基于航空摄影测量的建筑物精细化采集与三维建模技术研究

李锡伟胡耀崇任思思

（1.黑龙江地理信息工程院，黑龙江 哈尔滨150081；2.黑龙江省海天地理信息技术股份有限公司，黑龙江 哈尔滨150025）

0.引言

随着经济社会的发展，对基础地理信息数据的要求逐步提高，二维数据已不能满足日益增长的需求，三维模型产品凭借其能够全方位真实直观地展现地物地貌的优势，被广泛应用到各行各业。目前三维数据的生产主要是以航空摄影测量技术、LiDAR数字摄影测量技术、倾斜摄影测量技术为主[1]，如何快速构建精细化三维模型，已经成为当下新型基础测绘研究与应用的一个热点。

利用航空摄影测量技术方法对建筑物进行精细化立体采集，既能保证建筑物整体轮廓的完整一致，又能保证房顶天窗、房脊等各层次的细节表达；并且利用立体采集获取的高精度三维房屋轮廓线与房屋顶部构造线，可以快速构建高精度、精细化的三维建筑物模型，实现建筑物细节与原貌的真实展现。

欧洲众多建筑物历史悠久、风格独特、造型多样、层次复杂、排列紧密，该类型建筑物在细节表达和建模效率方面均具有诸多困难。基于航空摄影测量的建筑物精细化采集与三维建模技术，在效率与效果方面具有其独特的优势。本文将结合欧洲某城市建筑物精细化采集和三维建模的实际，探索总结出一种基于航空摄影测量方式的三维建模技术方法，旨在为三维建筑物模型的制作和应用提供一定的指导。

1.基于航空摄影测量的建筑物精细化采集与三维建模关键技术

基于航空摄影测量的建筑物精细化采集与三维建模，首先，要在立体环境下精确采集建筑物的轮廓线（边线）、房脊线、房顶点等房屋特征要素；然后，基于航测立体环境下俯瞰图的视角，将所采集的要素对象堆积到一起；最后，将其垂直投影到地面上构建立体模型。关键技术主要包括以下几方面：

1.1 数据准备

基于航空摄影影像与其空三加密成果，利用摄影测量立体采集系统，恢复立体模型，在立体状态下检测精度，满足精度需求后方可进行三维建筑物的精细化特征要素采集。一般数据采集前需制作三维建筑物采集符号库，并定义建筑物轮廓线、构架点、构架线、房脊、天窗等采集实体的分层与编码（如表1所示）：

表1三维房屋立体采集实体的分层与编码

1.2 三维建筑物要素采集

复杂建筑物对于精细化采集的精度要求极高，因此，采集三维建筑物时需要打开“人工调整”功能，以保证要素采集的高程精确。按照造型，建筑物通常可分为四类：平顶房、尖顶房、起脊房、房上房。

在立体采集过程中要注意以下方面：

（1）平顶房采集时房顶边线节点高程要基本水平，各个角点之间不能出现大的高差。

（2）起脊房采集时房屋前边线、房屋后边线、房脊线三条边线节点高程要求各自水平。

（3）尖顶房边线节点高程同起脊房，房顶点用房屋结构点表示。

（4）房上房一般房屋上面的天窗，天窗的边线节点高程采集要求同起脊房。

（5）采集所有面积大于20平方米的房屋，当房顶高差大于40厘米时需要拆分采集，不同层次、不同平面或不同斜面房顶需要拆分采集。

（6）空间相交的房屋边线、房脊线和房屋边线要确保二维捕捉。为了提高采集的效率，房屋边线可以暂时不与房脊线三维捕捉，在编辑过程中进行房脊的自动捕捉。

1.3 要素编辑处理

建筑物三维要素采集完成后，转出到编辑软件中进行精细化编辑。由于建筑物比较复杂，采集过程中易出现悬挂点、缝隙、相交、重叠等拓扑问题，编辑过程中需要检查数据的拓扑关系，并处理好数据的拓扑问题。此外，还需处理好房屋边线与房脊的关系。三维建筑物采集的要素数量较多且层次关系复杂，为提高数据采集工作效率，房屋边线和房脊线需单独采集，并依照房屋面与房脊线的空间关系，将每个建筑物的房脊和房屋边线空间位置进行三维贴合。

1.4 要素成果质量控制

为保证后期三维模型创建正常进行，三维建筑物要素数据的质量控制尤为重要，需保证所采集数据的拓扑关系正确，屋顶的平面和斜面不能出现大于20度的坡度。因此，首先要对所有房屋建立拓扑关系，检查拓扑关系正确性，之后，通过坡度分析工具，检查每个房屋各个平面、斜面的坡度是否正确，单个节点坡度大于20度需重新进行立体检查与修改。

1.5 建筑物三维建模构建

利用上述立体采集得到的三维要素矢量数据，建立三维屋顶表面模型，并将其垂直投影到地面上。简单房屋利用采集的点、线、面高程信息，直接进行表面模型构建；对于要素复杂房屋需要区分各层次的类别，结合建筑物各层次表面信息，分别完成建筑物的三维模型构建，结合采集的高程信息垂直投影到地面形成空间立体模型。

（1）由2个要素组成的简单屋顶

（2）由多个要素构成的复杂屋顶

（3）房屋的三维模型制作

2.实验与结果

2.1 实验数据

本次实验利用欧洲某城市部分受保护建筑区域的真实航空摄影数据。采用UltraCam Eagle M3相机获取航空影像，相机的焦距为100.5毫米，像素大小4微米，影像地面分辨率0.05米（如图1所示），航摄影像精度很高，具有高精度POS数据基于Inpho软件进行空中三角测量，解算高精度的外方位元素。该项目对房屋采集精度要求非常高，数据采集前要先做精度检测，符合精度要求才可以进行下工序的生产作业，房屋采集的平面精度和高程精度控制在0.05米以内，所以采集窗口放大到3倍进行数据采集工作。

图1建筑物的航摄影像

2.2 要素矢量采集结果

基于UltraCam Eagle M3航射影像、Inpho格式的空三加密成果、成图范围线、模型范围线、精度检查点坐标和检查点位置图片等资料，本次数据采集主要采用航天远景的MapMatrix软件进行三维房屋的立体采集。首先，基于MapMatrix软件建立数据符号库，设定各层要素的编码及符号特征属性；之后，恢复立体模型，采集的建筑物要素矢量数据，在采集过程中同一高度的线段不允许产生高差，房屋边线和房脊线不能有多余节点产生。采集过程中必须开启软件“人工调整”功能，为了保证不转动脚盘的情况下，鼠标移动测标，测标的高程不发生变化，才能保证数据采集成果同一高度的房屋边线高程基本相同，所以数据采集过程中不允许同层、同一高度的房屋面产生倾斜角度。该项目的房屋比较复杂，数据采集中需要先采集不同层次、不同高度、不同实体的面，在面的基础之上采集房脊和房屋结构线，构成一个三维的房顶。采集过程中除了注意“人工调整”外，还要特别注意数据的捕捉，房屋比较复杂线条很多，一定要在采集过程中处理好捕捉的问题，不允许出现悬挂点和伪节点，相同高度的数据使用三维捕捉，不同高度的数据要进行空间二维捕捉，形成无缝隙完整房屋顶面（如图2所示）：

图2采集的三维建筑物要素矢量

2.3 编辑处理结果

三维房屋编辑处理工作，一方面是检查房屋采集过程中产生的错误，进行数据检查工作；另一方面是处理房脊与房屋之间的关系，做房屋边线和房脊的粘合。数据采集完成后，首先将采集的三维房屋转出到AutoCAD中，对房屋数据进行编辑，之后检查房屋悬挂点、伪节点和线上的多余节点，检查房屋之间的空间关系是否正确，结合ArcGIS软件检查三维房屋的拓扑关系，使用CAD软件检查数据空间三维关系是否正确，在保证采集数据没有错误的情况下，最后使用基于AutoCAD Lisp二次开发屋脊处理软件，在AutoCAD中处理房屋与屋脊之间的空间关系，房屋面和屋脊实现自动三维捕捉，获取最终数据成果。其中红色线为房脊线，蓝色线为房屋边线（如图3所示）：

图3房边线和房脊线捕捉关系

2.4 三维模型结果

利用数字化技术，建立虚拟的建筑物的三维模型，为这个模型提供完整的、与实际情况一致的建筑工程信息库。基于AutoCAD软件处理好数据的三维关系和逻辑关系，保证几何数据的正确性。结合ArcGIS Multipatch创建三维屋顶表面，并将三维房屋投影到地面，完成三维模型构建（如图4所示）。相比较采用倾斜摄影结合LiDAR点云的方式建立三维模型，数据化采集的方式建立的三维模型更加精细化，建筑物的每一层结构都很完整，包括房顶的天窗等附属设施没有产生任何的损失。

图4房屋三维模型

2.5 三维场景结果

在三维房屋白模制作的基础上，进行房屋侧面纹理贴图，并叠加数字正射影像和数字高程模型等成果，构建三维场景（如图5所示）。构建好的三维模型可以应用于工程设计、建造、管理的数据化工具，通过对建筑的数据化、信息化模型整合，在项目策划、运行和维护的全生命周期过程中进行共享和传递。该信息库不仅包含描述建筑物构件的几何信息、专业属性及状态信息，还包含了非构件对象（如空间、运动行为）的状态信息。

图5三维场景

3.结束语

本文探讨了基于航空摄影测量的建筑物精细化采集与三维建模关键技术，并利用欧洲某城市真实航摄影像进行验证，形成一套可行的航空摄影测量三维建模技术方法。在本文构建的三维建筑物模型基础上，进一步完成房屋侧面纹理贴图，并叠加数字正射影像和数字高程模型等成果，可用于三维场景展示。同时，本项目生产的三维模型为单体化模型，可单独赋属性和编辑，便于后期成果的分析利用。

目前，高精度三维模型的应用越来越广泛，利用具有现实景观的三维信息来还原地面特定区域的优势非常多。伴随着具有现实三维体验的可视化，利用相关算法（如信号传播算法或感知研究）可为当地政府、电信或咨询公司的服务创造巨大优势，将被广泛应用于智慧城市建设、建筑信息模型（BIM）、古建筑保护、市政基础设施管理等多个行业。