摘要：為解決傾斜攝影自動生產(chǎn)的城市三維模型中存在的路燈懸浮、宣傳牌破損等問題，文章探討了模型修飾技術(shù)在解決上述問題、提升模型質(zhì)量方面的應(yīng)用。文章首先介紹了無人機傾斜攝影技術(shù)和三維模型制作流程，其次對目前主流的模型修飾技術(shù)進行介紹，然后對模型常見問題進行分析，并給出模型修飾措施，最后以某城市實景三維中國建設(shè)項目為例，對模型進行修飾，得到了精細化模型成果。研究結(jié)果表明，模型修飾技術(shù)能夠有效解決城市三維模型中存在的常見問題，顯著提升模型的精細化程度。

關(guān)鍵詞：傾斜攝影；模型修飾；三維建模；精細化模型；實景三維中國

中圖分類號：P231 文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2024）27-0083-03

0 引言

實景三維中國建設(shè)是國家測繪地理信息發(fā)展的重要戰(zhàn)略，旨在構(gòu)建覆蓋全國、統(tǒng)一規(guī)范、互聯(lián)互通的三維空間信息資源。然而，傳統(tǒng)傾斜攝影技術(shù)在三維模型自動生產(chǎn)過程中，由于航攝影像部分區(qū)域遮擋嚴(yán)重、獲取影像時車輛發(fā)生位移、攝影測量軟件解算精度不高等原因，導(dǎo)致模型存在路燈懸浮、宣傳牌破損、車輛破損、建筑物結(jié)構(gòu)變形等問題，難以滿足實景三維中國建設(shè)對模型精度和質(zhì)量的要求。為了解決自動生產(chǎn)的模型成果存在的問題，得到質(zhì)量較高的模型成果，很多學(xué)者對此展開了研究。王萍[1]等人探討了基于Smart3D和SVS軟件生產(chǎn)實景三維模型的流程，在一定程度上提升了模型成果質(zhì)量。董飛飛[2]等人采用多源數(shù)據(jù)融合的方式來生產(chǎn)高質(zhì)量的實景三維模型成果。張懂慶[3]等人通過對比分析主流建模軟件的優(yōu)缺點，將不同軟件的優(yōu)點相結(jié)合，從而生產(chǎn)精細化模型。蔡占玲[4]以大同古城模型生成為例，探討了精細化建模的關(guān)鍵技術(shù)。徐夢潔[5]和王小妹[6]等人從單體化技術(shù)入手，探討了單體化技術(shù)在精細化模型生產(chǎn)中的應(yīng)用，并得出基于單體化技術(shù)可以得到精細化模型成果。盡管眾多學(xué)者對精細化模型制作進行了研究，但從效率和操作可行性來說，效率較低，操作難度高。本文旨在探討模型修飾技術(shù)在城市精細化三維模型構(gòu)建中的應(yīng)用，通過對模型進行針對性的修復(fù)和優(yōu)化，提升模型的精度、真實性和美觀度，為實景三維中國建設(shè)提供高質(zhì)量的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。文章首先介紹了無人機傾斜攝影技術(shù)和三維模型制作流程，然后詳細闡述了模型修飾技術(shù)的原理和方法，并結(jié)合具體案例，分析了模型修飾技術(shù)在解決城市三維模型常見問題方面的應(yīng)用效果。本文的研究可以為模型修飾及精細化模型制作提供參考。

1 無人機傾斜攝影

無人機傾斜攝影是指在無人機上搭載多臺航攝儀（一般為非量測數(shù)碼相機），從空中對地面進行全方位、多角度、高分辨率、高重疊度影像數(shù)據(jù)的采集[7-8]，經(jīng)傾斜攝影軟件處理后，可獲得空三加密成果、三維模型、正射影像、數(shù)字表面模型等多種測繪產(chǎn)品。傾斜攝影技術(shù)憑借其多角度、高分辨率、高重疊度的優(yōu)勢，近年來在測繪地理信息領(lǐng)域得到迅速發(fā)展，并廣泛應(yīng)用于城市規(guī)劃、災(zāi)害監(jiān)測、文物保護等多個行業(yè)。

2 模型修飾

模型修飾是指采用紋理修飾或結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)對模型進行處理，得到質(zhì)量更高的模型成果[9-10]。目前模型修飾技術(shù)主要有兩種，分別是紋理修飾和結(jié)構(gòu)優(yōu)化。紋理修飾是指對映射錯誤的紋理進行修改。這種方式不改變模型的結(jié)構(gòu)，只對映射錯誤的紋理進行優(yōu)化處理，適用于結(jié)構(gòu)完整，紋理映射錯誤的模型。結(jié)構(gòu)優(yōu)化是指對模型結(jié)構(gòu)進行修改，常見方法有壓平模型、修補空洞、刪除模型、拉伸結(jié)構(gòu)等。這種優(yōu)化方式可以得到結(jié)構(gòu)與實際地物更相符的模型成果，適用于結(jié)構(gòu)不完整的模型?；谀Ｐ托揎椉夹g(shù)對模型進行優(yōu)化處理，主要的作業(yè)流程如圖1所示。

3 三維模型制作流程

該流程主要包含的內(nèi)容有兩部分，分別為外業(yè)數(shù)據(jù)的采集和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)的解算。外業(yè)數(shù)據(jù)的采集主要包括影像數(shù)據(jù)的采集和像控點數(shù)據(jù)的采集；內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)的解算主要是指對航攝傾斜影像的解算，并基于空三加密成果完成其他測繪產(chǎn)品的制作。本文方案的自動化構(gòu)建模型流程如圖2所示。

4 模型常見問題分析及優(yōu)化措施

4.1 路燈懸浮物問題分析及優(yōu)化措施

路燈和樹木的頂部通常較大，而中間部分則相對細小。在基于傾斜影像生產(chǎn)三維模型時，路燈和樹木的中間部分常會出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，形成所謂的“懸浮物”。影像解算的本質(zhì)是對重疊區(qū)域影像上同一地物進行同名點匹配。在進行匹配之前，首先會通過特征點檢測和提取算法，從海量影像中提取相同影像上的同名點，然后通過同名點匹配，糾正影像的空間位置和姿態(tài)?；谄ヅ涞玫降耐c，采用多視影像密集匹配算法，對影像進行解算，從而獲取密集的點云數(shù)據(jù)。由于路燈和樹木的中間部分較細小，因此密集匹配得到的點云數(shù)量較少。在基于密集點云構(gòu)建三角網(wǎng)時，由于點云數(shù)量不足，導(dǎo)致構(gòu)建的三角網(wǎng)出現(xiàn)不連續(xù)性問題，形成“懸浮物”。增加點云數(shù)量可以有效解決懸浮物問題。增加點云數(shù)量的方法包括采用三維激光掃描技術(shù)，對路燈和樹木進行掃描，以獲取更密集的點云數(shù)據(jù)；也可以使用長焦距相機或降低飛行高度，以獲取分辨率更高的影像數(shù)據(jù)，從而解算出密度更高的點云數(shù)據(jù)。樹木和路燈在實際應(yīng)用中主要起到美化場景的作用，因此除了上述兩種方法外，還可以采用外部模型植入的方式進行處理。具體來說，即刪除原有的路燈和樹木模型，將外部模型植入到場景中，然后調(diào)整其位置、大小和角度，以獲得更高質(zhì)量的模型成果。

4.2 宣傳牌破損問題分析及優(yōu)化措施

宣傳牌一般是立方體結(jié)構(gòu)，具有較長的長度、較高的寬度和較薄的厚度，一般為幾毫米到幾厘米不等。組成模型結(jié)構(gòu)的最小單元是三角網(wǎng)，而三角網(wǎng)是基于密集點云構(gòu)建而成的。目前主流的軟件采用的三角網(wǎng)構(gòu)建算法都是不規(guī)則三角網(wǎng)，該算法要求構(gòu)建的三角網(wǎng)三邊之和最小，且構(gòu)建的三角網(wǎng)互不交叉、互不重疊?；谶@一算法，在對宣傳牌進行三角網(wǎng)構(gòu)建時，由于宣傳牌厚度較薄，因此會將宣傳牌兩側(cè)的點云構(gòu)建到同一個三角網(wǎng)中，導(dǎo)致同側(cè)點云無法構(gòu)建三角網(wǎng)，出現(xiàn)孔洞。對于這種問題的處理，目前主流的技術(shù)有兩種，一種是模型修飾，一種是單體化。模型修飾首先是指利用修模軟件對孔洞進行修補，然后以宣傳牌平面為基準(zhǔn)面，對高出基準(zhǔn)面的部分進行壓平處理，從而得到規(guī)整的宣傳牌，最后對宣傳牌紋理進行映射編輯，得到最終優(yōu)化后的宣傳牌。這種方式得到的精細化模型是在原模型之中的，與原始模型是一體的，不利于屬性查詢等操作。單體化是指基于恢復(fù)的虛擬立體像對，在立體環(huán)境下，采集宣傳牌的結(jié)構(gòu)，然后構(gòu)建新的宣傳牌模型。這種方式得到的模型是獨立于原有模型的，可以對其屬性進行查詢等，可操作性強。上述這兩種方案都可以得到精細化宣傳牌模型，在實際作業(yè)中，須根據(jù)項目需求自行選擇合適的優(yōu)化措施。

4.3 車輛破損問題分析及優(yōu)化措施

道路上的車輛通常處于動態(tài)狀態(tài)，即在不同影像上，車輛的位置是不同的。在解算過程中，由于車輛位置不同，可能匹配出錯誤的同名點。在密集點云解算時，由于同名點是錯誤的，匹配出的密集點云也會不準(zhǔn)確。在構(gòu)建三角網(wǎng)時，基于錯誤的點云構(gòu)建得到的三角網(wǎng)與實際情況不符，進而導(dǎo)致車輛出現(xiàn)大幅度的破損。對于道路上破損的車輛，最直接的處理方式是進行壓平處理。即將車輛壓平到路面上，然后聯(lián)動Photo?shop軟件，對錯誤的紋理進行編輯，以獲得與實際道路相符、干凈、整潔的道路面，從而提升模型成果的質(zhì)量。

4.4 建筑物結(jié)構(gòu)變形

對于建筑物模型來說，底部通常會存在一定的變形，其主要原因是建筑物底部屬于航攝盲區(qū)，目前的影像解算算法無法對航攝盲區(qū)進行高精度同名點的解算，因此也無法匹配精確的密集點云。在構(gòu)建白模時，由于缺少必要的頂點和邊界點云數(shù)據(jù)，導(dǎo)致構(gòu)建的三角網(wǎng)與建筑物實際結(jié)構(gòu)不符，出現(xiàn)建筑物結(jié)構(gòu)變形，紋理拉花。對于建筑物結(jié)構(gòu)的優(yōu)化處理，目前常用的方法有兩種，即建筑物結(jié)構(gòu)編輯和單體化模型制作。建筑物結(jié)構(gòu)編輯是指在已有模型上，對建筑物的邊界或頂點進行拉伸處理，使建筑物邊界互相垂直，更加筆直。建筑物單體化是指在立體環(huán)境下，采集建筑物的頂點、邊界，通過拉伸、縮放等方式，從而重新構(gòu)建一個建筑物體?；诮ㄖ锝Y(jié)構(gòu)編輯和單體化方式，都可以得到高質(zhì)量三維模型成果。

5 案例分析

某城市開展實景三維中國建設(shè)項目，需要生產(chǎn)實景三維模型。結(jié)合圖2的作業(yè)流程，選用六旋翼無人機搭載5鏡頭相機進行傾斜影像數(shù)據(jù)的采集，共采集傾斜影像數(shù)據(jù)100 500張，POS數(shù)據(jù)20 100個。使用Context Capture軟件加載影像和POS數(shù)據(jù)，并進行空中三角測量解算和三維模型生產(chǎn)。通過交互式軟件對模型成果進行查看，發(fā)現(xiàn)模型存在道路兩側(cè)路燈懸浮物、宣傳牌破損、路面車輛破損、部分建筑物結(jié)構(gòu)變形等問題。這些問題影響模型整體的質(zhì)量，需要對其進行優(yōu)化處理。本文在對模型修飾技術(shù)進行深入分析后，采用模型修飾方式來優(yōu)化本次生產(chǎn)的模型成果。

對于宣傳牌破損的問題，采用結(jié)構(gòu)重構(gòu)技術(shù)進行優(yōu)化處理。首先對孔洞進行修補，確保破損區(qū)域無孔洞，然后對宣傳牌兩側(cè)的結(jié)構(gòu)進行壓平處理，確保側(cè)面的三角網(wǎng)頂點都位于同一個立面上，最后對模型紋理進行編輯修飾，使其紋理與周邊紋理過渡自然，與實際現(xiàn)狀相符。如圖3所示，是宣傳牌破損優(yōu)化前后對比圖。

對于路面車輛破損的問題，直接采用模型壓平的方式，對車輛進行壓平處理，然后對壓平后的紋理進行優(yōu)化處理，使其與周邊紋理過渡自然，符合道路實際情況。如圖4所示，是路面破損車輛優(yōu)化前后對比圖。

對于建筑物結(jié)構(gòu)變形的問題，采用修模軟件中的結(jié)構(gòu)拉伸功能，結(jié)合建筑物實際的位置和結(jié)構(gòu)，對變形建筑物的頂點或者邊界線進行拉伸，使其與建筑物實際結(jié)構(gòu)一致，然后編輯紋理，得到與實際一致的建筑物模型成果。如圖5所示，是建筑物結(jié)構(gòu)變形優(yōu)化前后的對比圖。

通過人機交互的方式查看圖3、圖4和圖5的成果，通過對比分析，采用本文的優(yōu)化方案，對問題模型進行優(yōu)化，可以得到更精細的模型。

6 結(jié)束語

本文研究了模型修飾技術(shù)在城市精細化三維模型構(gòu)建中的應(yīng)用，通過對路燈懸浮、宣傳牌破損、車輛破損、建筑物結(jié)構(gòu)變形問題的分析，提出了多種切實可行的解決方案，并通過案例驗證了方案的可行性和有效性。本文的研究結(jié)果為城市精細化三維模型的構(gòu)建提供了新的思路和方法，具有一定的理論意義和應(yīng)用價值。未來可以進一步研究如何將模型修飾技術(shù)與人工智能、深度學(xué)習(xí)等技術(shù)相結(jié)合，以實現(xiàn)更加自動化和智能化的三維模型精細化處理。

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【通聯(lián)編輯：梁書】