快速单体实景三维模型建设方法研究_吴昊.pdf

智城实践NO.02 202313智能城市 INTELLIGENT CITY快速单体实景三维模型建设方法研究吴昊（江苏省测绘工程院，江苏 南京 210013）摘要：实景三维是国家新基建的重要组成部分，为经济社会发展和各建设单位信息化提供统一的空间基底。常规倾斜摄影及传统手工单体化生产的三维模型，已无法满足精度、效果、效率及成本等多方面需求。基础测绘为国民经济和社会发展提供重要的基础地理信息。随着经济、社会及新技术的快速发展，基础测绘的更新频率逐渐上升，产品愈发丰富。进一步深入挖掘基础测绘产品的应用价值具有十分重要的意义。文章搜集了测区已有基础测绘产品及存档建筑物矢量数据，分析已有数据特点，提出基于已有矢量数据与无人机倾斜摄影相结合的方式，快速构建单体实景三维模型，并验证了方案的可行性。关键词：矢量数据；倾斜摄影；单体实景三维模型中图分类号：TU205 文献标识码：B 文章编号：2096-1936（2023）02-0013-03DOI：10.19301/ki.zncs.2023.02.004Research on the construction method of rapid single real 3D modelWU HaoAbstract:Real-world 3D is an important part of the new national infrastructure,providing a unified spatial foundation for economic and social development and the informatization of various construction units.Conventional oblique photography and traditional manual monolithic production of 3D models can no longer meet the needs of accuracy,effect,efficiency and cost.Basic surveying and mapping provides important basic geographic information for national economic and social development.With the rapid development of economy,society and new technologies,the update frequency of basic surveying and mapping has gradually increased,and the products have become more and more abundant.It is of great significance to further explore the application value of basic surveying and mapping products.The paper collects the existing basic surveying and mapping products and archived building vector data in the survey area,analyzes the characteristics of the existing data,and proposes a method based on the combination of existing vector data and UAV oblique photography to quickly construct a single real-world 3D model,and verifies the feasibility of the scheme.Key words:vector data;oblique photography;single reality 3D model实景三维是对人类生产、生活和生态空间进行真实、立体、时序化的反映和表达的数字虚拟空间，是新型基础测绘的标准化产品之一，也是国家新基建的重要组成部分。2022年2月，自然资源部办公厅印发关于全面推进实景三维中国建设的通知，明确了实景三维中国建设的目标、任务以及分工等内容。按照建设大纲、建设层级和表达内容，将实景三维分为地形级、城市级和部件级。随着硬件装备性能及软件支撑海量数据计算能力的快速提升，各地实景三维建设越发成熟1-2。主流技术方案均采用倾斜航摄和自动Mesh模型构建相结合的形式，该方案自动化程度高，但投入成本较大。随着实景三维中国建设的推进，各地经济发展水平差异明显，无法采用统一的模板进行实景三维收稿日期：2022-11-02作者简介：吴昊，硕士，工程师，研究方向为低空摄影测量与遥感。引用本文：吴昊.快速单体实景三维模型建设方法研究J.智能城市,2023,9(2):13-15.智城实践NO.02 202314智能城市 INTELLIGENT CITY生产，需探索多样化的实景三维建设方案。随着城市建设的发展需要以及新技术的支撑，各地基础测绘4D成果更新频率越来越高。自2014年起，我国正式推进不动产统一登记制度，截至目前，各省市县已基本拥有较为完善的不动产数据，文章以这两种丰富的测绘存档数据为基础，充分挖掘已有数据的复用性，提出了一种基于4D产品和无人机倾斜摄影技术，快速构建大范围单体实景三维模型的方法，并验证了方法的可行性。此方法可为乡镇及非重点区构建实景三维模型建设提供借鉴，能够减少统一实施常规倾斜摄影产生的高额建模成本。1技术路径城市级三维建模流程如图1所示。准备基础测绘成果中的DEM、DOM成果，进行全市域三维地形大场景构建；利用基础测绘制作DEM的原始Lidar点云测高数据，结合不动产成果的房屋层（FW）数据，将点云测高数据和建筑物几何边框进行匹配，获得建筑物高度信息，即可“拉伸”得到建筑物的三维模型（白模）。此方法可快速获得城市级建筑物三维白模，对于较为关注建模效果的城市中心区域，可采用倾斜航摄方法，利用航摄相片进行空中三角测量，自动化进行纹理贴图，生成实景三维模型3，在此基础上对场景进行部分人工修饰和重建，生成真实性效果较好的三维模型。2三维场景构建城市级场景按特征可划分为地形、道路、河流、植被、建筑以及其他附属设施等六大要素，地形要素是构成整个三维场景的基础底图数据。建筑要素为主要人工设施，属于城市规划、应用分析的主体对象，文章主要考虑主体建筑三维模型和地形场景构建的三维场景1-2。2.1地形场景构建利用基础测绘更新的DEM和DOM数据，进行三维数字地形模型的生产，生产的三维地形是整个三维场景的基础部分，其他三维数据在地形模型之上进行展示。三维地形能够较为直观地表示整个城区的地形起伏情况，提升三维场景真实度。2.2主体建筑三维简模构建主体建筑模型的构建，需要获取对应建筑的轮廓及高度数据。基础测绘拥有丰富的二维矢量数据及高精度点云测高原始数据。利用已有的二维矢量数据，可以减少人工手动对建筑物的轮廓勾勒工作量，便于获取主体建筑的外轮廓范围。高精度点云数据包含测高数据且坐标精度较高，结合二维矢量数据进行编程，能够实现自动提取主体建筑的高度信息，实现快速批量生产主体建筑三维模型。基于此方法得到的主体建筑三维模型没有纹理（白模），相比于实景三维模型具有数据量小、可以直接挂接二维矢量数据优点，方便后续应用分析。3案例应用3.1研究区域概况样本区域圈定如图2所示。文章以智慧宜兴三维模型建设为背景，选取了宜兴万石镇作为样本区域。宜兴万石镇位于宜兴东北处，面积约43.28 km2，地势平坦，地表人工建筑以厂房、小区、自建独栋房屋为主。3.2实施方案研究使用的基础数据为不动产房屋层矢量数据，DOM、DEM数据为本轮基础测绘最新Lidar点云数据3。（1）矢量数据整理。对不动产的矢量数据进行相应编辑和修改，删除不必要的图层以及多余、重叠的线条，检查建筑轮廓是否闭合，注意具有公共边界的面是否存在相交、不完全重合等拓扑结构错误情况，在部分转角处两条线是否相交，保证每个面拓扑结构准确，编辑后的矢量数据如图3所示。图1城市级三维建模流程图2样本区域圈定智城实践NO.02 202315智能城市 INTELLIGENT CITY（2）提取高度属性。点云示意如图4所示。借助矢量数据提供的建筑物外轮廓信息，根据Lidar点云提供的高度信息，采用基于Arcpy的Python编写相关程序，获得建筑物顶部的平均高程，对应每个建筑增加相应的高度字段信息。Python程序处理原则为当轮廓范围内点高程值离散度较小，说明建筑为平顶，取轮廓范围内的平均值作为屋顶高程值；轮廓范围内点高程值离散度较大，选取该范围内点高程最小值作为房屋屋顶高程。对于复杂屋顶自动建白模较复杂，所以将高度标记为屋顶最低处，屋顶复杂部分暂不表示，后期可使用贴图纹理加以表现4。（3）三维建模。根据建筑物的轮廓及高度信息，在Arcgis CityEngine中4使用“extrude”工具对二维矢量图中的建筑物“挤压”至对应高度，能够在较短时间内批量完成镇区范围内的白模生产。利用无人机倾斜摄影技术获取的建筑物纹理照片，经空三加密后，恢复了每张相片的空间位置姿态信息，可以自动将真实纹理映射到建筑物外表面。CityEngine可将生产的单体实景模型输出为多种通用的模型格式，便于后期通过其他软件进行相应模型处理。快速单体实景三维模型场景效果如图5所示。4结语文章研究的方法所构建的单体实景三维模型场景优点包括充分利用了基础测绘已有成果资料，挖掘了数据的可重复利用性，拓展了基础数据利用面；综合了编程语言以及多种软件，相比常规的建模方法，效率较高，成本较低，适用于非重点关注区的大范围三维建模；数据相较于Mesh实景三维模型，存储量小，便于Web端后续应用；纹理采用倾斜摄影方式获取，比传统手工三维建模使用的纹理库贴图，纹理更真实，实景还原效果较好。文章所述方法仅较好地表现出规则平顶建筑，对于人字顶等复杂结构地房屋顶部结构未能表现，场景顶部表现单一，批量生产的模型结构比较简单，对于复杂建筑的模型结构并未能很好表现。针对性的优化方案也是区域性快速建模扩展研究的重点。参考文献1 陈大凯,陈竹安,方伟,等.基于多旋翼单镜头无人机的城市实景三维重建及精度评估J.北京测绘,2018,32(2):200-204.2 赵琪.低空无人机倾斜摄影测量实景三维模型构建J.兵器装备工程学报,2022,43(4):230-236.3 郭如宝,郝利娟,刘旭东,等.基于倾斜摄影的实景三维单体化模型构建方法J.测绘通报,2021(1):103-107.4 孙守清,陈宜金,陈俊美.基于CityEngine和SketchUp的快速精细三维建模J.北京测绘,2021,35(7):880-883.图4建筑物点云示意图5快速单体实景三维模型场景效果图3编辑后的矢量数据