城市級(jí)實(shí)景三維建模方法比較分析*

趙杏英 ，王金鋒

（1．中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 311122；2．浙江省工程數(shù)字化技術(shù)研究中心，浙江 杭州311122；3.浙江華東工程數(shù)字技術(shù)有限公司，浙江 杭州 311122）

實(shí)景三維建模依托傾斜攝影測(cè)量數(shù)據(jù)成果，結(jié)合攝影測(cè)量學(xué)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)算法，通過(guò)自動(dòng)化處理手段，可獲得實(shí)景全要素、可量測(cè)的三維模型?，F(xiàn)階段，城市級(jí)實(shí)景三維建模生產(chǎn)主要包括基于傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的實(shí)景三維建模（簡(jiǎn)稱傾斜三維建模）和基于激光雷達(dá)（LiDAR）與傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的實(shí)景三維建模（簡(jiǎn)稱LiDAR傾斜三維建模）兩種。

傾斜三維建模具有全自動(dòng)生產(chǎn)、模型精度高、貼圖紋理色彩符合實(shí)際等特點(diǎn)。LiDAR傾斜三維建模可結(jié)合兩種技術(shù)手段各有優(yōu)勢(shì)，改善建模效果、提高建模精度，解決了人工建模方式真實(shí)度和精度差的問(wèn)題。

1 建模原理

傾斜三維建模采用匹配三維建模技術(shù)，即從大重疊度的傾斜影像立體像對(duì)中，利用同名點(diǎn)匹配方式，通過(guò)數(shù)學(xué)運(yùn)算生成三維點(diǎn)云，在此基礎(chǔ)上快速構(gòu)建三維模型，如圖1所示。

LiDAR傾斜三維建模，將獲取到符合要求的傾斜影像和區(qū)域點(diǎn)云成果，通過(guò)自動(dòng)化或半自動(dòng)化手段對(duì)兩種數(shù)據(jù)進(jìn)行解算合成處理，快速生成三維模型，如圖2所示。

圖2 LiDAR 傾斜三維建模示意圖

2 生產(chǎn)流程

（1）傾斜三維建模，其主要生產(chǎn)流程如下：獲取多視角傾斜影像；密集點(diǎn)云提取，基于多視影像構(gòu)建金字塔、進(jìn)行密集匹配，提取密集點(diǎn)云；Mesh模型構(gòu)建，基于點(diǎn)云構(gòu)建Mesh模型幾何結(jié)構(gòu)，包括構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)、三角網(wǎng)的優(yōu)化與光滑；紋理映射，即建立三角網(wǎng)與紋理的相互關(guān)系，完成實(shí)景模型的自動(dòng)創(chuàng)建與紋理自動(dòng)關(guān)聯(lián)；模型生產(chǎn)，按照成果格式要求輸出模型成果。

圖1 匹配三維建模示意圖

（2）LiDAR傾斜三維建模，其主要生產(chǎn)流程如下：利用機(jī)載LiDAR和傾斜攝影分別獲取LiDAR點(diǎn)云和傾斜影像；對(duì)獲取的點(diǎn)云進(jìn)行分類；將分類后的地面點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成區(qū)域DEM；利用區(qū)域DEM對(duì)航攝影像進(jìn)行正射糾正，拼接生成區(qū)域DOM；建筑物建模，將精細(xì)分類完成的建筑物點(diǎn)云和糾正拼接生成的DOM導(dǎo)入建模軟件中，作為建模參考依據(jù)，然后編輯建筑物模型輪廓，得到三維白模；紋理貼圖，使用配準(zhǔn)的傾斜影像進(jìn)行紋理貼圖處理，最終生成整個(gè)城市的建筑物模型。

3 關(guān)鍵指標(biāo)分析

3.1 自動(dòng)化程度

傾斜三維建模，在密集點(diǎn)云提取、Mesh模型構(gòu)建、紋理映射、模型生產(chǎn)等過(guò)程中可以實(shí)現(xiàn)軟件全自動(dòng)化生產(chǎn)，自動(dòng)化程度高。傾斜三維建模軟件市場(chǎng)化程度較高，國(guó)外的有Bentley公司的ContextCapture（原法國(guó)Acute 3D公司的Smart 3D Capture）、AgiSoft公司的Photo-Scan、Pix 4D公司的Pix 4D mapper、Astrium公司的Street Factory、Skyline公司的PhotoMesh，國(guó)內(nèi)的有珠科創(chuàng)新的Altizure。以成熟度最高的Context Capture為例，單機(jī)可實(shí)現(xiàn)8000～10000張照片自動(dòng)化處理和建模，若采用集群化處理方式，還可以大幅度提高其數(shù)據(jù)生產(chǎn)效率。

LiDAR傾斜三維建模，在點(diǎn)云分類、DEM生產(chǎn)、DOM生產(chǎn)、紋理貼圖等階段基本可以實(shí)現(xiàn)軟件的自動(dòng)化生產(chǎn)，在建筑物建模上采用的核心建模算法不同，其自動(dòng)化程度有一定差距。武漢華正的真實(shí)三維影像技術(shù)快速構(gòu)建系統(tǒng)（3D Real World）能將傾斜影像與同區(qū)域激光點(diǎn)云兩種數(shù)據(jù)進(jìn)行高度自動(dòng)化的解算合成處理，快速生成實(shí)景三維模型。但該產(chǎn)品不對(duì)外銷售，核心算法并未公開(kāi)，商業(yè)化程度低。除此之外，市場(chǎng)上主流的建筑物建?；静捎冒胱詣?dòng)的建模方式，即基于立體像對(duì)采集地物幾何輪廓，配合建立的模型庫(kù)，利用匹配擬合技術(shù)實(shí)現(xiàn)建筑物建模，典型的有德國(guó)Virtual City System的Building Reconstruction，瑞典?？怂箍档腍ex Map Real City。

3.2 可視化效果

傾斜三維建模是對(duì)地理空間的全要素表達(dá)，故模型真實(shí)、可靠。但由于該方法是基于攝影測(cè)量的原理，對(duì)于弱紋理地物、微小地物、近地面地物等建模上存在著天然的弊端，因此會(huì)造成弱紋理地物建模空洞、局部建筑結(jié)構(gòu)缺失、紋理映射錯(cuò)誤、紋理嚴(yán)重扭曲等問(wèn)題，一定程度影響了實(shí)景三維模型的整體效果。

LiDAR傾斜三維建?？梢猿浞职l(fā)揮兩種技術(shù)手段的優(yōu)勢(shì)，尤其是在建筑物建模上，能解決建筑物結(jié)構(gòu)缺失，紋理映射等問(wèn)題，改善建模效果，提高建模精度。但由于該方法側(cè)重于對(duì)地形、建筑物的表達(dá)，對(duì)于植被、景觀等地物要素的表達(dá)上相對(duì)不足。目前有兩種模式：一種是采用3dmax模型批量布置的方式進(jìn)行表達(dá)，另一種是直接采用DEM、DOM建立的三維場(chǎng)景來(lái)進(jìn)行表達(dá)，這兩種方式在真實(shí)性、逼真效果上都不如傾斜三維建模。

3.3 成果精度

傾斜三維建模雖然能夠進(jìn)行嚴(yán)格的空三加密處理，但受到噪聲干擾或影像特征點(diǎn)不明顯等影響，匹配的結(jié)果具有很大的不確定性、隨機(jī)性，解算得到的三角網(wǎng)不能滿足相應(yīng)比例尺定位精度的要求，基于此類數(shù)據(jù)進(jìn)行的三維分析，結(jié)果可信度差。若要提高模型的精度，則需要降低飛行高度、提高傾斜影像地面分辨率；若要達(dá)到1∶1000的精度要求，則影像分辨率需要控制在3cm左右。雖然不少單位也在嘗試1.5cm、2cm甚至更高分辨率的影像，以滿足1∶500的精度要求，但此方法會(huì)顯著增加外業(yè)采集和內(nèi)業(yè)建模工作量，因此不適合城市級(jí)實(shí)景三維建模項(xiàng)目。

LiDAR傾斜三維建模采用高精度的激光點(diǎn)云作為模型TIN網(wǎng)構(gòu)造的數(shù)據(jù)源，其處理階段嚴(yán)格遵循攝影測(cè)量工藝，因此，具有非常高的測(cè)繪精度和精度可靠性，整體及局部的高程、平面精度均能夠達(dá)到1∶1000的比例尺精度標(biāo)準(zhǔn)。雖然LiDAR技術(shù)完全可以達(dá)到1∶500的精度要求，但融合傾斜攝影后，需要降低飛行高度、提高影像分辨率，出于安全性、項(xiàng)目成本因素的綜合考慮，現(xiàn)階段城市級(jí)實(shí)景三維建模精度一般以1∶1000為主。

3.4 生產(chǎn)成本

LiDAR傾斜三維建模由于同時(shí)采用了機(jī)載雷達(dá)（LiDAR）和傾斜攝影兩種技術(shù)手段，在硬件上，需要同時(shí)投入兩套設(shè)備，機(jī)載激光掃描設(shè)備昂貴，動(dòng)輒需要幾百萬(wàn)，因此設(shè)備成本較高。對(duì)于外業(yè)采集，該方法需要執(zhí)行兩次航飛，分別獲得點(diǎn)云和傾斜影像，故外業(yè)生產(chǎn)周期相對(duì)偏長(zhǎng)。對(duì)于內(nèi)業(yè)生產(chǎn)，雖然傾斜影像少了模型生產(chǎn)環(huán)節(jié)，但介于目前主流的建筑物建模仍以半自動(dòng)化建模為主，故整體生產(chǎn)周期相對(duì)偏長(zhǎng)。總之，LiDAR傾斜三維建模相對(duì)于傾斜三維建模的生產(chǎn)成本要高。以1∶1000的精度為例，據(jù)市場(chǎng)調(diào)研，前者的生產(chǎn)成本大致為2.5萬(wàn)元/km2，后者若采用地面影像分辨率3cm的實(shí)景三維模型生產(chǎn)成本大致為2萬(wàn)元/km2。因此，前者更適用于大范圍的城市三維模型，一般建議生產(chǎn)任務(wù)在100km2以上時(shí)投入較為合適。

3.5 數(shù)據(jù)應(yīng)用

在數(shù)據(jù)容量上，雖然LiDAR傾斜三維建模在外業(yè)采集階段需要獲取激光點(diǎn)云和傾斜影像兩種數(shù)據(jù)，原始數(shù)據(jù)量較大，但最終成果中的建筑物需以單體模型表示，其他植被、景觀等地物要素需采用3dmax模型加三維地形場(chǎng)景，或直接用三維地形場(chǎng)景來(lái)表示。相對(duì)于傾斜三維模型，LiDAR傾斜三維建?？娠@著壓縮數(shù)據(jù)量，一般可降到傾斜三維模型的50%，因此更適合互聯(lián)網(wǎng)的傳輸和城市級(jí)展示。

在應(yīng)用領(lǐng)域方面，上述兩種方法生產(chǎn)的實(shí)景三維模型都可用于面向公眾的展示和互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，可滿足規(guī)劃、國(guó)土、公安等領(lǐng)域?qū)鹊囊?，能進(jìn)行數(shù)據(jù)的對(duì)象化管理，還能進(jìn)行結(jié)果可靠的三維分析，適合作為基礎(chǔ)的城市空間數(shù)據(jù)。

4 結(jié)束語(yǔ)

文章根據(jù)建模原理、生產(chǎn)流程和關(guān)鍵指標(biāo)等，深入探討當(dāng)前主流的兩種城市級(jí)實(shí)景三維建模技術(shù)，可以看出這兩種方式各有優(yōu)劣，實(shí)際應(yīng)用時(shí)需要取長(zhǎng)補(bǔ)短、合理選擇。雖然基于項(xiàng)目生產(chǎn)周期、生產(chǎn)成本等方面考慮，傾斜三維建模目前仍是城市級(jí)實(shí)景三維建模的主要手段。但隨著自動(dòng)化建模、貼圖處理等自動(dòng)化算法的不斷改進(jìn)和完善，LiDAR傾斜三維建模憑借其集成多源數(shù)據(jù)的優(yōu)勢(shì)將會(huì)在城市級(jí)三維建模中越來(lái)越發(fā)揮出其重要作用。

隨著機(jī)載雷達(dá)、移動(dòng)激光掃描、無(wú)人機(jī)、傾斜攝影、空地一體化等技術(shù)的發(fā)展，為城市級(jí)實(shí)景三維模型的生產(chǎn)帶來(lái)了更多機(jī)遇和選擇，未來(lái)的城市級(jí)三維模型必定是多源模型融合的成果，可為智慧城市建設(shè)提供時(shí)效性更強(qiáng)、更真實(shí)、更精確、對(duì)象化程度更高的時(shí)空信息基礎(chǔ)設(shè)施，從而促進(jìn)政府機(jī)構(gòu)改革和職能轉(zhuǎn)變，全面提高城市治理水平。