基于分層展示的傾斜攝影城市三維建模研究

摘要：近年來，隨著智慧城市的發展，三維空間數據成為社會發展所必需的一種新的直觀的數據表達方式，而傳統的既費力又耗時、周期長的手工建模方式和傳統的非接觸式僅從垂直方向獲取建模影像數據的攝影測量技術已難以滿足智慧城市三維建模的復雜要求，傾斜攝影測量技術的出現顛覆了原有的建模拍攝角度的局限，提供了自動化、低成本、高效率和高精度的建模流程。同時基于傾斜攝影測量技術對吉林省某市三維建模數據采集技術流程進行詳細設計，使用飛機搭載五鏡頭航攝儀與固定翼無人機作業平臺對建模區域進行傾斜攝影三維建模數據采集，并采用建模軟件實現自動批量建模、實現三維模型的單體化。

關鍵詞：三維建模"傾斜攝影測量"智慧城市"單體化"分層展示

中圖分類號：P231

Research"on"Oblique"Photographic"3D"City"Modeling"Based"on"Layered"Display

ZHAO"Xiaoyu

（School"of"Geomatics"and"Urban"Spatial"Informatics，"Beijing"University"of"Civil"Engineering"and"Architecture，"Beijing，"102616"China）

Abstract："In"recent"years，"with"the"development"of"intelligent"cities，"3D"spatial"data"has"become"a"new"and"intuitive"way"of"data"expression"that"is"necessary"for"social"development，"and"the"traditional"manual"modeling"method"which"is"laborious，"time-consuming"and"long-term"and"the"traditional"non-contact"photogrammetry"technology"which"only"obtains"modeling"image"data"from"the"vertical"direction"can"no"longer"meet"the"complex"requirements"of"the"3D"modeling"of"smart"cities."The"emergence"of"the"oblique"photogrammetry"technology"has"overturned"the"limitations"of"the"original"modeling"shooting"angle，"and"provided"an"automatic，"low-cost，"high-efficiency"and"high-precision"modeling"process."Based"on"the"oblique"photogrammetry"technology，"this"paper"designs"the"process"of"3D"modeling"data"collection"technology"in"a"city"in"Jilin"Province"in"detail，"collects"the"oblique"photographic"3D"modeling"data"of"the"modeling"area"by"the"aircraft"equipped"with"a"five-len"aerial"camera"and"a"fixed-wing"UAV"operating"platform，"and"realizes"automatic"batch"modeling"and"the"monomerization"of"the"3D"model"by"modeling"software.

Key"Words："3D"modeling;"Oblique"photogrammetry;"Intelligent"city;"Monomerization;"Layered"display

近年來，城市三維模型（3D"City"Model，3DCM）生產日益成為測繪生產單位的一項重要地理信息數據生產任務。目前，傳統非接觸式攝影測量技術已難以滿足數字城市三維建模的復雜要求，傳統航攝影像以接近垂直角度進行拍攝，正射影像數據可快速獲取城市建筑的頸部結構與紋理信息，然而建筑物的側面結構與紋理卻無法從中提取[1]。傾斜攝影測量技術的出現有效地解決了這個問題，它通過將多臺傳感器搭載在同一個飛行平臺上，同時從4個傾斜、1個垂直的角度來進行拍攝，為建模提供了全面的數據，并且顛覆了低效率、高成本的手工建模人機交互建模等傳統方式[2]，大大縮短了作業時間，簡化了建模流程，降低了建模成本。本文主要以傾斜攝影測量技術為基礎，以吉林省某市為例，對其三維建模數據采集技術流程進行設計。

1"測區與設備介紹

測區位于吉林省某市，總面積為1"460"km2，東西橫跨距離約144"km，南北縱向距離約107"km。本項目所使用的軟硬件配置如表1所示。

2"設計內容

2.1"測繪基準

平面坐標系統采用CGCS2000坐標，高程系統采用1985國家高程基準，成圖比例尺為1∶1000，影像分辨率為10"cm。

2.2"技術流程

技術流程如圖1所示，具體流程為：（1）對城市的地理環境地形地貌、氣候條件、空域條件以及人文環境進行充分的了解，對需要航飛的區域申請空域；（2）對主城區進行詳細的傾斜攝影航線設計，測區為兩個面積較小的建成區和一個大面積的中心城市區，所以測區分為3個測區，即a、b、c測區，如圖2所示，本次傾斜攝影a和c測區使用翼飛閃電F-26固定翼無人機搭載翼飛W5五鏡頭相機來獲取影像，b測區較大使用運5飛機搭載SWDC5航攝儀分區進行數據采集，各攝區的主要航飛參數如表2所示；（3）數據采集完成后，對像控點進行分區布設并采用GPS在野外進行測量；（4）將影像數據、相機的POS數據導入PIX4D建模軟件并刺好像控點進行空三加密與批量建模；（5）對生成的三維模型進行單體化便于對建筑物等的查詢；（6）對標志性建筑物進行傾斜攝影在建模軟件里建立單體化模型，對傾斜攝影無法采集到的遮擋的紋理數據進行補充采集；（7）將正射影像和數字高程模型進行融合建立地表模型；（8）將地表模型、建筑物單體化模型實現分層展示。

2.3"控制點布設

主城區像控點布設密度依據規范要求，按每個航攝分區8個平高點、1～2個檢查點，檢查點宜布設在像主點附近，不參與平高點區域網平差，只用于檢查加密成果的可靠性。采用區域網經典布點方案，像控點采用GPS-RTK方法進行測量，由于GPS測量結果是WGS84坐標系統，本設計采用CGCS2000坐標系，所以在測量之前先進行坐標系的轉換[3]。

2.4"批量自動建模

首先啟動pix4d軟件新建項目，導入影像數據并編輯圖片屬性，選擇圖像坐標系及POS數據坐標系，默認是WGS84（經緯度）坐標系，導入POS文件并編輯相機參數[4]。點擊next，彈出選擇輸出坐標系窗口，基準面選擇China"2000，坐標系選擇CGCS2000。然后選擇處理選項模板3D"Maps，可生成正射影像圖，點云和3D紋理，然后點擊finish完成創建。

2.5"三維模型單體化

通過空三加密和傾斜攝影自動化建模處理后所得到的OBJ或者OSGB等三維模型是一個連續的TIN數據，而GIS平臺并不能對其中特定的地物進行選擇和查詢。但是能對地物進行單獨的選中，賦予并查詢屬性，進行空間分析等操作是最基本的功能要求，因此需要對傾斜攝影模型進行拆分及單體化處理。在目前的攝影測量行業當中一般有3種方式進行單體化，分別為切割單體化、ID單體化和動態單體化[5]。本設計使用超圖的桌面軟件進行攝影測量數據模型的單體化。

2.6"標志性建筑物單體化建模

對單個高層建筑物利用多旋翼無人機飛馬D2000進行傾斜攝影來獲取影像數據，其中航線規劃采用手機軟件Altizure，然后對傾斜攝影無法拍攝到的建筑紋理數據進行補充采集，確保得到的紋理數據充足，再通過建模軟件Context"Capture來建模。

2.7"地表模型建立

地表模型實際上是數字高程模型和正射影像疊加的結果，是正射影像在高程這一參數方向的拉伸顯示。操作步驟是用ArcGIS將準備好的該市的1∶1000DEM數據和正射影像圖導出為TIFF格式，然后打開TerraBuilder將兩個數據添加進去，要保證兩個數據的坐標系一致，然后點擊工具欄的“create"MPT”，在彈出的窗口中點擊“Start"MPT”，創建完成后點擊ok。在“View"In"3D”菜單瀏覽效果，該市地表模型如圖3所示。

2.8"三維模型分層展示

三維模型的分層展示，就是將已經建好的城區普通模型、經過單體化處理和紋理修補的模型以及地表模型加載并顯示在同一區域的顯示區。因此，首先應該對三者進行地理位置的配準。由于ArcGIS并不能直接將OSGB文件加載進去，所以需要先利用Smart3D軟件對模型文件進行重新導出[6]，其導出格式應為Esri"I3S標準的數據格式SLPK，然后再將三維模型加載進入ArcGIS當中。在ArcGIS當中，利用move"to工具將已經確定好的控制點位置關系進行匹配移動，從而將三者空間位置進行正確的吻合，然后再導出該模型。最后利用Skyline"TerraExplorer"Pro對三者進行加載，以實現分層顯示的效果。

3"結論與展望

經過此次設計，發現傾斜攝影測量技術在三維建模方面的重要作用，它使三維建模的流程更加自動化、精細化，在智慧城市的發展道路上至關重要。雖然本設計已經實現了絕大部分模型的制作要求，但仍然有許多細節方面并不能做到精細到位，主要包括以下幾個方面。

（1）標志性建筑物建模不完全，本設計所包含的標志性建筑物，分布較為分散，加以現實狀況，并沒有找到合適的辦法對每一個標志性建筑物進行單獨的傾斜攝影。因此，所完成的標志性建筑建模并不完整。

（2）建筑物單體建模精細化不夠。在對已經單體化的建筑物模型進行模型修補和紋理貼圖時，雖然允許在不影響建筑物真實性、幾何結構的基礎上，存在部分非常精細的細節信息缺失，但是，由于數據不足的原因，對模型的修改和紋理的貼圖部分，并不能完全以實際情況進行制作，因此不可避免地存在誤差。

參考文獻

[1] 華安中，孫灝.大規模中心城區精細化建模及可視化研究[J].測繪通報，2023（12）：121-126.

[2] 羅振威，李驍，劉承承，等.利用傾斜攝影與激光掃描技術構建城市級實景三維模型[J].測繪通報，2023（12）：116-120.

[2] 焦亞沁."基于無人機傾斜攝影測量點云數據的河流水面三維重建技術研究[D]."連云港：江蘇海洋大學，2023.

[4] 張雪冰，韋璐，鄭湘輝，等.無人機傾斜攝影三維建模軟件對比分析[J].遼寧科技學院學報，2022，24（6）：17-21.

[5] 李俊，楊德宏，吳鋒振，等.傾斜攝影測量三維模型單體化構建及服務共享[J].軟件，2023，44（7）：79-82.

[6] 陸士好.傾斜攝影測量實景三維模型的精細化修整[D].北京：中國礦業大學，2023.