基于无人机倾斜摄影技术的建筑单体化模型制作研究
作者： 马化龙
摘要：为了解决实景三维模型中的建筑物可以单独选择的问题，文章提出采用模型重构的方式进行建筑物单体化模型的制作，并基于补拍的照片完成模型高分辨率纹理的贴图。文章首先对单体化建模技术展开探讨，介绍了倾斜摄影技术和地面补摄影像采集技术，对两种数据源融合建模流程进行了介绍，其次将倾斜摄影影像和地面补摄的影像融合用于实景三维模型生产，并采用SVSmodeler软件制作建筑单体化模型，得到了结构完整、纹理贴图完整的单体化建模成果。最后将单体化模型成果和优化后的三维模型场景融合，得到了高质量模型成果。文章的研究可以为建筑单体化模型的制作带来借鉴。
关键词：无人机；倾斜摄影；建筑单体化；单体化模型；实景三维模型
中图分类号：P231 文献标识码：A
文章编号：1009-3044（2025）01-0130-03 开放科学（资源服务） 标识码（OSID） ：
0 引言
实景三维中国建设项目、数字孪生项目中都要求对建筑物可以单独选择，并对其进行属性查询等操作，然而基于连续三角网构建的实景三维模型，是表皮模型，无法对其中的建筑物进行单独选择。为解决这一问题，很多学者对单体化模型的制作展开了研究。钱少华[1]等人对比分析了三种单体化技术，并以DP-Modeler为单体化平台，讲解了单体化模型的制作流程，并没有对单体化贴图展开深入研究。尹长林[2]等人首先通过格网模型水平切割的方式获取不同高度的建筑物投影，然后按照几何相似性算法对建筑物的边界进行提取，从而实现建筑物的单体化。赵伟山[3]等人提出将倾斜摄影影像和近景摄影影像相结合进行三维模型的生产，然后进行单体化制作，然而基于无人机的近景摄影在城市区域操作难度较大，成本较高。郑月[4]等人以Context Capture和DP-Modeler软件为例，对倾斜摄影自动化三维模型构建和单体化模型构建进行了讲解，并未对航摄盲区单体化纹理的处理进行说明。褚宁[5]等人提出采用三维环绕式航线设计方案，并对每个建筑物的点云进行切割，经过滤波等操作，然后基于剩余点云构建三角网，从而形成单体化模型成果。陈欣[6]介绍了四种单体化技术的优缺点，并针对单体化概念提出房屋分层分户单体化的作业流程，取得了较好的效果，但是未解决航摄盲区建筑变形及纹理错误的问题。周宪[7]等人提出利用已有地形图数据完成建筑物单体化模型的快速制作，然而地形图精度现势性较差，且精度无法满足实景三维中国、数字孪生等项目的要求。基于已有学者研究的成果，研究者提出将地面补摄技术和倾斜摄影技术相结合用于实景三维模型的生产，然后利用SVSmodeler软件对建筑物进行单体化制作，基于重建的立体模型像对完成纹理的贴图映射，联动Photoshop软件完成纹理的编辑修饰，得到了贴图更加真实的单体化三维模型成果，最后将单体化成果与处理后的场景融合，得到了高质量实景三维模型成果。文章的研究可以为实景三维中国、数字孪生项目中单体化模型的制作带来借鉴。
1 单体化模型建模技术
单体化就是指采用一定的方式，将目标物从原有场景中“分离”出来，从而可以实现目标物的单独选中，并可以对其属性等信息进行查询。目前单体化技术主要分为两大类，即假单体化和真单体化。假单体化就是可以对目标物进行单独选中，但是目标物并不真实存在，只是按照一定的方式可以呈现出来，这种单体化方式主要有ID单体化和动态单体化。真单体化是指目标物是真实存在的，可以单独作为一个成果进行保存，是真实存在的数据，这种单体化方式主要有切割单体化和模型重构单体化两种。本文主要研究真单体化技术中的模型重构单体化，即利用实景三维模型成果或重建的立体像对模型成果，采集得到建筑物的结构，按照由点到线再到面的方式，制作得到单体化模型的整体结构，然后基于纹理的映射与编辑，得到带有符合实际现状纹理的建筑单体化模型成果。
2 倾斜摄影影像采集技术
倾斜摄影影像采集是指在飞行平台上挂载多镜头航摄仪，安装全球定位系统和惯性测量装置，在空中按照等间隔或等距离的方式曝光采集地面上的影像数据，并利用安装的设备记录下相机曝光瞬间的位置和姿态。目前常见的倾斜航摄仪以5个镜头较多，5 个镜头航摄仪采集影像示意图如图1所示。
倾斜摄影是从空中对地面进行影像数据的采集，对于建筑密集区域，伸出的屋檐，门厅下面，采用倾斜摄影技术是无法采集到有效影像的，在航摄中属于航摄盲区，这部分区域在后期模型重建时，会出现建筑物结构变形拉花问题，因此需要对此进行处理。
3 地面补摄影像采集技术
地面补摄影像采集，是指在地面上利用相机对目标物进行采集，用来解决倾斜摄影航摄盲区问题。地面影像数据在采集的时候，不但要考虑影像的重叠度，还要考虑相机的焦距，采集得到的影像的分辨率等。在采集影像时，需要使用专门的三脚架，将相机安置在三脚架上对目标进行采集。因为地面补拍的影像，通常是没有POS数据的，因此照片之间的位置属于相对关系，而且后期要和倾斜摄影影像融合，因此需要控制点对补摄采集的影像位置进行纠正。对于数据解算来说，影像的分辨率要尽可能一致，当分辨率差异大时，低分辨率影像匹配的点就会被当作误差点自动剔除，从而导致低分辨率影像不能参与运算。对于地面补摄的影像，首先将控制点坐标平移到原点坐标处，在补拍的影像上加完控制点，然后平差调整后，再将控制点坐标改为真实坐标，再次进行平差调整，作为最终成果，和倾斜摄影影像数据进行融合，从而保证后期模型数据不会出现“两张皮”问题。
4 应用实例
某城区要进行实景三维模型数据的生产，并且要对建筑物进行单体化处理。笔者在对项目需求分析后，提出采用倾斜摄影和地面补摄的方式采集影像数据，然后基于瞰景Smart3D软件，对两套数据分别进行空三解算，随后通过转刺控制点，对两套数据的绝对精度进行调整，待两套数据控制点三维误差均小于0.001m后，将两套数据合并，再次对包含公共控制点的影像进行坐标转刺，然后再次平差调整，得到融合后的空中三角测量解算成果。基于该空三成果，完成实景三维模型数据的生产。如图2所示，其中图2（a） 是倾斜摄影方式生产的模型成果，图2（b） 是基于倾斜摄影和地面补摄方式生产的实景三维模型成果。
4.1 基于SVSmodeler 软件的单体化模型制作
基于SVSmodeler软件的单体化模型制作主要包括单体化工程的创建、建筑物结构的制作和纹理的映射编辑。
4.1.1 单体化工程的创建
单体化工程创建需要的数据有OSGB格式的实景三维模型成果，无畸变影像和空三加密成果。首先创建空工程，然后加载模型数据，影像数据和空三成果，并对空三成果中的影像路径进行修改，确保影像可以正常访问到，路径改好后，创建影像金字塔，完成单体化工程的创建。
4.1.2 建筑物结构的制作
建筑物的结构制作主要包含三部分内容，分别是建筑物底面轮廓提取、建筑物主体结构制作和建筑物附属物制作。首先通过创建的立体模型像对，采集建筑物主体的轮廓线，作为建筑物的底面，其次以底面为基准，通过拉伸、挤压等操作得到建筑物的主体结构，最后对附属结构进行制作。附属结构一般都比较复杂，在制作的时候，由简到难，逐渐制作。或者通过对附属结构进行分解，分解为多个简单的结构，制作完成后，再和主体组合在一起，从而形成一个完整的建筑物单体化白模。
4.1.3 纹理的映射编辑
基于重建的立体模型像对，对单体化白模进行纹理的映射。单体化白模具有真实的地理坐标，重建的立体像对也有真实的地理坐标，基于坐标位置，完成影像纹理的映射。一般会匹配较多的纹理，可以人工选择最优的纹理进行映射。对于映射错位等与实际不符的纹理，联动Photoshop软件，对纹理进行编辑修饰，然后重新映射到模型上。本次作业中，建筑物上部分纹理主要来源于倾斜摄影的影像，而建筑物底部的纹理，来源于地面补摄的影像数据。纹理映射完成后，就得到了最终的建筑物单体化模型成果。
4.2 单体化模型和实景三维模型场景融合
本次生产的原始实景三维模型如图3（a） 所示，制作的建筑单体化模型如图3（b） 所示，优化后的模型场景如图3（c） 所示，采用模型合并软件，对图3（b） 和图3（c） 进行融合，得到如图3（d） 所示成果。
5 结束语
本文对单体化技术、倾斜摄影技术和地面补摄影像采集技术进行了介绍，并将倾斜摄影技术和地面补摄技术相结合，用于实际作业项目中，得到了结构更加完整的实景三维模型成果。基于“一张皮”模型中看不中用的问题，采用SVSmodeler软件对建筑物进行了单体化，利用两种数据源进行纹理贴图，得到了高质量单体化模型成果。并且和实景三维场景融合，得到了融合后的模型成果。本文的研究可以为建筑单体化和高质量模型数据制作的同行提供参考。
参考文献：
[1] 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.
[2] 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
.[3] 赵伟山，李治明，胡天明，等.基于倾斜摄影空地一体单体化建模技术的研究[J].地理空间信息，2022，20（6）：102-105.
[4] 郑月，陈吉，孙韬，等.基于无人机倾斜影像的模型重建单体化及精度研究[J].中阿科技论坛（中英文），2020（10）：83-85.
[5] 褚宁，米川.一种基于无人机倾斜摄影的高精度单体三维建模方法[J].地理空间信息，2023，21（11）：9-14.
[6] 陈欣.房屋倾斜摄影模型分层分户单体化方法研究[J].测绘与空间地理信息，2023，46（10）：36-38，46.
[7] 周宪，张淑玲.基于数字线划图的三维模型单体化技术方法研究[J].中国高新科技，2023（5）：103-104，143.
【通联编辑：梁书】