基于VirtuoZo的快速三维建模方法探讨

周智勇

(重庆市勘测院，重庆 400020)

1 引言

随着计算机硬件软件技术、多媒体技术和网络通信技术的迅速发展，“数字地球”的概念——一种可以嵌入海量地理数据的、多分辨率的和三维的地球表示应运而生。经过近十年的研究和发展，数字城市三维模型的建设和应用越来越多。目前城市三维模型依据建设目标和技术不同大致可以分两种:一是服务于城市规划、建设、管理的精细三维模型建设。其主要技术路线是利用城市基础地理信息数据(1∶500地形图、数字正射影像等)，在专业三维建模软件中对建筑、道路、水系、小品、植被等要素进行建模，贴图通过处理实地拍摄获取的相片得到，这种方法能逼真地表示城市的精细结构和材质特征，效果好但是所需时间成本和经济成本较高;二是利用数字摄影测量技术的快速建模。通过数字摄影测量工作站可以方便地进行数字线划图的测绘、数字高程模型的获取、数字正射影像图的制作，以及采集建筑物顶，通过程序来生成建筑模型。目前技术已经发展到可以从立体像对中自动提取建筑轮廓、提取纹理，并对生成的建筑模型进行纹理映射，实现自动程序化生产。

2 快速三维建模方法与流程

基于数字摄影测量工作站(VirtuoZo)的快速三维建模基本思路如下:在航测内业空三加密完成后，生成立体像对文件。首先在VirtuoZo系统中建立立体像对，采集所有建筑物的顶部轮廓面，遵循从高到低的原则，将测区内所有建筑物的顶部轮廓面采集完成。接着采用自动加人工干预方式生成高精度数字高程模型(DEM)成果和数字正射影像图(DOM)。再利用开发的程序将采集的建筑物顶部轮廓线垂直投影到DEM上，即生成建筑物体块模型。然后将模型导入到3ds Max软件中，利用外业实地拍摄的建筑物外立面相片进行模型校正和纹理映射，得到建筑模型。同时利用数字高程模型和数字正射影像，生成地形三维模型。最后将建筑模型和地形模型进行融合，得到快速三维模型成果。

3 建筑轮廓线数据采集

虽然目前技术已经实现了自动提取建筑物外轮廓，但是针对复杂一点的房屋，如圆形建筑、异形建筑、楼顶造型复杂建筑等，程序自动判别还达不到较为理想的结果。因此，为保证精度和建筑细部结构准确，采用人工采集建筑物顶部轮廓线。在VirtuoZo系统的IGS测图模块下，加载立体像对文件。按从高到低的采集原则，采集建筑物顶部的特殊造型、女儿墙、坡屋顶、电梯井等所有要素。其中要特别注意异形屋顶要按不同高程对轮廓面进行分开采集，坡屋顶沿着屋脊线分开采集。目的是为了防止后期模型高程出现塌陷。

4 DEM和DOM的生成

采用VirtuoZo系统的自动匹配生成等高线功能，套合立体影像进行人工干预编辑，处理等高线穿过建筑物、水域等情况，并增加采集道路特征线、广场、山头及洼地高程点等，生成数字高程模型(DEM)。再结合立体像对，制作数字正射影像(DOM)。此技术环节是航测生产流程中比较常规的数据生产方法，因此不再赘述。

5 模型生成

5.1 建筑模型生成

导入采集的建筑物顶部轮廓线矢量数据、精细DEM成果、空三影像数据，设置输出模型和纹理的各项路径和相关参数，采用开发的程序自动生成建筑模型。程序主要思路如下:按采集的建筑物轮廓线的高程从低到高投影到DEM。如先将建筑物的裙楼投影到DEM上，生成一个体块，接着将塔楼轮廓线投影到裙楼顶生成另一个体块，再将女儿墙投影到屋顶面生成体块，依此类推，生成所有建筑物的体块模型。并依据上下重叠关系，将同一栋建筑的裙楼、塔楼、女儿墙等进行合并。同时依据空三影像数据，从立体像对的影像上提取建筑物的纹理，并一一对应生成每个面的纹理数据，同步完成纹理映射。完成后的效果如图1所示。

图1 自动生成模型及提取纹理后效果

从影像上自动提取的纹理，除了屋顶上的效果能达到要求，侧面的效果都不尽如人意，其主要原因有两点:一是航飞数据重叠度不够大，且不是倾斜摄影;二是楼层比较高的建筑，贴图拉伸度太大。要彻底解决纹理清晰的问题，最好的办法是实地拍摄相片，依据相片处理纹理。依据实地拍摄的照片处理纹理后的模型效果如图2所示。

图2 实地拍照处理纹理后模型效果

5.2 模型校正

基于投影原则的模型生成方法，会导致部分模型(如上宽下窄的建筑物、镂空的架子、遮阳罩、亭子、悬空通廊等)会与现实存在出入，因此需对这些模型进行校正。依据 1∶500地形图和实地拍摄的照片，对建筑模型进行修改，精化细部结构，提高准确度和仿真度。从图3(a)可以看到遮雨棚是直接落到地面上的，依据实拍照片对模型进行校正后，模型变成了图3(b)的效果。

图3 模型校正对比效果图

5.3 地形三维模型生成

不规则三角网(TIN)能够充分表达地形的结构特征和细部信息，具有可变的分辨率。TIN既能很好地按地形特征如山脊、山谷线、地形变化线等表示数字高程特征，又能避免地形平坦时的数据冗余，对地形的描述具有很好的合理性。基于数字高程模型转换成不规则三角网地形模型，同时为了便于后期调用和管理，将地形模型按标准 1∶2 000图幅进行裁切，得到单个以1∶2 000图幅命名的地形模型。为了保证纹理映射后精度，在单个 1∶2 000图幅大小的地形模型中再细化为16个 1∶500图幅大小的节点，同时将数字正射影像也裁切成 1∶500图幅大小的图片，并与地形模型一一映射，生成大范围的地形三维模型。

6 试验分析

6.1 试验数据

以长寿区10 km2城区进行试验。长寿区作为规划中的重庆一小时经济圈的大城市，距重庆江北国际机场仅40分钟车程，以打造“三地一中心”(重庆工业高地、现代农业基地、休闲旅游胜地和区域物流中心)战略发展目标。测区有全覆盖航测空三加密成果，精度达到 1∶2 000线划图的要求。

6.2 试验成果

采用本文3、4、5节技术流程进行三维建筑建模和地形建模。图4为集成建筑模型和地形模型后的效果。

图4 快速三维模型集成后效果

7 结语

在全球范围内，对“数字地球”的相关研究正成为计算机与信息技术研究的热点之一。城市三维模型是“数字地球“最核心和关键的技术之一。而基于数字摄影测量技术的快速三维建模具有以下优势:

①建模速度快，程序自动化程度高，区域越大越能体现优势;

②模型精度高。常规三维建模的楼高是依据楼层数推断出来，楼顶造型是依据影像示意制作，而本文方法是从立体模型上精确采集。

③影像数据信息丰富。本文采用的地形模型叠加正射影像的三维地形制作方式，不仅包含了空间属性，同时含有了丰富的影像信息。

④成本低。较高的自动化生产模式，减少了人工投入和时间投入，降低了时间成本和经济成本，提高了生产效率。鉴于数字摄影测量技术三维建模的诸多优点，采用此方法进行大规模的城市三维建模是可行的。

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