[J].测绘技术装备，2022，24（3）：114-119.

[7] 王萍，魏军，苟彦梅.基于Smart3D和SVS软件的实景三维模型生产[J].测绘标准化，2022，38（4）：15-19.

[8] 张理想.一体化三维场景模型融合及单体信息添加方法研究[D].郑州：郑州大学，2018.

【通联编辑：梁书】