全景地图在城市三维建模中的应用

2016-12-28卢丹丹谭仁春吴易璿

地理空间信息 2016年10期

关键词：交通设施全景建模

卢丹丹，谭仁春，李维，吴易璿

（1.武汉市测绘研究院，湖北武汉 430022）

全景地图在城市三维建模中的应用

卢丹丹1，谭仁春1，李维1，吴易璿1

（1.武汉市测绘研究院，湖北武汉 430022）

以武汉市数字城市建设为例，重点研究了全景地图在城市三维建模的数据采集、模型制作和成果检查等环节的应用，为辅助三维数字城市建设提供了一条行之有效的解决思路。

全景地图；数字城市；三维建模

全景地图是一种基于全景技术与电子地图发布技术相结合的可定位展示真实场景的虚拟现实技术[1]。实现了360°全景融合和无缝拼接，并具有数据采集效率高、后续处理简单、更新周期短、网络运行速度快及成本低等特点，已广泛应用于城市管理、房地产开发、旅游、教育等领域。将全景地图作为传统影像数据库的补充，为城市三维建模的数据采集、模型制作和成果检查提供基础数据，可有效提高城市三维建模的数据质量和工作效率，为辅助三维数字城市建设提供一条行之有效的解决思路。

武汉市测绘研究院于2010年自主研发完成了基于武汉CORS的全景地图采集器，完成了武汉市建成区内主次干道（约2 200 km）的全景地图采集、处理与互联网发布（www.vrwuhan.com），建立了武汉市全景地图系统。目前，该系统已广泛应用于武汉市三维数字城市建设的数据采集、模型制作及成果检查和更新的全过程。

1 在三维建模数据采集中的应用

1.1 纹理数据采集

由于航空影像容易获取，因此地形纹理与建筑物顶部纹理也较易获取，相对而言，建筑物侧面纹理的获取遇到了与建筑物高度获取同样的问题[2]，文献[2]提出了4种纹理获取方式，其中地面摄影像片直接提取的方式由于所建模型真实感强[2]，获取方法简单，被广泛应用于城市三维模型建设中。全景地图收集大量沿街建筑物侧面图像信息，且具有获取速度快、地理定位明确、图像自动拼接和空间逻辑清晰的特点，能有效弥补实地纹理采集效率低、数据量大和后期图像检索困难的缺点。通过全景地图系统和传统手工地面摄影的对比发现，全景地图的外业纹理采集效率是传统手工地面摄影的36倍以上，内业处理则采用软件自动拼接完成360°全景图像，比传统单张像片的手工编号整理在空间逻辑和工作效率方面都有显著提升。以武汉市三维数字地图生产为例，采用全景地图系统和传统手工地面摄影两种方式进行纹理数据采集的效率对比如表1所示，全景地图与实地拍照的数据量对比如图1所示。

表1 纹理数据采集效率对比

1.2 高程数据采集

城市三维建模中高程数据的采集通常采用文献[2]中的5种方法，通过这些方法能够快速获得地形、建筑物和交通设施的高程信息，但对于三维场景中植被、路灯等这些小品数据的高程采集并未提及，而小品的高程精度对整个三维场景的效果体现至关重要。全景地图除了提供“三维直观”的视觉效果外，还具备测量功能，精度可达10 cm。利用全景地图量测技术制作三维场景时，可实时采样测量获取道路两边的植被和路灯高度，弥补植被和小品高程获取困难的问题，使小品模型的建模比例更加协调，场景效果更加真实。

2 在三维模型制作中的应用

城市三维模型制作内容主要包括：地形模型、建筑模型和交通设施模型[3]，每类模型制作都可利用全景地图提高模型制作效率和效果。

图1 全景地图与实景照片数据量对比

2.1 地形模型制作

地形模型制作的常用方法是以数字线划图为依据，以航空影像地图为参考，手工CAD建模制作。该方式对于平坦地区建模效果较好，当建模区域地形起伏较大时，便无法从线划图或航空影像图中直观准确地获取地形起伏信息，导致地形建模效率不高或效果不好。利用全景地图的地面视角浏览和全景地图量测技术，可以快速获取地形起伏区域的地面特征及特征点高程，为地形建模提供参考依据。

2.2 建筑模型制作

建筑模型通常采用批量自动建模和CAD建模2种方式，并利用照片作为建筑物立面细节模型的表现或依据，存在细节表现不到位或建模效率不高的问题。建筑立面建模中引入全景地图，能够快速获得建筑物360°立面特征，准确把握建筑立面的建模重点，在保证模型精度的前提下，提高建模效率。

2.3 交通设施模型制作

逐渐增多的交通设施模型（特别是城市立体交通模型），因其自身结构复杂，错落交织，常规航空影像图和基本地形图只能获取交通设施模型的平面位置信息，缺少高度和立面结构信息，使得交通设施建模成为城市三维建模的难点之一。全景地图能够反映城市交通及附属设施的结构特征，并通过360°全景浏览，全面展现交通设施与周边环境的关系，快速判读模型高度和结构信息，为交通设施三维模型的制作提供详实的基础数据。以全景地图为基础数据制作的城市立体交通设施三维模型效果如图2所示。

图2 利用全景地图制作城市立体交通三维模型

3 在三维模型检查中的应用

检查验收是城市三维建模的最后一个环节。传统检查验收方法通常将三维模型与二维CAD线划图、航空影像图或实地照片进行对比，检查三维模型数据的准确性、完整性、逻辑一致性和表现效果，该方法在进行二维影像（特别是实地照片）与三维模型的空间位置匹配和图像检索方面耗时较多，成为影响检查效率的主要因素之一。由于全景地图具有空间定位速度快、效果真实直观和360°超宽视角浏览等优势，武汉市测绘研究院通过开发三维模型全景检查软件，实现全景地图和三维场景的双屏关联定位，解决三维模型检查中实地照片检索与空间定位速度较慢的问题，有效提升了对三维模型完整性、逻辑性和表现效果检查的工作效率。

3.1 完整性检查

通过对照全景地图，可以快速联动检查三维模型对象的完整性，主要检查内容包括：桥梁、隧道和轻轨等立体交通设施的主体、桥墩、LOGO、栏杆、拉索、楼梯等的结构和分布特征与实地是否一致；建筑模型窗户阳台结构、临街店面与实地是否一致；栏杆、路灯和景观树的分布特征、类型、大小与实地是否一致。通过对照全景地图，三维模型的完整性检查效果如图3所示。

3.2 逻辑性检查

通过对照全景地图，可以快速联动检查各类三维模型的逻辑合理性，主要检查内容包括：地上建筑物、交通设施、植被、路灯等对象与地面衔接处的逻辑性是否正确；各类模型对象的比例关系是否合理。通过对照全景地图，三维模型的逻辑性检查效果如图4所示。

3.3 表现效果检查

沿街各类三维模型的表现效果是影像整个三维场景效果的主要因素之一。通过对照全景地图，可以快速联动地对该内容进行检查，主要检查内容包括：沿街地上建筑物、交通设施和地形景观的颜色与材质与实地是否一致；沿街整体浏览效果是否协调。通过对照全景地图，三维模型的表现效果检查如图5所示。