基于分层展示的倾斜摄影城市三维建模研究

赵晓玉

摘要：近年来，随着智慧城市的发展，三维空间数据成为社会发展所必需的一种新的直观的数据表达方式，而传统的既费力又耗时、周期长的手工建模方式和传统的非接触式仅从垂直方向获取建模影像数据的摄影测量技术已难以满足智慧城市三维建模的复杂要求，倾斜摄影测量技术的出现颠覆了原有的建模拍摄角度的局限，提供了自动化、低成本、高效率和高精度的建模流程。同时基于倾斜摄影测量技术对吉林省某市三维建模数据采集技术流程进行详细设计，使用飞机搭载五镜头航摄仪与固定翼无人机作业平台对建模区域进行倾斜摄影三维建模数据采集，并采用建模软件实现自动批量建模、实现三维模型的单体化。

关键词：三维建模 倾斜摄影测量 智慧城市 单体化 分层展示

中图分类号：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

近年来，城市三维模型（3D City Model，3DCM）生产日益成为测绘生产单位的一项重要地理信息数据生产任务。目前，传统非接触式摄影测量技术已难以满足数字城市三维建模的复杂要求，传统航摄影像以接近垂直角度进行拍摄，正射影像数据可快速获取城市建筑的颈部结构与纹理信息，然而建筑物的侧面结构与纹理却无法从中提取[1]。倾斜摄影测量技术的出现有效地解决了这个问题，它通过将多台传感器搭载在同一个飞行平台上，同时从4个倾斜、1个垂直的角度来进行拍摄，为建模提供了全面的数据，并且颠覆了低效率、高成本的手工建模人机交互建模等传统方式[2]，大大缩短了作业时间，简化了建模流程，降低了建模成本。本文主要以倾斜摄影测量技术为基础，以吉林省某市为例，对其三维建模数据采集技术流程进行设计。

1 测区与设备介绍

测区位于吉林省某市，总面积为1 460 km2，东西横跨距离约144 km，南北纵向距离约107 km。本项目所使用的软硬件配置如表1所示。

2 设计内容

2.1 测绘基准

平面坐标系统采用CGCS2000坐标，高程系统采用1985国家高程基准，成图比例尺为1∶1000，影像分辨率为10 cm。

2.2 技术流程

技术流程如图1所示，具体流程为：（1）对城市的地理环境地形地貌、气候条件、空域条件以及人文环境进行充分的了解，对需要航飞的区域申请空域；（2）对主城区进行详细的倾斜摄影航线设计，测区为两个面积较小的建成区和一个大面积的中心城市区，所以测区分为3个测区，即a、b、c测区，如图2所示，本次倾斜摄影a和c测区使用翼飞闪电F-26固定翼无人机搭载翼飞W5五镜头相机来获取影像，b测区较大使用运5飞机搭载SWDC5航摄仪分区进行数据采集，各摄区的主要航飞参数如表2所示；（3）数据采集完成后，对像控点进行分区布设并采用GPS在野外进行测量；（4）将影像数据、相机的POS数据导入PIX4D建模软件并刺好像控点进行空三加密与批量建模；（5）对生成的三维模型进行单体化便于对建筑物等的查询；（6）对标志性建筑物进行倾斜摄影在建模软件里建立单体化模型，对倾斜摄影无法采集到的遮挡的纹理数据进行补充采集；（7）将正射影像和数字高程模型进行融合建立地表模型；（8）将地表模型、建筑物单体化模型实现分层展示。

2.3 控制点布设

主城区像控点布设密度依据规范要求，按每个航摄分区8个平高点、1～2个检查点，检查点宜布设在像主点附近，不参与平高点区域网平差，只用于检查加密成果的可靠性。采用区域网经典布点方案，像控点采用GPS-RTK方法进行测量，由于GPS测量结果是WGS84坐标系统，本设计采用CGCS2000坐标系，所以在测量之前先进行坐标系的转换[3]。

2.4 批量自动建模

首先启动pix4d软件新建项目，导入影像数据并编辑图片属性，选择图像坐标系及POS数据坐标系，默认是WGS84（经纬度）坐标系，导入POS文件并编辑相机参数[4]。点击next，弹出选择输出坐标系窗口，基准面选择China 2000，坐标系选择CGCS2000。然后选择处理选项模板3D Maps，可生成正射影像图，点云和3D纹理，然后点击finish完成创建。

2.5 三维模型单体化

通过空三加密和倾斜摄影自动化建模处理后所得到的OBJ或者OSGB等三维模型是一个连续的TIN数据，而GIS平台并不能对其中特定的地物进行选择和查询。但是能对地物进行单独的选中，赋予并查询属性，进行空间分析等操作是最基本的功能要求，因此需要对倾斜摄影模型进行拆分及单体化处理。在目前的摄影测量行业当中一般有3种方式进行单体化，分别为切割单体化、ID单体化和动态单体化[5]。本设计使用超图的桌面软件进行摄影测量数据模型的单体化。

2.6 标志性建筑物单体化建模

对单个高层建筑物利用多旋翼无人机飞马D2000进行倾斜摄影来获取影像数据，其中航线规划采用手机软件Altizure，然后对倾斜摄影无法拍摄到的建筑纹理数据进行补充采集，确保得到的纹理数据充足，再通过建模软件Context Capture来建模。

2.7 地表模型建立

地表模型实际上是数字高程模型和正射影像叠加的结果，是正射影像在高程这一参数方向的拉伸显示。操作步骤是用ArcGIS将准备好的该市的1∶1000DEM数据和正射影像图导出为TIFF格式，然后打开TerraBuilder将两个数据添加进去，要保证两个数据的坐标系一致，然后点击工具栏的“create MPT”，在弹出的窗口中点击“Start MPT”，创建完成后点击ok。在“View In 3D”菜单浏览效果，该市地表模型如图3所示。

2.8 三维模型分层展示

三维模型的分层展示，就是将已经建好的城区普通模型、经过单体化处理和纹理修补的模型以及地表模型加载并显示在同一区域的显示区。因此，首先应该对三者进行地理位置的配准。由于ArcGIS并不能直接将OSGB文件加载进去，所以需要先利用Smart3D软件对模型文件进行重新导出[6]，其导出格式应为Esri I3S标准的数据格式SLPK，然后再将三维模型加载进入ArcGIS当中。在ArcGIS当中，利用move to工具将已经确定好的控制点位置关系进行匹配移动，从而将三者空间位置进行正确的吻合，然后再导出该模型。最后利用Skyline TerraExplorer Pro对三者进行加载，以实现分层显示的效果。

3 结论与展望

经过此次设计，发现倾斜摄影测量技术在三维建模方面的重要作用，它使三维建模的流程更加自动化、精细化，在智慧城市的发展道路上至关重要。虽然本设计已经实现了绝大部分模型的制作要求，但仍然有许多细节方面并不能做到精细到位，主要包括以下几个方面。

（1）标志性建筑物建模不完全，本设计所包含的标志性建筑物，分布较为分散，加以现实状况，并没有找到合适的办法对每一个标志性建筑物进行单独的倾斜摄影。因此，所完成的标志性建筑建模并不完整。

（2）建筑物单体建模精细化不够。在对已经单体化的建筑物模型进行模型修补和纹理贴图时，虽然允许在不影响建筑物真实性、几何结构的基础上，存在部分非常精细的细节信息缺失，但是，由于数据不足的原因，对模型的修改和纹理的贴图部分，并不能完全以实际情况进行制作，因此不可避免地存在误差。

参考文献

[1] 华安中，孙灏.大规模中心城区精细化建模及可视化研究[J].测绘通报，2023（12）：121-126.

[2] 罗振威，李骁，刘承承，等.利用倾斜摄影与激光扫描技术构建城市级实景三维模型[J].测绘通报，2023（12）：116-120.

[2] 焦亚沁. 基于无人机倾斜摄影测量点云数据的河流水面三维重建技术研究[D]. 连云港：江苏海洋大学，2023.

[4] 张雪冰，韦璐，郑湘辉，等.无人机倾斜摄影三维建模软件对比分析[J].辽宁科技学院学报，2022，24（6）：17-21.

[5] 李俊，杨德宏，吴锋振，等.倾斜摄影测量三维模型单体化构建及服务共享[J].软件，2023，44（7）：79-82.

[6] 陆士好.倾斜摄影测量实景三维模型的精细化修整[D].北京：中国矿业大学，2023.