科普 | 高精度实景三维模型如何有效提高精度？
倾斜摄影数据快速建模现已不成问题了，如何生产高精度模型？如何提高建模效率？成为主要的难题。
本文主要针对以下两部分进行讲解：1.高精度实景三维模型的标准；2.提高精度的技术手段
【一】高精度实景三维模型的标准
（1）三维模型精度要求
1.三维模型平面精度要求如下（单位：米）
2.三维模型高程精度要求如下（单位：米）
（2）模型精细标准说明
1.Ⅰ级和Ⅱ级一般是指精细模型
精细建筑一般是指一些地标建筑，建筑面积>=20000m2的建筑、大型雕塑、文物保护单位、大型文化卫生设施、医院、学校、酒店、政府机关、金融、商贸、文化、科技、展览、娱乐中心等建筑。
精细模型建模要求：
（1）需精细建模，外形、纹理与实际建筑相同，建筑细部（如：屋顶结构，建筑转折面，建筑与地面交界的铺地、台阶、柱子、出入口等），以及建筑的附属元素（门厅、大门、围墙、花坛等）需做出；
（2）精细模型建筑应与照片保持一致，应避免整个墙面一张贴图，损失了模型的立体效果；需注意接地处理，例如玻璃不可直接戳在地上；该有的台阶、围墙（含栅栏、大门）、花坛必须做出；建筑的体量应与照片一致；贴图除屋顶贴图以外其余的贴图必须采用实地采集的纹理贴图。
（3）面数限制：精细模型控制在5000个面，在模型结构精细程度允许的情况下面数尽可能少，看不到的面都删掉，个别复杂模型面数可以稍微提高。
精细模型建筑结构≥0.3米需要用模型表现出其结构，<0.3米可用贴图表现其结构。
2.Ⅲ级一般是指标准模型：
标准模型建筑是指一些普通居民楼、居民小区、普通门面商铺，成串的骑楼等建筑；
标准模型建模要求：
（1）纹理与实际建筑相同，一些小的几何结构允许采用贴图来表现，但所有贴图均要求比较清晰美观；
（2）对于标准模型，整体、细节的颜色、形状都应与实际保持一致；
（3）面数限制：标准模型控制在2000面以内；
（4）标准模型建筑结构>=0.8米需要用模型表现出其结构，<0.8米可用贴图表现其结构。
3.Ⅳ级一般是指基本模型：
基本模型建筑是指不属于精细模型和标准模型的其它所有建筑；
基本模型建模要求：
（1）模型结构基本正确，表现出基本形状，能够通过该特征明显辨认，实地采集纹理贴图，纹理表现的层数应与现状基本吻合；对于建设城市规划区域、成片低矮平房（如城中村）、老式小区、待拆迁区域、周边区域等区域，可以整片处理，简化不可见的面片；
（2）基本模型建筑则不需面面俱到、细致到所有细节；
（3）面数限制：基本模型建筑控制在800个面以内。
【二】提高精度的技术手段
1.精细化纹理处理
项目常用模型纹理的获取方法有2种,倾斜摄影影像和外业实地拍摄的建筑物的外立面照片。
倾斜摄影影像可用于三维模型中顶部纹理和--般多层居民小区的建筑物立面纹理。实地拍摄的照片主要用于门面房的外立面、企事业单位的建筑立面、高层和超高层建筑的立面等。
在实际作业中,2种纹理相互补充，完成对三维景观模型各个表面的整体描写。对三维景观模型的表面镶嵌使用像片纹理不仅可以给出现实世界真实直观的表达,使得数字化数据的表现更符合人的直觉,而且还可弥补三维几何模型表现不出的详细信息,丰富几何图形的细节和材质属性,最终实现对测绘区域内三维模型中各个面的纹理信息的.准确表达。
纹理精细化修改包括纹理色调、纹理精度、纹理大小纹理命名等,应注意以下问题:
1)同一单栋建筑模型色调应统- - ,纹理色调均衡,色彩美观、明暗、柔和,保证同- -测区范围内整体纹理色调的一致性;
2)纹理应与实际一致,严 格按照建筑物层数、窗户数量制作纹理,且须保持其大小比例协调;
3)标志性文字(如政府部门、大型企事业单位、商业楼公共建筑的名称、居民楼栋号)需与实际保持一致,独立的标志性文字原则上使用透明纹理表示,纹理大小和品质都要符合要求;
4)纹理命名要唯一。针对倾斜影像和实地照片这2种方法获取的纹理,应采取不同的纹理精修方法。具体方法如下。
2.1充分利用倾斜影像
倾斜摄影航拍影像,采用垂直和4个方向的像机同时采集,同一个面，可以同时采集到多个角度的多张影像。对于存在遮挡、色调差异大等纹理不合理情况,需要借助手工贴图功能进行纹理精细化修改。
建筑物顶面纹理通常采用垂直像机采集的影像,顶面影像采用采集方向与面片法线方向一致的影像,效果最好。临时堆放的物体或相邻建筑投影到顶面上的纹理都要修改。建筑物立面面片中,一个面对应多个倾斜影像,可以逐个切换倾斜影像进行对比，选择最好的纹理直接替换有瑕疵纹理,处理方法有很多种:
1)逐个倾斜影像排查或按人射角度排查,人工优选最佳纹理。
2)用别处的相同纹理替代。对于同一栋建筑或同-个小区,存在多个面纹理相同的情况，当其中一个面因为各种原因，所有视角的影像都无法满足贴图要求时,可以选择其他相同面的纹理替代。
3)用小范围纹理替代。对于纯色墙面,由于遮挡等原因,没有能完整覆盖整个墙面的影像，可用小范围的纹理映射到模型的整个大面上,用部分纹理对整个面的纹理进行替代。
4)用Photoshop软件进行纹理编辑。当多个视角的影像无法满足纹理要求，又没有相同纹理可以替代，也不能对小范围纹理进行映射时，可以用Photoshop软件进行纹理编辑。选择需要修改的面,切换手动贴图,链接Photoshop 软件,修改纹理。对于遮挡部分与露出部分纹理相同的面,可用已有纹理推出遮挡部分纹理，处理合理。
运用以上方法,对建筑物整体进行自动贴图与手动贴图结合处理,逐个对建筑物纹理进行精细修饰,直到所有的面纹理合理为止。
2.2实地照片 合理利用
实地拍摄照片,通常选择光线较柔和的天气。受拍摄条件的限制，实地照片都会有偏色、信息损失、变形、倾斜或遮挡，可利用Photoshop软件，多个工具交互使用,达到纠正照片变形和调整纹理的目的。.
通常使用亮度对比度、色阶、色彩平衡等修改偏色,利用变换、自由变换或透视纠正实地照片,修正拍照倾斜和中心投影的照片变形问题。实地照片难免有遮挡,树木、车辆、人等- - 些不可预知因素的影响,因此,同一个立面应从不同角度拍摄多张照片,以保证建筑立面的纹理信息能够补充完整。
实地照片经过修改处理纹理后,需要裁切纹理。裁切的目的是为了在DP Modeler和3d max软件中更便于应用。裁切纹理包括单独纹理和平铺纹理单元。单独纹理主要包括广告牌、门等,是在单模型中基本不重复出现的纹理;平铺纹理单元主要包括重复出现的门、窗瓷砖、石材等,对这类要平铺的纹理,在处理纹理单元时，要考虑后期平铺效果,平铺后不能出现单元间的接缝问题。
在DP Modeler 中,实地照片主要用于- -般居民小区的临街门面房的门面立面纹理。在三维自由视图下，选择门面立面面片,调用手动贴图，链接Photoshop软件打开图片,调整图像尺寸,将已经处理好的门面立面纹理直接贴到该图片上,调整大小,与图片一致。
在DP Modeler软件中重载贴图,就完成了该立面纹理的正确调用,也可导人3d max。作业中通过对比发现，对于简单的贴门面房,在DPModeler中直接作业相对简单。在3d max中,实地照片主要用于企事业单位或高层、超高层建筑的立面纹理。导人软件后，主要利用其UVW贴图、平铺、切割等工具,完成实地照片到三维模型的纹理贴图映射。
2.3形成纹理数据库
纹理数据库主要收集测区范围内可能多次使用的相似纹理,方便后续作业。相似纹理的模型可以直接调用或经过简单修改就可使用，减少每次纹理都要重新纠正和色调调整的工作量。要求纹理数据库中的图片必须经过变形纠正、色彩调整等。
纹理数据库中包括门、窗、告示牌、银行等单位徽标墙地砖、建筑纱帐、玻璃幕墙等。
可利用DPModeler和3dmax软件完成建模后的纹理贴图,2个软件都需要严格保证所用源图片的路径不变更。当调用纹理数据库时,若影像路径前后不-致,会造成贴图纹理丢失。
2.4纹理大小和品质
纹理的数据量直接影响三维城市建模的数据量,目前多数建模软件支持的贴图为矩形,长宽均是2的n次幂,例如64x64个像素或256x512个像素等尺寸。贴图的尺寸不能过大，过大会严重影响软件处理速度,通常控制在1024x1 024个像素或2 048 x2 048个像素以下。贴图品质的改动是以牺牲图片质量换取减少模型数据量,解决在其他软件系统应用中数据量太大的问题。
就图面内容的美观性而言,实地照片或倾斜影像在Photoshop软件保存时,采用8或9的品质,三维模型显示效果都属于较理想的程度。对于贴图品质的修改,透明贴图是个特例，它采用png格式，无图片品质选项。在实际生产中,可以在图片使用前就修改好图片尺寸和贴图品质,再贴图或放人纹理数据库。但如果图片量很大，每个图片都这样操作，会影响工作效率。通常的做法是在三维模型纹理都贴好后，批量修改所有使用图片的尺寸和贴图品质，这样不仅能显著提升工作效率,还可避免作业中个别图片错修改或漏修改的问题。
2.5 纹理的命名
同一三维模型的纹理影像名称要具有唯-一性，而且要求同- -模型的各个纹理名称不能重名,否则程序调用纹理时, 会出现对应关系上的错乱,导致三维模型纹理出现调用错误。在同--研究对象范围内,多个模型的纹理影像命名也要唯--,当现有三维模型在其他程序中打开时,就不会产生不同模型之间的影像对应关系错乱问题。
解决办法是纹理命名统一按照“ 单体模型号+-位前缀(0) +四位流水号(0000开始)”，以保证所有的纹理名称不同,解决影像纹理调用混乱的问题。实际作业中,在DPModeler中自动完成贴面的纹理名称是--申无规则的序号,在3dmax中贴面的.纹理名称是自主命名，纹理名称使用批量修改的方式完成。
2.模型单体化修饰技术
目前应用较为广泛的单体化方法包括以下三种：矢量切割单体化、矢量叠加单体化和模型重建单体化。
一、矢量切割单体化
定义：用建筑物、道路、树木等对应的矢量面，对倾斜摄影模型进行切割，从物理上把连续的三角面片网分割开，实现单体化。
缺点：由于倾斜摄影数据量大，切割是一项很费时费力的工作，不符合倾斜摄影建模高效率低成本的初衷。
二、模型重建单体化
定义：以 DP-Modeler、OSketch 等软件为代表，以连续倾斜摄影数据为基础数据源，进行人工干预。将建模成果导入软件进行精化编辑，通过模型重建在原有场景上达到分离效果，实现模型的单体化。结合地面照片，弥补航空影像对于底商、地面、城市部件等信息的缺失，在单体化的同时，完成整个场景的修饰。
优缺点：与传统建模方式相比，能通过对影像多角度地观测建模，达到模型与影像的完整套合，使模型具有精确的三维坐标信息，且一键映射完成模型贴图。该方法相较于矢量叠加单体化需要更多的人工干预，侧重提供产品，而非 GIS 级别应用。
三、矢量叠加单体化
定义：该方法主要以超图 Super Map 等 GIS 应用软件为代表，在三维渲染过程中，动态地把对应矢量面叠加到倾斜摄影模型上，该矢量面在一定阈值范围内垂直地表方向生成包围盒，判断哪些三角网在其范围内（包括空中三角网），用半透明颜色贴合三角网，从视觉上实现模型被完整套合、单个管理操作的效果。
优点：操作简单，人工干预少，不会因破坏 Mesh 面而影响模型渲染速度，且不破坏原始数据的 LOD。通过二维矢量挂接属性数据，更贴合 GIS 功能应用，且二维分析查询功能成熟，更符合 GIS 应用的需求。
缺点：并非真正意义上的单体分离，表面上看起来是单体效果，实则只是简单地调用了对象轮廓的矢量面，真正意义的单体化不只是为了单体，也为了分离。而作为智慧城市的数据空间基础，需要的是一个全要素的城市三维模型，即把地表的所有东西都分离出来，实现单体又分离的功能，为后续的用户使用提供方便。例如：关注房屋的用户可只提取自己关心的房屋数据，而不必提取不关心的周围环境数据；关注路网的用户可只提取关注的路网数据，这才是真正单体化的优势。若不能做到分类实体的对象化管理，用户不得不花更多的时间和更高的费用来处理不需要的数据。
基于倾斜摄影的三维建模因其高效率、高精度、真实感、低生产成本的优势，已成为大规模城市三维重建的重要手段。根据不同生产需求、应用领域选择合适的单体化方式，将精细化三维实景模型与GIS分析无缝整合,在智慧城市建设中具有很强的应用价值。
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