城市建筑三維自動分體系統的設計與實現

黃 瑤，張彩霞，楊璐璐，張晨曦*

（1.中科遙感科技集團有限公司，天津300380）

城市建筑三維自動分體系統的設計與實現

黃 瑤1，張彩霞1，楊璐璐1，張晨曦1*

（1.中科遙感科技集團有限公司，天津300380）

傳統三維GIS平臺多以單體制作、場景集成和發布為主要技術流程，場景更新周期長、投入大；基于傾斜攝影測量原理的Street Factory、Smart3DCapture解決方案便于構建mesh三維模型，較傳統三維平臺更加精確高效，但因無法直接對單體對象進行編輯導致應用受限。因此，提出了對mesh三維模型自動分體的構想，設計開發了城市建筑三維自動分體系統City Clipper。該系統以A3傾斜攝影測量數據為基礎，通過建立高度和光譜規則算法庫以區分地物和地類，從背景信息中提取出建筑信息；同時對植被、道路等興趣地物進行判別，實現城市建筑的三維自動分體功能。

智慧城市；自動分體；mesh三維模型；A3數據

隨著我國經濟不斷發展，城市規模進一步擴大，城市數字化和智慧化建設成為城市發展的新方向。三維建設是城市建設中不可或缺的部分，在城市規劃管理[1-3]、環保應用[4]、地質地形勘察[5]、安保措施[6]等多個領域都有著較為廣泛的應用。城市三維平臺是城市信息化的基礎設施之一，由于智慧城市行業應用的深入，相關職能部門越來越迫切地需要更真實、更完整、更高精度的三維空間數據作為智慧城市的空間載體，為智慧城市提供實時、有效的空間信息。

國外主流的城市三維軟件產品包括ESRI公司推出的ArcGIS Explorer、EsriCityEngine，Google公司推出的Google Earth，Skyline公司推出的TerraExplorer，科納斯團隊發布的OpenGL等。賀軍亮[7]等采用Google SketchUp對實體景觀進行三維建模及優化，利用ArcGlobe集成DEM建立虛擬三維場景，通過ArcGIS Server發布和管理地圖，提供免費客戶端遠程訪問和應用，實現了基于3DGIS的虛擬場景制作與發布。付從梅[8]通過融合遙感數據與DEM數據建立了人防工程三維模型，對地形模型、矢量數據和三維模型進行了網絡發布，利用Skyline三維可視化平臺完成了數據的集成與展示，對人防工程三維可視化系統進行了總體設計。謝俊峰[9]等詳述了基于OpenGL的三維地圖場景制作流程：首先分別對地貌、水系等多要素層建立模型，再通過DTM集成形成一體化的三維數據模型，最后將三維模型顯示在三維場景中并發布地圖場景。國產城市三維軟件也有著良好的發展，武大吉奧的GeoGlobe是面向用戶提供標準空間信息服務的框架平臺，具有架構完整、部署靈活、功能強大等特點，可通過桌面、Web、移動端對地理信息進行地圖瀏覽、空間分析、數據管理、服務發布，實現不同時相、不同分辨率的異構三維虛擬地球的數據共享集成[10-11]。適普的IMAGIS軟件操作簡單，DEM建立較為方便，可直接使用數字攝影測量數據，建筑物紋理添加方便[12]。

然而，上述傳統三維平臺多以單體模型制作—三維場景集成—場景發布為主要工作流程，“三步走”的工作方式導致場景更新周期長、投入大，已越來越難以滿足智慧城市時效性、經濟性的需求。隨著航空傾斜攝影測量技術的發展，街景工廠（Street FactoryTM）、智慧3D（Smart3DCaptureTM）等新型軟件支持快速、全自動化處理街道影像，并生成三維城市模型，兼容各種傾斜航攝儀數據、定位姿態數據，可快速處理垂直和傾斜相片的空中三角測量技術問題，實現自動三維建模；但新型軟件所建立的城市均為mesh三維模型，無法對建筑單體進行選擇編輯、添加屬性和空間分析，業務化應用受到極大限制，應用面狹窄。因此，研究城市建筑三維自動分體技術已成為國內外技術產品的發展趨勢，研發可單體編輯、數據快速更新、移植性強的應用系統具有良好的市場前景，對三維產業具有重要的推動作用。

1 系統概述

City Clipper城市建筑三維自動分體系統基于傾斜攝影測量原理，研究了城市三維快速建模技術，實現了建筑單體的自動提取，彌補了街景工廠等先進技術僅能實現自動化城市三維建模但無法對單個建筑進行編輯的不足。該技術在城市三維建模應用上實現了重大突破，為國內三維街景導航電子地圖的生產與服務、智慧城市建設以及相關領域應用提供了更加優化的技術支持，極大地提高了國內遙感與地理信息資源利用率，推動了行業整體發展，在滿足相關應用需求的同時產生了巨大的社會與經濟效益。

City Clipper系統主要以以色列VisionMap公司引進的新一代數據航空攝影系統A3采集的高精度航空傾斜影像為數據支撐。A3系統獲取10～25 cm分辨率影像的效率是同類數碼航空攝影系統的2～4倍，并可自動完成空中三角測量，生成DSM、DOM等產品[13]。City Clipper系統在A3自動數據處理系統的基礎上，研發了城市建筑mesh三維模型自動分體技術。系統的主要研究內容包括：①對osgb三維數據進行解析，獲得TIN、點云數據以及幾何信息與紋理信息的對應關系；②研發智能分體技術，建立智能過濾規則算法庫，對建筑、植被等物體進行分類提取，獲得建筑、植被等單體的位置信息和分類信息；③以建筑或樹木等單個模型為單元對TIN中每個不規則三角形進行分類，完成模型三角網分體；④對TIN進行優化，使模型形狀更加逼真，提升展示效果；⑤對優化后的建筑單體重新截取傾斜攝影數據進行貼圖；⑥支持模型單體屬性構建，可針對不同行業的業務應用，為地物添加屬性信息。

2 系統設計

系統結構分為數據層、技術支撐層和展示應用層。系統以A3數據為支撐，為三維模型構建和提取提供了數據層面的支持。技術支撐層是系統核心和難點所在，旨在為系統的展示應用做好技術準備；主要負責對數據的智能分體任務，即在三維數據的基礎上進一步提取建筑、地面、樹木、道路等單體信息，通過智能分體技術處理后的數據經數據解析、高度提取、光譜提取、二值化處理后最終流向應用層。應用層可依據用戶需求靈活搭建，可實現三維情景展示、漫游、分類控制、屬性關聯、三維分析等功能。在此基礎上疊加規劃、地籍、安防等具體需求，可開發具體的業務系統。City Clipper系統總體設計如圖1所示。

圖1 City Clipper系統總體設計圖

系統采用的技術體系為：語言/開發框架：C++；核心底層庫：OSG、GDAL/OGR、OpenGL；核心插件/擴展：OSGEarth、VPB、LibCurl；數據存儲：PostgreSQL+PostGIS。

3 系統功能實現

3.1 數據解析模塊

將現有基于傾斜攝影測量的自動三維建模成果，包括osg、osgx、osgt、live、obj等三維數據統一為osgb格式；再將轉換后的osgb數據解析為幾何信息與紋理信息，如TIN、點云等，同時解析出幾何信息與紋理信息的對應關系，為單體分類作準備。

3.2 智能分體模塊

該模塊主要通過建立高度和光譜規則算法庫來區分地物和地類，從背景信息中提取建筑信息，同時對植被、道路等興趣地物進行判別。

3.2.1 高度判別

利用高度區分整個城區模型中的建筑與非建筑區域，并自動對建筑區域進行單體分離，實現對建筑單體模型的自動提取。將初步解析的數據結合中心城區建筑高度控制導則進行深度解析，自動確定模型數據的建筑高度分界點；再利用建筑高度分界點對模型數據中的幾何數據進行分類，若幾何數據高于建筑高度分界點，則將該點視為建筑點，并保存該幾何數據。建筑模型的建立是基于同一時相航飛測量結果的，避免了人工建模時精度參差不齊的缺點。將經過判斷的幾何數據進行二值化處理，具體過程為：首先將TIN中三角形投影成二維平面，取3個坐標點的平均高程值Z作為判別標準，當平均高程值大于等于幾何數據高程值時（Z≥N），則將三角形內柵格像元值均賦為1，而Z＜N時將像元值賦為0，由此可得到二維的二值柵格圖像；再將二值柵格圖像矢量化，根據矢量數據中多邊形或圖斑面積的大小去除噪點。利用二值化后的幾何數據對初步解析后的模型數據進行再判讀，若點坐標為建筑數據，則保存該坐標點及其紋理數據，否則將其刪除。

3.2.2 光譜判別

根據光譜特征，對影像數據進行地物判別，可迅速識別影像中的綠樹，并生成屬性值為0和1的二值柵格圖像。對上述二值柵格圖像進行矢量轉換，將其轉為矢量數據，并根據面積大小進行去噪。

3.2.3 模型分類

將高度判別方法和光譜判別方法提取的地物范圍矢量數據進行屬性合并，生成的圖斑屬性為11、10、01、00。高度判別結果和光譜判別結果同為1表示像元為高樹；二者同為0表示為道路或平地；高度判別結果為1，光譜判別結果為0表示建筑；高度判別結果為0，光譜判別結果為1表示地表綠地；即屬性11表示樹、00表示平地或路、10表示建筑、01表示地表植被。

將紋理數據所包含的光譜信息與植被在紋理數據的光譜分布相結合，對紋理數據中的植被信息進行提取。將紋理數據中提取出的植被信息與非植被信息進行二值化處理，對非植被的紋理數據進行刪除，對包含植被信息的紋理數據進行保存。依據初步解析中幾何數據與紋理數據的對應關系，將紋理數據映射到幾何數據，再根據保存的植被紋理數據提取幾何數據中的植被信息。將提取植被后的幾何數據進行二值化處理，判斷幾何數據是否為植被，若幾何數據為植被，則存儲幾何數據；若為非植被，則刪除幾何數據。模型分類過程如圖2所示。

圖2 模型分類過程

3.2.4 單體自動編號

按照順序對經過模型分類的矢量數據的每個圖斑進行ID自動編碼，如圖3所示。由此，每個圖斑包含兩個必要信息：ID和分類屬性。

3.2.5 三角形分體及TIN優化

判斷三角形3個頂點是否落在某個多邊形內，將多邊形ID和分類信息賦予所有在此多邊形內的三角形，見圖4。由此，每個TIN中三角形得到兩個屬性信息：①每個三角形屬于道路、建筑、樹木、平地的分類信息；②每個三角形屬于哪個多邊形的唯一標識ID。對同一個建筑（具有相同ID）的TIN按照一定條件進行合并，如對具有相鄰公共邊且方向角差異小于某閾值（170～190°）的三角形進行合并優化，重新構建TIN。

圖3 單體自動編號

圖 4 三角形分體

4 結 語

City Clipper系統以A3傾斜攝影測量數據為基礎，通過建立高度和光譜規則算法庫以區分地物和地類，從背景信息中提取建筑信息，同時對植被、道路等興趣地物進行判別，實現了對城市建筑的三維自動分體，彌補了mesh三維模型應用無法對單個建筑進行編輯的弊端。系統具有以下特點：①生產效率高。系統打破了傳統三維場景“三步走”的復雜制作流程，直接由mesh三維模型分離出建筑單體模型，自動化程度高，縮短了三維場景的更新周期，提高了三維數據的生產效率。②產品精度高。城市mesh三維模型建立基于同一時相的航飛測量結果，建筑單體提取方式基于同種算法規則，整個作業流程幾乎無需人工干預，避免了人工建立建筑單體模型過于虛假的問題和人為主觀因素造成的模型精度參差不齊。③應用范圍廣泛。City Clipper系統能為智慧城市的建設提供有力的數據保障，可以應用在城市規劃、土管、安防等多個領域，具有重大的社會價值。④經濟效益可觀。系統作為智慧城市三維建模的關鍵技術，可為目前市場上眾多的mesh模型單體化提取提供服務，承接相關項目，創造可觀的經濟效益。

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P208

B

1672-4623（2017）07-0031-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2017.07.009

黃瑤，碩士研究生，工程師，主要研究方向為攝影測量與遙感。

2016-04-08。

項目來源：天津科技計劃資助項目（14ZCZDGX00024、14ZCDZGX00830）。（*為通訊作者）