基于傾斜攝影測量和DLG成果的三維建模與發(fā)布

鐘國

（河南省遙感測繪院，河南 鄭州 450003）

1 引言

目前市面上自動建模軟件得到的三維數(shù)據(jù)是由密集匹配生成的點(diǎn)云數(shù)據(jù)連接成的不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN）組成，輸出成果通常是osgb 格式，而數(shù)據(jù)量的大小直接影響數(shù)據(jù)的傳輸和瀏覽。許多學(xué)者提出了利用單體化的方法對地物進(jìn)行統(tǒng)一管理[1-2]。為此，本文嘗試重構(gòu)單體化以減少三維數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量，提高三維數(shù)據(jù)加載效率，同時在不需要進(jìn)行精細(xì)模型區(qū)域以DLG 數(shù)據(jù)為建筑底圖，快速推拉出較低等級模型。

2 傾斜攝影數(shù)據(jù)獲取

將外業(yè)采集到的多視影像、POS 數(shù)據(jù)以及相機(jī)自檢校獲取的相機(jī)參數(shù)作為原數(shù)據(jù)輸入Smart3D。在軟件中采用旋轉(zhuǎn)、特征提取及密集匹配得到參與空三加密有效影像的旋轉(zhuǎn)矩陣和像主點(diǎn)位置。在空三加密中各控制點(diǎn)和檢查點(diǎn)的精度滿足要求的前提下，利用軟件生成osgb 格式的三維模型。

3 單體化模型

3.1 單體化技術(shù)路線

Sketchup 軟件操作簡單易上手，編輯功能較強(qiáng)，有學(xué)者已利用Sketchup 做出相關(guān)嘗試，但不能引入傾斜攝影空三加密成果和osgb 三維模型，或僅引入空三加密成果，需在立體環(huán)境下確定建筑物高度，并應(yīng)用單片對模型貼圖[3-4]。故若能兼顧Sketchup 自身建模優(yōu)勢、傾斜攝影的空三加密成果和三維模型成果的優(yōu)點(diǎn)，則可提升單體化效率。

根據(jù)OGC（Open Geospatial Consortium）中有關(guān)城市模型不同語義層級的定義[5]，城市的不同區(qū)域，需要的單體模型層級不同。CityGML 定義的5 個細(xì)節(jié)層級如圖1 所示，某項(xiàng)目要求的單體精細(xì)度與細(xì)節(jié)層級對照如表1 所示。

表1 某項(xiàng)目要求的單體精細(xì)度與細(xì)節(jié)層級對照

3.2 多視影像建模

經(jīng)過空三加密處理之后的影像會恢復(fù)拍攝時的位置關(guān)系，如圖2 所示。對任意一個在航線中的建筑物來說，靠近正上方的影像即正射影像拍攝到的屋頂細(xì)節(jié)更豐富，偏離正上方的影像即傾斜影像則能拍攝到更多立面細(xì)節(jié)，例如建筑物高度、陽臺側(cè)面等。

圖2 影像位置關(guān)系

3.3 三維視圖建模

在確定單體模型中某些面的高度或立面的縮進(jìn)程度時，除利用影像邊界位置，還可通過三維場景中的osgb 模型確定。如圖3 所示，從左至右分別為LOD1、LOD2、LOD3 層級的單體模型與三角網(wǎng)交錯顯示情況。

圖3 不同層級單體模型與osgb模型套合顯示

3.4 基于DLG 數(shù)據(jù)建模

若區(qū)域內(nèi)已有相同坐標(biāo)的地形圖數(shù)據(jù)（如DWG 格式的數(shù)據(jù)），可將該數(shù)據(jù)導(dǎo)入工程，再利用Sketchup的自動構(gòu)面插件，將DLG 數(shù)據(jù)中閉合線條自動封閉成平面。由影像或osgb 模型可判斷建筑物高度，使用推拉工具，可將平面推拉成為LOD1 或LOD2 層級單體化模型。如圖4 所示，DLG 數(shù)據(jù)和傾斜攝影得到的osgb模型和影像套合顯示，平面位置無差異。圖5 顯示了采用DLG 數(shù)據(jù)推拉成的建筑物立體結(jié)構(gòu)。

圖4 DLG數(shù)據(jù)與影像和模型的無縫套合

圖5 DLG數(shù)據(jù)自動構(gòu)面后的立體結(jié)構(gòu)

3.5 紋理映射

3.5.1 紋理自動映射

在拍攝物體時，如一個立面，影像得到的并非正射投影，而是隨拍攝角度不同，產(chǎn)生一定的變換，即透視變換。因此需將平面投影到影像上對應(yīng)的四邊形紋理，經(jīng)過糾正成為矩形并映射到對應(yīng)平面。具體方法為 ：確定四邊形區(qū)域與紋理UV 坐標(biāo)的一一對應(yīng)關(guān)系。如圖6 所示，同一平面投影到不同方位影像上的UV 坐標(biāo)顯示。自動映射后得到的紋理特征如圖7 所示。

圖6 平面投影在影像中的UV框

圖7 經(jīng)過紋理映射的平面（上）與群組（下）

3.5.2 紋理人工完善

由于某些植被距離建筑物立面較近，航空影像采集的角度并非任意，故采集到的立面紋理被地物遮擋，可利用第三方紋理編輯工具修復(fù)紋理，如圖8 所示。

圖8 修復(fù)前紋理（左）與修復(fù)后紋理（右）

3.6 紋理融合與導(dǎo)出

完成紋理映射之后的模型在Sketchup 中，每個平面對應(yīng)一張紋理。該種紋理存儲方式不利于后續(xù)模型可視化。場景過大，單體模型數(shù)量較多，可能會因?yàn)橛?jì)算機(jī)沒有過多資源，導(dǎo)致工程退出。為提高可視化效率，軟件會將導(dǎo)出的紋理進(jìn)行封裝，如圖9 所示。

圖9 封裝的紋理

4 單體數(shù)據(jù)發(fā)布

4.1 建模效率及數(shù)據(jù)量統(tǒng)計(jì)

利用OSketch 軟件完成某項(xiàng)目后，對作業(yè)效率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，完成情況以及數(shù)據(jù)量對比分別如表2 和表3所示。數(shù)據(jù)量統(tǒng)計(jì)均為非壓縮狀態(tài)。由表3 可知，項(xiàng)目所得osgb模型的數(shù)據(jù)量是單體模型成果的約25倍。

表2 某項(xiàng)目工作量統(tǒng)計(jì)

表3 項(xiàng)目成果數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量統(tǒng)計(jì)

4.2 數(shù)據(jù)發(fā)布

利用StampGIS 發(fā)布o(jì)bj 單體模型、測區(qū)DOM、DEM 數(shù)據(jù)，得到的三維場景包含地面起伏狀況、建筑物信息。建筑物以外地物（如樹木、公園小品、路燈等）采用平臺自帶的模型庫按照DOM 放在相應(yīng)位置。數(shù)據(jù)在平臺上的成果如圖10 和圖11 所示?；贒LG 批量推拉成的數(shù)據(jù)無屋頂結(jié)構(gòu)，用于非重點(diǎn)區(qū)域快速重建?；趏sgb 和多視影像建模適用于重點(diǎn)區(qū)域精細(xì)建模。

圖10 基于DLG數(shù)據(jù)單體模型發(fā)布成果

圖11 基于osgb數(shù)據(jù)單體模型發(fā)布成果

5 結(jié)論

采用本文所用的方法可快速為三維城市的建設(shè)提供有效的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。如何進(jìn)一步提高單體數(shù)據(jù)的自動化程度，特別是對單體模型要求較高的區(qū)域，是未來工作中需要繼續(xù)研究的重點(diǎn)。