基于多源數據集成的城市建筑物三維建模方法

宋仁波， 朱瑜馨， 郭仁杰， 趙鵬飛， 趙珂馨， 朱潔， 陳穎

(1.無錫學院大氣與遙感學院，無錫 214105； 2.淮陰師范學院城市與環境學院，淮安 223300)

0 引言

建筑物三維建模是運用計算機圖形圖像處理技術，將建筑物的二維平面圖轉換為三維模型并進行立體顯示的一門科學技術，在城市景觀規劃、建筑設計、軍事仿真、旅游開發、導航開發以及古建筑物保護等領域具有廣泛的應用價值[1-3]。近年來，隨著各地數字城市、虛擬城市和智慧城市建設速度的加快，建筑物三維建模已成為測繪、GIS和建筑等領域的研究熱點[4-7]。建筑物三維建模技術的核心是根據建筑物的幾何信息構造其立體模型，利用相關建模軟件或編程語言生成其三維模型，并賦于模型表面紋理貼圖進行立體圖形顯示。現有的建筑物三維建模方法主要歸納為4類： ①利用機載激光雷達或地面三維掃描儀獲取建筑物的三維點云構建其三維模型[6,8-11]，需要購買或租賃數據采集裝備，建模成本高； ②利用衛星遙感、航空遙感、無人機遙感結合攝影測量技術獲取對象的多視角影像構建其三維模型[5,7,12-16]，需要借助專業攝影測量軟件，操作人員需要經過專業的技術培訓才能掌握； ③利用形狀文法或知識規則描述建筑物的結構和部件組成[17-18]，通過編寫計算機程序自動生成建筑物的三維模型，具有自動化程度較高的優點，但需要復雜的算法設計和編程經驗、技能； ④組合遙感、攝影測量和激光雷達點云的方法[18]，該方法建模精度高，但同樣需要復雜的數據預處理和大量編程實踐。此外，上述建模方法都需要三維建模軟件的支持才能完成模型的構建[19-25]，綜上所述，上述方法在推廣和應用時都受到成本和技術條件的限制，實用化仍然是建模需要克服的難點和障礙，因此，非常有必要研究和開發實用、可操作性強的城市建筑物三維方法，并將其推廣應用于數字城市、虛擬城市和智慧城市等領域的研究和工程實踐中。

近些年來，無人機攝影測量技術飛速發展[26-28]，為近距離地表空間測繪數據的獲取、處理和分析提供了更加豐富的技術手段，也使得提取地物對象的精度得到大幅度提升，使得建筑物精細化三維建模成為技術趨勢[29-31]。目前，百度、谷歌、高德、騰訊、天地圖等公司及國家測繪地理部門都提供在線的地圖服務，不僅能夠提供傳統的電子地圖和遙感影像，而且支持城市全景影像圖功能，用戶可以借助地圖下載工具免費獲得多源測繪數據，為用戶多視角觀察地面目標，獲取建筑物三維信息提供更加豐富的數據源，集成多源測繪數據進行建筑物三維建模已成趨勢。同時，計算機軟硬件技術的不斷進步，促使GIS技術不斷革新，GIS軟件系統已由基本的數據處理、分析和制圖工具向嵌入式GIS系統、分布式GIS系統和三維GIS系統3個方向發展，尤其是 GIS系統提供的強大建模功能，使用戶能夠在短時間內設計出滿足用戶特定任務要求的模型，這些都使得大范圍、大批量城市建筑物的三維建模與可視化分析成為現實。 綜上所述，針對數字城市、虛擬城市、智慧城市領域的研究和工程實踐迫切需要實用、可操作性強和自動化程度高的建模方法，本文提出一種基于多源數據集成的建筑物三維建模方法，集成高分辨遙感影像、無人機航空影像、建筑物電子地圖、全景影像為數據源，借助GIS建模功能，實現多源建模數據的自動預處理、三維模型的自動構建和模型的精細化處理。同時，借助紋理映射技術實現模型的可視化和逼真展現。

1 基本原理與實現方法

1.1 基本原理

計算機中表示三維形體的模型，按照幾何特點進行分類，主要可以歸納為3種： 線框模型、表面模型和實體模型。同時，按照表示物體的方法進行分類，實體模型基本上可以分為分解表示、結構實體幾何模型(constructive solid geometry，CSG)和邊界表示模型(boundary representation，B-rep)3大類。本文組合線框、邊界表示和結構實體幾何模型三維建模的思想，并將其運用于建筑物三維建模，其主要建模原理為： 將建筑物的主體結構分解為一系列簡單的側墻、門窗和屋頂等基本結構部件，同時采用線框描述建筑物的邊界線; 進一步，采用B-rep模型描述建筑物各部件的邊界面; 最后，建筑物的主體結構模型表示為一系列簡單的側墻、門窗和屋頂等基本結構部件的布爾操作的結果，從而構建建筑物的三維建模，其原理如圖1所示。

圖1 建筑物三維建模與可視化原理示意圖

1.2 實現方法

從GIS建模的視角，結合GIS的數據處理、空間分析和三維分析功能，通過構建模型實現建筑物三維模型的自動構建。其中，GIS空間分析(spacial analysis)指的是借助GIS軟件從空間數據中獲取有關地理對象的空間位置、分布、形態、形成和演變等信息并進行分析，其基本功能包括空間查詢與量算、緩沖區分析、疊加分析、路徑分析、空間插值和統計分類分析等。空間分析建模是通過作用于原始數據和派生數據的一組順序、交互空間分析命令，解釋有關空間現象或發現空間規律的過程。空間分析建模建立在對空間地圖數據操作基礎之上，又稱“地圖建模”，其結果是得到一個“地圖模型”，它是對空間分析過程及其結果的圖形或符號化表示，幫助分析人員和規劃所要完成的分析過程，并逐步指定完成分析過程所需建模數據[29]。可視化建模是利用圍繞現實想法組織模型的一種思考問題的方法，它以圖形的方式描述所開發的系統的過程，促進了對需求分析有更好的理解從而進行更清晰的設計。

本文采用ArcToolbox工具箱結合Modebuilder可視建模工具，通過構建模型、創建和編寫腳本工具實現建模數據的自動預處理和建筑物三維模型的自動構建。其中，ArcToolbox工具箱是ArcGIS系統內嵌的地理處理工具集合，通過內置工具、模型工具、腳本工具和特殊工具不僅可以實現基本的數據處理、轉換、數據統計和數據和圖形分析功能，而且借助其三維擴展功能模塊，可實現各種復雜幾何體三維模型的構建。ModelBuilder是一種可視化建模工具，為創建滿足用戶要求特定工作流提供有效的途徑。其主要特點是將一系列地理處理工具串聯在一起，將其中一個工具的輸出作為另一個工具的輸入，通過構造和執行工作流，可以自動化完成復雜的建模任務從而提高建模效率。此外，通過創建模型并將其共享為工具來提供擴展 ArcGIS Pro功能的高級方法，同時，利用Visual Studio結合ArcGIS Pro SDK二次開發還可用于將ArcGIS Pro與其他應用程序進行集成，能夠增強構建模型的可復用和擴展性。Python是一種面向對象、解釋型、交互式和面向初學者的計算機程序設計語言，它具有語法簡潔而清晰，易于編寫和維護的優點，并具有豐富和強大的類庫，使其已成為當前計算機領域的主流開發語言[24]，能夠顯著提高程序的開發效率。ArcGIS系統提供了Python語言集成開發環境(integrated development and learning environment,IDLE)和ArcPy站點包，通過編程能夠創建滿足用戶特定需求的腳本工具，不僅可以有效彌補ArctoolBox系統工具箱功能的不足，而且能夠增強ModeBuilder的建模能力。

2 建筑物三維建模與可視化

將建筑物三維建模與可視化工作分解為數據獲取和預處理、三維建模和紋理貼圖等關鍵環節，并將其進行整合和完善，以設計工作技術流程。

2.1 技術流程

依據實用、高效和可操作的原則和目標進行建筑物三維建模的技術流程設計，同時，要求建模的可視化效果直觀、形象和逼真，以達到工程應用要求，其主要設計思路是： 首先，將建筑物主體結構部件的建模對象包括側墻面、門窗、屋頂等進行分解，并將其建模過程分解為一系列數據處理、文件轉換、空間分析和三維分析操作，并借助GIS建模功能實現整個建模過程的自動化。 具體操作過程主要包括： ①以高分辨遙感影像、建筑物電子地圖和全景影像為數據源，利用ENVI影像非監督分類(UnsupervisedClassificationCleaned)工具，提取出建筑物墻體、窗戶和屋頂的矢量多邊形空間信息，同時，結合建筑物全景影像和地面拍攝影像測量定標，通過影像特征分類，分別提取出建筑物的高度、樓層數和屋頂類型等屬性信息，利用概化處理工具對其進行預計處理，并將其保存至GIS數據庫； ②以建筑物墻體、窗戶多邊形作為模型的輸入； ③以建筑物屋頂多邊形作為模型的輸入，利用要素選擇迭代器(IterateFeatureSelection)結合(Select)工具提出每一棟建筑物的矢量多邊形，同時，結合數據處理、文件轉換、空間分析和三維分析工具分別生成建筑物屋頂的三維實體模型； ④采用Python面向對象編程語言結合ArcPy站點包，通過編程實現批量3D差積運算程序，并結合ArcCatalog在ArcToolbox工具箱構建自定義工具自動實現側墻和屋頂模型的細化鏤空處理。此外，利用ModelBuilder可視化建模工具，通過調用ArcToolbox工具箱中的內置工具、模型工具和腳本工具實現數據的多源數據預處理和三維模型的自動構建，通過構建模型實現整個操作過程的自動化。最后,利用ArcGIS Pro編輯模型的紋理貼圖，從而實現模型的可視化，其技術流程如圖2所示。

圖2 城市建筑物三維建模工作流程

2.2 數據的獲取、集成和預處理

2.2.1 數據的獲取

以高分辨率衛星影像、建筑物輪廓電子地圖和全景影像作為建模數據源。其中，由于衛星遙感相機拍攝距離遠、視場角大，其獲取的遙感影像具有宏觀和綜合的優點，并可以實現連續觀測，形成時序信息。目前，常用的高分辨率衛星遙感影像主要包括我國的高分系列影像(GF)、美國的快鳥(QuickBird)影像和美國的IKONOS影像。GF-2影像和QuickBird影像可從百度、谷歌、高德、騰訊和天地圖地圖網站免費獲取，谷歌地圖還提供歷史影像，通過衛星地圖下載器可免費獲得22級影像(圖3(a))，其空間分辨率為0.61 m。由于衛星遙感影像易受天氣條件的影響，一旦成像區域有云或霧霾覆蓋，會嚴重影響成像質量。同時，考慮直接利用遙感影像提取建筑物邊界輪廓工作量大，提取的多邊形輪廓邊界精度較差，采用建筑物輪廓電子地圖作為數據源，以提高數據獲取和處理效率。城市建筑物輪廓電子地圖可從百度、高德和天地圖網站免費獲取，上述站點主要提供全國大中型城市主城區建筑物輪廓的柵格數據，通過衛星地圖下載器下載建筑物電子地圖的22級影像(圖3(b)—(c))，其空間分辨率約為0.5 m。此外，考慮衛星影像、建筑物輪廓電子地圖只能提供建筑物頂視的邊界輪廓和紋理結構特征，其提供建筑物側面影像紋理信息有限，不能準確刻畫建筑物側面的幾何結構特征； 同時，由于衛星獲取的側面紋理影像幾何畸變嚴重，不能作為建筑物側面紋理貼圖使用，而地面相機人工拍攝工作量太大，不適合城市大區域作業。因此，采用百度全景收集影像建筑物側面影像數據，通過影像處理作為模型紋理貼圖，以提高模型的可視化效果，如圖3(d)所示。

(a) QuickBird衛星影像 (b) 百度建筑物電子地圖 (c) 天地圖建筑物電子地圖 (d) 百度全景影像

2.2.2 數據的集成和預處理

利用ArcGIS軟件導入獲取的高分辨率遙感影像、建筑物電子地圖和全景影像，并進行配準和幾何糾正預處理，然后分別將其導入建立的GIS數據庫進行集成。一方面，利用矢量工具出結合遙感影像勾畫出建筑物側面的邊界(圖4(a))，從中提取出建筑物側面的紋理影像(圖4(b))，同時結合幾何糾正工具對其進行形變處理(圖4(c))； 進一步，利用符號化工具結合直方圖的調整閾值功能，先提取出建筑物側面紋理灰度影像(圖4(d))，再將其進行二值化處理(圖4(e))； 最后，利用ENVI非監督分類模型(圖4(g))提取出建筑物側面窗戶的矢量多邊形(圖4(f))。

(a) 側視影像 (b) 裁剪 (c) 幾何糾正 (d) 灰度化 (e) 二值化處理 (f) 非監督分類輸出矢量

(g) 非監督分類輸出矢量模型

另一方面，利用ArcToolbox工具箱結合ENVI非監督分類模型，通過創建自定義模型結合建筑物輪廓電子地圖，提取出建筑物輪廓的矢量多邊形； 然后，利用概化工具對其邊界進行概化預處理，并結合遙感影像手動調整其邊界的細節結點，其處理過程和結果如圖5所示。

(a) 建筑物輪廓提取(b) 邊界概化處理(c) 邊界結點調整

此外，利用手機結合長焦鏡頭水準尺拍攝建筑物側面紋理影像，通過讀取水準尺讀數，提取出側面樓層、層高、屋頂高度等值(表1)。最后，通過側視影像確定建筑物屋頂的結構類型(如平頂和斜頂)。

表1 提取的建筑物空間和屬性信息

2.3 建筑物三維建模

建筑物的主體結構部件主要包括側墻面、門窗和屋頂等結構，建筑物的幾何形狀和空間一般排列較規則，非常適合程序和建模批量生成，這樣做不僅可顯著降低作業人員的勞動強度，而且可有效提高建模效率。利用ModelBuider可視化建模工具，通過調用ArcToolbox系統工具箱中內定的數據處理、文件轉換、空間分析、三維分析和腳本工具實現建筑物主體結構三維模型的自動構建。此外，鑒于每個模型只能包含一個迭代器，通過Python面向對象編程語言結合ArcPy站點包，通過編寫腳本程序并結合ArcToolbox工具箱創建腳本工具，以彌補模型迭代器的不足。

2.3.1 側墻建模

鑒于建筑物側墻和門窗的幾何形狀及空間排列較規則，且分層構建，為實現模型的批量構建，提出基于建筑物分類、分層表面建模和實體拉伸建模的建筑物主體結構部件建模方案，設計了建筑物側墻和門窗等主體結構實體模型的分層自動生成腳本程序，同時采用Phython面向對象語言結合ArcPy站點包，通過調用ArcToolbox工具箱中的TIN表面建模和TIN拉伸的三維分析工具進行了編寫實現，其算法及程序實現主要包括以下3個步驟： ①根據輸入建筑物部件的多邊形點、多邊形文件、輸出工作區文件夾，先利用ArcPy查詢游標(SearchCursor)的查詢功能，通過讀取多邊形點文件，并結合全局變量保存建筑物的名稱、樓層數、層高和屋頂高度等屬性字段信息，同時，利用os庫的makedirs函數創建建筑物結構部件名稱文件夾，該文件夾用于存放生成每棟建筑物的每層側墻的多面體要素shpfile文件； ②利用循環程序通過調用CopyFeatures_management()函數和Adjust3DZ_management()函數分別復制并調整建筑物上下多邊形點至對應的樓層高度，同時，利用CreateTin_3d()函數分別創建建筑物每一層的TIN表面，然后，利用ExtrudeBetween()函數生成其每一層的側墻和門窗的實體模型； ③在輸入建筑物底面邊界多邊形后，通過緩沖區(Buffer)、擦除(Erease)生成外墻多邊形，然后利用要素選擇迭代器(IterateFeatureSelection)結合拷貝要素(CopyFeatures)、要素結點轉點(FeatureVerticesToPoints)連接側墻腳本程序，通過構建模型自動生成每棟建筑物的每層側墻三維模型，其模型構建方法如圖6所示，生成結果如圖7所示。此外，通過模型運行報告分析側墻模型的計算性能，通過輸入建筑物多邊形參量(130個)對迭代器和各個工具的執行時間進行分類統計和匯總計算，其結果如表2所示。

圖6 建筑物側墻的自動創建過程

(a) 建筑物側墻多邊形(b) 調整多邊形結點的高度(c) 生成側墻TIN表面(d) 生成一棟建筑物的側墻

(e) 生成全部建筑物的側墻

表2 側墻建模實驗統計

2.3.2 門窗建模

采用腳本程序結合建模生成建筑物門窗部件的三維模型，與側墻腳本程序的算法設計和實現類似，只是更改輸入參數名稱、中間變量名稱和輸出參數名稱，通過循環結合CopyFeatures_management()函數和Adjust3DZ_management()函數分別復制并調整建筑物門窗戶上下多邊形點至對應的樓層高度和基準高度; 然后，利用CreateTin_3d()函數分別創建建筑物每一層門窗的TIN表面，進一步，利用ExtrudeBetween()函數生成其每一層門窗的實體模型，其主要代碼實現和側墻實現類似，這里不作贅述； 最后，在輸入建筑物底面邊界多邊形后，通過緩沖區(Buffer)、擦除(Erease)生成外墻多邊形，利用要素選擇迭代器(IterateFeatureSelection)結合拷貝要素(CopyFeatures)、要素結點轉點(FeatureVerticesToPoints)連接側墻腳本程序，通過構建模型自動生成每棟建筑每層窗戶的三維模型，其模型構建方法見圖8，生成結果如圖9所示。模型工具執行時間統計如表3所示。

圖8 建筑物門窗自動創建過程

(a) 建筑物窗戶多邊形(b) 調整多邊形結點高度(c) 生成每層窗戶的TIN表面(d) 批量生成窗戶

表3 窗戶建模實驗統計

需要說明的是，與模型中腳本程序執行時間相關的參數主要包括： 創建窗戶文件夾、窗戶文件名文件夾和樓層數，按照每層1 s的平均值計算統計結果，通過提取和計算實驗區內全部建筑物樓層數的平均值(4.64層)、建筑物數量和表3的總計值相乘，得出生成實驗區內全部建筑物的窗戶三維模型需要總的運行時間是167.573 6 min。

2.3.3 屋頂建模

每棟建筑物的屋頂結構主要包括平頂和斜頂2種結構類型，其形態各異，但每棟建筑物通常只包括一層屋頂，即屋頂不是分層結構，因此，可通過創建模型生成每個建筑物的平頂或斜頂的三維模型，其模型的主要構建步驟包括： 以建筑物多邊形作為模型輸入，通過要素迭代器(IterateFeatureSelection)結合拷貝要素(CopyFeatures)、要素結點轉點(FeatureVerticesToPoints)、添加字段(AddField)、計算字段(CalculateField)、創建TIN(CreateTin)和TIN拉伸工具(ExtrudeBetween)分別生成每棟建筑物屋頂的多面體要素(MultiPatch)模型，其模型組成和模型生成結果如圖10所示。

(a) 建筑物屋頂自動構建模型

(b) 生成的每棟建筑物屋頂模型

其中，斜屋頂主要利用計算字段工具根據屋頂高度和屋頂傾斜角度字段，然后作為緩沖區工具的輸入參數，調整屋頂上邊界點和線的高度，公式為：

A=-tan(3.14[B]/180)×[C]-0.01 ，

(1)

式中:A為緩沖區輸入參數;B為傾斜角度;C為屋頂高度; [·]表示取字段變量符號。

此外，通過模型運行報告分析屋頂模型的性能，通過輸入窗戶多邊形參數(130個和130組)，對迭代器和各個工具的執行時間進行分類統計和匯總計算，其結果如表4所示。

表4 屋頂建模實驗統計

2.3.4 模型細化處理

為增強模型的立體感和可視效果的同時，使模型能夠反映出光照陰影和外部光照射入室內的效果進行可視化分析。通過調用三維分析工具箱的三維差積運算工具，對之前生成側墻、窗戶的MultiPatch模型和屋頂兩兩做三維差積布爾運算，分別生成側墻和屋頂的鏤空模型，同時，為提高鏤空處理效率，通過腳本編程對三維差積運算工具進行擴展，其腳本程序界面如圖11(a)所示,其腳本程序實現主要包括2個步驟： ①分別輸入減多面體要素、減多面體要素類 Shpfile文件列表和輸出工作區，并利用列表容器結合循環程序將其分別存放于list1和list2中; ②通過循環程序讀取list1和list2中的減多面體要素、減多面體要素類Shpfile文件名稱，并依據循環變量i生成差積輸出文件Shpfile文件名，然后，利用Difference3D_3d()函數分層進行側墻三維差積運算，其生成結果如圖11(b)—(c)所示。同時，通過模型細化輸出報告分析模型運行的性能，通過輸入每個建筑物側墻和窗戶的三維模型，對腳本生成工具的執行時間進行分類統計和匯總計算，其結果如表5所示。

(a) 批量三維差積腳本工具

(b) 側墻分層鏤空(c) 屋頂鏤空

表5 側墻模型細化實驗統計

需要說明的是，模型中腳本程序執行時間與建筑物樓層數、門窗的數量相關，取樓層數平均值(4.64層)、建筑物數量(130)、腳本操作時間和模型運行時間相乘，得出生成實驗區內全部建筑物的窗戶三維模型需要總的運行時間約為223.69 min。

2.3.5 模型紋理貼圖

利用百度全景影像圖功能，從全景影像圖中提取建筑物的側面紋理。考慮建筑物的部分側面紋理會被行道樹、路燈等地面物體遮擋，需要利用圖像處理軟件將遮擋部分裁剪掉，選擇沒有遮擋的影像作為建筑物側墻、門窗和屋頂模型部件的紋理(圖12(a)—(c))。然后，利用ArcGIS Pro導入上述模型生成的側墻、門窗和屋頂部件模型，利用其MultiPatch紋理編輯功能為側墻、門窗和屋頂賦予相應的紋理影像，其可視化效果如圖12(d)所示。

(a) 截取的全景影像 (b) 提取的側墻紋理 (c) 提取的窗戶紋理

(d) 全部紋理貼圖

3 建模工具箱的設計與建模實例分析

3.1 建模工具箱的設計

為便于用戶操作、開發和功能擴展，采用ArctoolBox設計建模工具箱實現建筑物三維模型的自動構建， 構建的工具箱由數據預處理、三維建模、模型細化、模型導出和腳本工具5個工具集組成。其中，數據預處理工具集由窗戶和窗框多邊形提取、建筑物邊界多邊形概化、建筑物邊界多邊形提取和建筑物層數提取4個模型工具組成； 三維建模工具集由清理中間文件、生成側墻、生成側墻窗戶、生成側墻窗框、生成側墻門、生成屋頂和生成屋頂窗戶7個模型工具集組成； 模型細化工具集主要由側墻細化和屋頂細化2個模型工具組成； 模型導出工具集主要由模型導出一個模型工具組成，這些模型工具集依次執行實現建筑物三維模型的自動構建。

3.2 建模實例分析

為驗證本文所提建模方法的有效性、可靠性可操作性和運行效能，選擇淮陰師范學院北校區為建模實驗區，如圖13所示。以高分辨率衛星影像、建筑物輪廓電子地圖和全景影像為建模數源，在ENVI和ArcGIS平臺下，通過數據集成和預處理，提取出建筑物的幾何邊界、高度、樓層數和屋頂特征等信息； 利用ModelBuilder可視化建模工具，通過調用數據處理、文件轉換、空間分析和腳本工具，構建模型實現了建筑物三維模型的自動構建； 同時，利用ArcGIS Pro導入構建的模型并對模型進行紋理貼圖，從而實現模型的可視化，結果如圖14所示。

圖13 建模實驗區概況圖

(a) 宿舍區場景 (b) 體育館、生化實驗樓和泓文樓場景

(c) 圖書館、崇文樓和辦公樓場景1 (d) 圖書館、崇文樓和辦公樓場景2

同時，為測試本文建模方法的可操作性和性能，在聯想B590筆記本和WIN7操作系統平臺下，與傳統SketchUp手工建模方法進行了拉伸建模對比實驗，其結果如表6所示。

表6 建筑物建模實驗對比統計和分析

需要說明的是，采用ModelBuilder建模只需要3次人機交互，便可批量生成整個實驗區側墻、門窗和屋頂的三維模型； 而采用傳統SketchUp手工建模方法，需要的人機交互的次數，不僅與建筑物多邊形數量、樓層數和門窗的數量等因素密切相關，而且與每個工具操作的時間和用戶熟練程度等因素密切相關，本文將它們進行簡單的相乘可得出最小的人機交互次數，利用教學實踐且在老師的指導和監督下，學生最少需要14 d才能完成模型的構建，無論是在時間成本和操作效率上，本文建模方法都具有明顯的優勢。

4 結論

近些年來，建筑物三維建模一直是國內外研究的熱點，已提出多種建模方法，并進行了大量可視化實踐。本文提出基于多源數據集成的建筑物三維建模方法，集成高分辨遙感影像、無人機航空影像、建筑物電子地圖和全景影像為數據源，借助GIS建模功能，實現多源建模數據的自動預處理和三維建模，同時借助紋理映射技術實現模型的可視化，與現有建模方法相比具有以下優勢：

1) 以遙感影像、建筑物輪廓電子地圖和網絡全景影像等海量多源數據為建模數據源，不僅能夠提取城市范圍內建筑物的宏觀邊界，而且能夠捕捉到建筑物的幾何細節和紋理細節特征。借助GIS建模功能，通過構建模型實現建筑物側墻、屋頂結構部件的空間信息和屬性信息，對于提高建模的準確性和模型精度有顯著提升，可顯著提高建模自動預處理效率，為實現建筑物的精細化建模奠定基礎。

2) 基于 CSG的建筑物三維建模方案是切實可行的，借助GIS建模功能，建筑物三維模型的自動構建，能夠顯著降低作業人員的勞動強度并提高建模效率。模型創建過程中產生的中間文件和建模結果、模型和腳本程序代碼在模型構建中十分易于修改和重復使用，可靈活地對建模參數和過程進行調整，為建模過程的監控并對建模結果進行檢查和核對提供了重要的依據。

3) 除模型可視化階段涉及的紋理貼圖需要借助專業圖像處理軟件制作外，與建模相關的數據預處理、建模和模型細化相關操作都在同一種GIS平臺下完成，更加符合熟悉GIS用戶的操作習慣，顯著提高了建模的可操作性、實用性和操作效率； 創建的模型可輸出為各種格式的三維模型文件，更便于建模成果的傳播、交流和共享。

本文提出多源數據集成的城市建筑物三維建模方法，并進行建模工具箱的設計、開發和建模實例分析，其目的在于探索城市大規模建筑物程序自動建模的原理、方法、算法和軟件開發架構，是對現有典型GIS系統的功能、性能和穩定性的一次有效驗證，為開發具有自主知識版權的建筑物三維建模與可視化軟件產品奠定技術基礎。借助GIS建模功能，通過數據預處理、三維建模和模型細化3個模型對校園范圍內形態相對規則的建筑物進行了批量建模測試，取得了良好的建模性能與可視化效果，對城市大規模城市建筑群建模與可視化同樣有借鑒意義。如何將上述模型進行整合、優化模型性能以提高其作業效率，將是未來研究工作的重點。