一种城市道路实景三维模型的快速构建和整合优化方法.pdf

经纬天地Survey World2023年第3期No.320230引言目前实景三维数据被广泛应用于地理信息产业相关领域，但实景三维数据由于其自身结构特征，不能自动针对地物对象进行分割和属性挂接。现阶段常用处理方式有二维矢量面叠加的动态单体化和重建单体化等方式；同时由于倾斜摄影过程中存在拍摄死角和人车及光影移动，会导致部分纹理错位及空间信息严重缺失，所以在 Mesh 模型中城市道路及附属设施存在严重的纹理拉花和结构扭曲等问题，尤其是在阴影区域和十字路口等车辆聚集区域，这些情况给实景模型后处理增加了很大的工作量，为实景三维模型的应用带来一定的障碍1。道路单体化建模是解决城市三维实景模型中道路模型标准化建设的重要途径2。单体化能够将三维 Mesh 模型进行地物分割，同时构建标准对象模型，并可挂接属性信息为后续三维数据应用创造基础条件。将单体化城市道路模型与城市实景非道路模型重组，会大大提高实景三维模型中道路交通设施的模型细节，增强在平台应用中道路部件的细部特征和展示效果，为实景三维数据在城市三维地下管线平台的应用创造有利条件。一种城市道路实景三维模型的快速构建和整合优化方法刘学人1，李文琪2（1.中煤航测遥感集团有限公司，陕西 西安 710199；2.阳泉市精诚测绘有限责任公司，山西 阳泉 045000）摘要：针对城市实景三维模型中道路及附属设施中存在纹理和结构扭曲的问题，提出一种城市道路实景三维模型的快速构建和整合优化方法。方法首先利用三维Mesh模型、空三成果、无畸变影像成果进行道路及其要素模型的标准化重建，建立起道路交通要素数据库，随后通过要素单体化模型的批量种植及重组技术，实现了城市道路及附属设施标准化模型的快速整合优化，并进行了相关试验和精度验证。结果表明：该方法能够快速完成道路及附属设施区域的优化处理，其具有较高的实景还原度和精度。关键词：模型单体化；模型种植；模型重组；道路要素数据库中图分类号：P231文献标识码：A文章编号：2095-7319（2023）03-0098-03A rapid construction and integration optimization methodfor realistic 3D models of urban roadsLIU Xueren1,Li Wenqi2(1.Aerial Photogrammetry and Remote Sensing Group Co.,Ltd.,of China National Administration of Coal Geology(ARSC),Xian710199,China;2.Yangquan Jingcheng Surveying and Mapping Co.,Ltd.,Yangquan 045000,China)Abstract:A rapid construction and integration optimization method for urban road realistic 3D models is proposed to address theissue of texture and structural distortion in roads and ancillary facilities.The method first utilizes the 3D Mesh model,spatial results,and undistorted image results to standardize the reconstruction of roads and their element models,and establishes a road trafficelement database.Subsequently,through the batch planting and restructuring technology of element monomer models,the rapidintegration and optimization of standardized models for urban roads and ancillary facilities are achieved,and relevant experimentsand accuracy verification are conducted.The results show that this method can quickly optimize the processing of roads and ancillaryfacilities areas with realism and accuracy.Key words:model monomer;model planting;model reorganization;corridor feature database收稿日期：2022-03-15作者简介：刘学人（1979），男，甘肃平凉人，硕士研究生，高级工程师，主要从事摄影测量与遥感、地理信息系统工程等工作。E-mail：986月1技术路线城市道路实景三维模型的快速构建和整合优化方法是在倾斜影像的 Mesh 模型上进行城市道路边线及中线三维特征点拾取，通过由点构线、由线构面、由面构体的方式，获得单体化三维模型结构信息；利用空三成果和无畸变影像对模型的各个面进行自动纹理映射，获取道路单体化模型的初始纹理；建立道路要素数据库，包括路面纹理要素库和道路附属单体要素库，根据路面纹理数据库对道路初始纹理进行标准化赋色，对道路附属设施（如电线杆、植被、路灯、指示牌等）按其实际位置进行单体模型种植重组；从而得到重建后完整的城市道路区域的实景三维模型3。其总体技术路线如图 1 所示。2道路要素数据库建立单体化工程的构建需要提前收集项目生产所需的空三文件，OSGB 格式模型数据和 OBJ 格式模型数据作为数据源。为了避免在模型后处理当中逐一对同类型道路要素反复作业，综合城市实景模型中道路的实际情况，先建立路面纹理要素库和道路附属单体要素库以作为规则库，该规则库为后续纹理映射和部件种植提供数学基准。然后通过自动化的方式以采集的点位为参考对 Mesh 模型中道路要素进行批量替换，由此为后续道路交通模型的快速标准化重建提供数据支持，从而大大提高了作业效率。2.1路面纹理要素库路面纹理要素库是对实景模型中路面实际纹理信息的收集整理库，包括路标、引导线、道路中线、人行道、斑马线、路面提示“礼让行人”、限速符等，将各类路面纹理要素分别进行标准化制作，并且按照导入格式分类入库保存，以备道路单体化纹理赋色。路面纹理要素的制作方法：先在实景道路模型上选择目标范围，利用 DP-Modeler 联动 Photoshop 的方法，然后将空三成果中非畸变影像纹理映射至道路模型上；选择该映射范围，根据实景模型的地面标线位置调整实体道路标线的实际位置，绘制路面纹理；根据不同的道路纹理制作出相符的纹理贴图，以此建立起路面纹理要素库。2.2道路附属单体要素库道路附属单体要素库是结合城市实景模型中道路附属设施的实际组成及构造情况，分别制作独立构件，即部件级单体模型，建立的单体模型数据库，包括路灯、井盖、电箱、电线杆、垃圾箱、道沿、花坛、红绿灯、指示牌等，将各设施部件分别进行标准化模型构建，并按照通用格式保存入库，以备后续批量种植使用。道路附属单体要素的制作方法：先在 DP-Modeler 软件中根据物体的实际形状及尺寸制作出与实体相符的模型，即定位合适的参考位置为模型的制作打底，创建实际的长宽高，将制作的模型同步到 3D MAX 软件中，并根据实体要素调整制作模型的细节特征；在 DP-Modeler 软件中映射出实体影像，然后联动 Photoshop 软件进行调整，完成道路附属单体的制作。3基于Mesh的道路模型重建考虑到原始 Mesh 中道路模型效果及其精度较差，使其后处理难度及工作量巨大，故将主体道路模型进行标准化重建，用以替换 Mesh 中原始道路模型；利用天际航 DP-Modeler 软件进行道路模型的单体化制作，以实景 Mesh 模型作为底图，加载到建模软件中，根据城市道路的特点对道路进行分段建模。重建过程中，路面可以作为多边形面状地物进行建模。3.1道路主体结构重建3.1.1道路特征线采集首先确定基准面，将坐标轴定位到合适的位置，确保创建出的模型高度与实体道路水平保持一致；在 DP-Modeler软件中，确定基准面后，以垂直向下的正射视角绘制公路轮廓线，绘制完毕后，生成轮廓面即公路主体，然后沿公路中线及其曲率将轮廓面进行切割，形成道路特征线。3.1.2调整优化考虑到实际路面中存在一定的坡度和超高，需要分别对公路特征线上各个折点进行高程调整，使得公路轮廓面与Mesh 模型中实际路面达到最佳贴合效果从而提高道路模型精度。3.2道路纹理映射3.2.1初始纹理映射由于道路结构模型是基于 Mesh 模型重建的，故直接通过 DP-Modeler 软件对道路结构模型进行自动映射，从而使得道路模型获得初始纹理，由于遮挡和阴影的原因初始纹理会出现错位和缺失等情况，因此需要采用标准纹理赋色来解决。3.2.2标准赋色根据实景模型实际纹理信息，在路面纹理要素库中选择合适的纹理，对道路初始纹理进行标准化赋色，使路面各要素按其实际位置得到标准颜色，采用 DP-Modeler 联动3D MAX 的方式对道路模型完成快速标准化赋色。图 1城市道路实景三维模型快速构建的总体技术路线刘学人，李文琪：一种城市道路实景三维模型的快速构建和整合优化方法99经纬天地Survey World2023年第3期No.320234模型重组以模型重组的方式对原始 Mesh 中的道路对象要素进行整合优化，即道路附属单体要素与标准化主体道路模型重组，得到标准化道路模型，进而将其与非道路区域实景模型重组，最终得到城市道路优化后的成果模型。4.1单体要素与道路模型重组通过自主开发的插件和采集的部件位置信息自动实现道路附属单体要素的种植和道路模型的重组，具体方法如下：加载道路附属单体要素，按照固定的编号规则将道路附属设施单体导入要素数据库，以快速种植的方式将附属单体重组到道路模型，只需要通过批量旋转和缩放操作来实现与实际地物相符合。通过该方式不仅可以得到高逼真、高还原度的道路附属设施，还提高了工作效率，从而避免了重复式的单体化重建，减少了大量工作。4.2道路模型与实景模型重组4.2.1非道路区域模型裁切为了避免道路模型与实景模型重组后产生重叠，需要将实景模型中道路部分进行压平或去除处理，但考虑到压平处理耗时长、工作量大，同时会使模型源数据产生大量的冗余，影响模型后期切片缓存使用，因此利用 DP-Modeler 完成实景模型中面向对象模型的矢量化裁切，并快速地导出非道路区域的实景模型。为了避免重组后模型出现细缝或漏空，在模型裁切作业过程中，需要注意绘制裁剪范围线时要保证道路与非道路区域模型保持一定重叠。4.2.2模型重组标准化道路模型与裁切后的非道路区域实景模型重组是基于统一的参考基准和偏移值的，并且需要统一的瓦片名称命名规则以避免出现同名瓦片。由于道路模型与实景模型的重建方式不同，其数据结构也不同，为方便道路模型与非道路区域实景模型重组，采用以下方法：根据任务次序将道路主体模型与附属设施单体模型合并，按统一格式整体导出；将道路模型数据打包成单独的瓦片，并按照路段重建任务次序对打包瓦片进行单独命名编号，以区分于实景模型的瓦片数据名称；通过重命名软件建立道路区域同名瓦片文件将模型中相关瓦片选中剔除，利用矢量化裁切模型进行替换，得到非道路区域实景模型；统一偏移值数据，将打包的道路模型数据与非道路区域实景模型放置同级位置，从而实现原始 Mesh 模型中道路模型的裁剪和标准化道路模型的替换和重组。5项目验证为了验证该方法的有效性，在西藏某项目实施过程中通过本文提出的方式完成了日喀则城区 55 km2建筑与道路实景三维模型的制作结果如图 2 所示，并对制作的标准道路模型与原始实景三维模型成果进行精度对比，统计结果如表 1所示。结果表明：标准道路模型高程中误差为 0.14 m，可以达到国家规范要求。因此通过该方法能够快速完成道路及附属设施区域的优化处理，其具有较高的实景还原度和精度，该方式生产的实景模型可作为实景三维软件平台建设的基础数据应用。6结语本文从生产实践出发，以实景 Mesh 模型为处理基座，以无畸变影像和空三成果为基础数据，同时建立试验区道路要素数据库，探索出了一种城市道路实景三维模型的快速构建和整合优化方法。通过该方法实现了城市道路及附属设施标准化模型的快速整合优化，同时解决了实景 Mesh 模型中道路区域纹理扭曲及拉花问题。相较当前实景模型中道路区域逐段式、逐模型体的修模方法，本文采用快速构建和整合优化方法使得道路模型精度和还原程度更高，同时文中采用标准库的方式对道路附属单体进行批量自动化种植，使得模型重建效率也更高，所生产的模型能够完全满足国家规范要求，并可以实际推广应用。本方法还有以下几个方面需要进一步深入研究：（1）模型建模效率可进一步提升。针对标准结构的道路，研究采用参数化建模方式，在保障模型精度的情况下，减少一部分人工作业量，从而提高建模效率。（2）标准化赋色问题需进一步解决。本方法中重建模型由很多面构成，依次对每个面完成标准化赋色的工作量依然很大，需要研究自动化赋色算法，减少人工修改，从而进一步提升效率。参考文献：1朱勇,程海翔.基于倾斜摄影技术的城市实景三维建模研究J.经纬天地,2022(6):27-30.2杨彦梅,王莹,施磊,陶思蓉,李宏.基于DP-Modeler的精细化三维模型构建J.测绘通报,2021(5):106-110.3任江峰,穆志杰.实景三维模型在大比例尺测图中的应用研究J.经纬天地,2022(6):83-86.表 1高程精度统计结果单位：m产品名称实景三维模型标准道路模型中误差0.120.14最大误差0.200.25图 2道路模型与非道路区域模型重组成果100