倾斜摄影模型建模

针对倾斜摄影模型“一张皮”，无法对目标进行单独操作和管理的问题，归纳总结了3种倾斜摄影模型建模单体化方法，并将分析结果进行对比，运用于实际生产中。

1 基于倾斜摄影测量的实景建模

倾斜摄影测量技术是国际测绘领域近年来倡导使用的一项高新技术。它打破了以往影像只能从正摄角度拍摄的局限性，通过在同一飞行器上搭载多台传感器来多角度采集影像数据，使用户能全方位地观察、制作建筑，更加真实地反映地物的实际情况。利用航空摄影大规模成图的特点，以及从倾斜影像批量提取和映射纹理的方式，能有效降低城市三维建模成本，快速建立城市三维模型，节省模型细部分析时间，简化模型纹理采集与处理方法，缩短项目周期，提高工作效率;并可直接利用成果影像进行高度、长度、面积、角度、坡度等属性的量测，扩展了倾斜摄影技术在行业中的应用。

2 倾斜摄影建模工艺研究

倾斜摄影建模首先在倾角条件下解算共线方程，通过寻找同名点将连续像对相对定向，形成连续整体模型;再利用外业控制点绝对定向，建立地理坐标下的实景模型;最终通过影像姿态和实景模型坐标匹配，实现纹理的自动映射。现行的倾斜摄影建模方式主要分为两种：①以街景工厂、Bently公司Context Capture为代表的全自动化建模方式，其中街景工厂更符合专业测绘，但使用要求高、价格昂贵，Context Capture更适合消费级别，灵活易用、相对便宜，倾斜摄影自动化建模软件还包括Photoscan、无限界、Pixel4D等;②以华正空间、东方道迩公司为代表的Li DAR倾斜自动化三维建模，通过专有软件，对机载传感器获取的倾斜影像(多角度倾斜摄影相机获取)和点云数据(激光传感器Li DAR获取)进行处理，通过点云数据构建形状信息，倾斜影像提供纹理图像，快速自动构建三维模型，其优点在于因点云密度大，能更真实、更高精度地表达实景模型，不足之处为大多数情况下机载激光和倾斜影像是独立飞行的，需人工对两种数据进行配准，人工成本较高，同一地块需飞行两次。

然而，无论基于何种方式建模，由于其生成技术机制，倾斜摄影自动化建模没有单体化，整个区域依然是一张起伏不平的连续的“表皮”，数据中的地表对象无法单独选中操作和管理，属性查询、空间查询以及专题图制作等GIS操作都无法实施，导致三维数据“好看”不“好用”，降低了模型数据的价值和实用性。

3 倾斜摄影模型单体化思路与解决办法

倾斜摄影模型单体化主要包括矢量切割单体化、矢量叠加单体化和模型重建单体化3种方式。

1)矢量切割单体化是一种最直观的思路，即用建筑物、道路、树木等对应的矢量面，对倾斜摄影模型进行切割，从物理上把连续的三角面片网分割开，实现单体化。该方法可从物理意义上把连片的模型真正分割开来，再对分割后的模型进行管理和操作。然而，由于倾斜摄影数据量大，切割是一项很费时费力的工作，不符合倾斜摄影建模高效率低成本的初衷。该算法的缺点表现为：①算法的切割是对已生成模型Mesh面的切割，而不是对三角网的重建，势必会在模型底边出现明显锯齿(三角面片的边界);②由于3DGIS对模型空间查询和分析能力远没二维GIS对面操作的成熟和灵活，因此其分析功能有限;③倾斜摄影模型本身带有多层LOD，切割仅针对最精细层进行，破坏了数据原生的LOD，也就无法直接加载模型，只能采用导入的方式;④切割一般只是把三角网分开了，而整块模型所对应的纹理并不会被切割开，因此会出现多份纹理，而重复大量的纹理是最影响三维渲染性能的，当数据量较大时将导致三维浏览性能的急剧下降。

2)目前市场上大部分基于倾斜摄影三维模型的应用均采用叠加配套矢量面的方式，利用与摄影对象配套的二维矢量面为用户提供类单体的实用表达与操作体验，实现了对象化的表达与操作，打通了倾斜摄影模型与二维矢量面之间的二三维一体化通道，即矢量叠加单体化。该方法主要以超图Super Map等GIS应用软件为代表，在三维渲染过程中，动态地把对应矢量面叠加到倾斜摄影模型上，该矢量面在一定阈值范围内垂直地表方向生成包围盒，判断哪些三角网在其范围内(包括空中三角网)，用半透明颜色贴合三角网，从视觉上实现模型被完整套合、单个管理操作的效果。该方法操作简单，人工干预少，不会因破坏Mesh面而影响模型渲染速度，且不破坏原始数据的LOD。矢量面可通过已有DLG数据配准、正射影像半自动勾画矢量面、倾斜模型成果自动生成DLG等多种方式获取。通过二维矢量挂接属性数据，更贴合GIS功能应用，且二维分析查询功能成熟，更符合GIS应用的需求。

然而，该方法并非真正意义上的单体分离，表面上看起来是单体效果，实则只是简单地调用了对象轮廓的矢量面，真正意义的单体化不只是为了单体，也为了分离。而作为智慧城市的数据空间基础，需要的是一个全要素的城市三维模型，即把地表的所有东西都分离出来，实现单体又分离的功能，为后续的用户使用提供方便。例如：关注房屋的用户可只提取自己关心的房屋数据，而不必提取不关心的周围环境数据;关注路网的用户可只提取关注的路网数据，这才是真正单体化的优势。若不能做到分类实体的对象化管理，用户不得不花更多的时间和更高的费用来处理不需要的数据。

3)模型重建单体化以天际航DP-Modeler、SVS智觉空间、中海达OSketch等软件为代表，以连续倾斜摄影数据为基础数据源，进行人工干预。将建模成果导入软件进行精化编辑，通过模型重建在原有场景上达到分离效果，实现模型的单体化。结合地面照片，集成低空数据，能有效弥补航空影像对于底商、地面、城市部件等信息的缺失，在单体化的同时，完成整个场景的修饰。该过程更类似于人工建模，但与传统建模方式相比，能通过对影像多角度地观测建模，达到模型与影像的完整套合，使模型具有精确的三维坐标信息。模型贴图自动从影像中采集，一键映射完成模型贴图。该方法相较于矢量叠加单体化需要更多的人工干预，侧重提供产品，而非GIS级别应用。

4 模型单体化实验结果与分析

本文以武汉东湖高新技术开发区为实验区，对该区域进行倾斜摄影，并利用Bentely Context Capture 4.3生成倾斜实景三维模型，选择非农田(不具备单体化价值)、非高楼(高楼区倾斜摄影下部因遮挡严重，模型效果差)的普通民房区作为单体化实验区域。

本文对3种模型单体化方式进行对比：

1)基于Bently Descartes V8i软件，利用Mesh面切割后的效果。Descartes主要针对obj格式文件，选择需要裁剪模型区域，直接破坏Mesh面进行模型分割。

2)利用超图Super Map 9D叠加矢量面后的效果。利用软件生成DSM，提取所有等值线后，可生成建筑物基本轮廓。对初始轮廓线进行数据删除、合并、线段点抽稀等操作，得到建筑物顶部矢量面，并为这些矢量面选择合适的显示方式(包括颜色、透明度、贴合模型方式等)，使矢量面向下延伸贴地，即可实现GIS意义上的单体化效果。

3)利用天际航DP-Modeler 2.0对房屋进行重建，并替换原有Mesh面的效果。DP-Modeler 2.0提供模型重建和修饰功能。模型重建与传统3d Max三维建模方式类似，在倾斜摄影模型上捕捉点、线生成特征体，纹理通过照片坐标和模型坐标匹配，人工可进行干预选择最佳纹理吻合区域，自动纹理映射。重建后的模型依然导出为osgb格式，替换原有osgb文件，以保证数据格式和特点的一致性。

对于用户仅需存储和拷贝其拥有的建筑模型，而不关心周边情况，可采用矢量切割单体化方式，以满足仅需单独建筑模型的需求;对于倾向于对象的选中操作管理的用户，仅将目标“对象化”和“可管理化”，则矢量叠加单体化方式代价更小，便捷高效;对于需要真正意义上的单体，更倾向于数据整饰优化的用户，则模型重建单体化方式更为合适。

5 倾斜摄影模型单体化应用

倾斜摄影模型只有进行单体化后才能成为真正意义上的GIS数据，具备图查属性、属性查图、缓冲区查询、制作专题图等功能，并在三维空间分析方面实现通视分析，(动态)可视域分析，天际线、剖面线分析，三维体渲染等操作，为智慧城市、规划、国土、测绘、军事、灾害应急、农林业、旅游、文物保护等行业提供可操作的三维数据来源，以及系统、完整的解决方案与服务。

基于倾斜摄影的三维建模因其高效率、高精度、高真实感、低生产成本的优势，已成为大规模城市三维重建的重要手段。根据不同生产需求、应用领域选择合适的单体化方式，将精细化三维实景模型与GIS分析无缝整合，在智慧城市建设中具有很强的应用价值。