随着倾斜摄影技术及计算机技术的发展, 建筑物三维实景模型及数字化建筑物档案管理在地籍管理中作用越来越突出。许多研究者致力于研究具有三维建模功能的建筑物数字化档案^{[1, 2]}。2013年美国档案工作者协会再版了数字化建筑物档案整理与著录标准^[3], 国内也形成了数字化建筑物的各种研究及工程应用^[4]。在数字化建筑物档案管理研究中, 苏鹰滨等^[5]采用二维宗地与三维建筑物相结合的方法, 以某小区三维建筑物为研究对象开发了三维地籍原型系统。应申等^[6]应用GIS实现三维地籍管理。范阳^[7]开展了城市居住区三维地房籍数据库建设及应用研究。

倾斜摄影测量技术^[8]是近年发展的一项新测量技术, 可以较为准确地表达数字化建筑物模型^[9]。本文基于倾斜摄影技术, 研究建筑物三维实景档案管理系统的框架和实现过程, 为建筑物数字化档案管理尝试新的途径。

1 建筑物倾斜摄影数据采集处理

倾斜摄影技术通过在同一无人机平台上搭载5台传感器, 同时从5个不同角度采集影像, 如图 1所示。通过需求及比例尺计算航高及重叠率, 拍摄航片时, 记录每一次触发时刻的航高、航速、航向、角位移和坐标等参数, 然后对多视影像进行几何校正及区域联合平差, 再通过多视影像匹配生成数字表面模型(digital surface model, DSM)进行三维建模, 生成三维数据库。

1) 建筑物倾斜摄影数据采集。本文使用红鹏AP5600相机, 内部装有5个索尼QX1相机, 该相机重量轻, 但是画幅小, 像素低, 适合小面积、大比例尺倾斜摄影数据采集。

采集设备为大疆600Pro多旋翼无人机搭载AP5600倾斜摄影相机, 按照航空测量规范确定无人机航高和重叠率, 在区域范围内划定航线, 最后使用硬件系统完成影像采集。

2) 建筑物倾斜摄影数据处理。影像数据采集后, 按照倾斜摄影测量算法完成空中三角测量^{[10, 11]}。为了更加真实地表达和展示模型数据, 通过精细化建模及局部修饰生成三维实景模型, 三维实景模型处理流程如图 2所示。

3) 模型精细化处理。该过程主要包括局部分离编辑和精编重建。核心是分别处理TIN模型和影像纹理, 再融合更新^[12]。操作平台软件选用Smart3D、DP-Modeler等^[13]。此外, 为了保证模型美观和准确, 还需要局部修饰, 包括漂浮物删除, 区域整体平滑处理、模型网格细节拟合和纹理贴图重制等^[14]。

4) 模型单体化。倾斜摄影生产的模型是非单体化的模型数据^[15], 属于无法单独被选中分离的实体对象。因此在档案信息管理中, 模型不能进行对象的单独选中和查询操作等。

为了便于展示实景建筑物档案数据, 在建筑物三维实景模型数据基础上进行矢量化, 通过叠加的矢量底面, 在渲染层面实现建筑物三维实景模型数据单体化^[16], 从而可在建筑物三维实景模型数据和矢量的图层上选中楼房、道路等。

二维矢量面数据依据图纸和墙界线数据产生, 打通了基于三维的倾斜模型和基于二维的矢量面之间的关键“关卡”, 实现三维模型和二维矢量数据的一体化^[17]。

2 建筑物三维实景档案管理系统

1) 系统的功能模型。系统功能模型如图 3所示, 主要包括建筑物三维实景模型数据管理、建筑物功能管理和用户权限管理3部分。

2) 建筑物档案数据结构。在建筑物三维实景模型的基础上, 要实现档案数字化管理, 必须建立模型和信息之间的映射, 即模型通过单体化实现建筑物单独选中和属性关联。为了完成三维实景档案系统功能, 本文使用JS对象简谱(JavaScript object notation, JSON)来构建建筑物三维实景模型数据集的元信息, 如图 4所示。

3) 建筑物属性。三维实景地籍管理首先需调查土地及建筑物权属、位置、界址、用途、等级和面积等, 为土地及建筑物编辑提供基础^[18], 再设计地籍信息属性与人的交互模式。单体化地形数据以每栋建筑物为单位与整体融合, 并将建筑物单体的点、线、面以单体模型为单位, 导入该地建筑物三维实景地籍管理系统, 进行统一管理。

3 系统属性及功能应用分析

每个单体化模型都有其对应的模型坐标系, 在模型坐标系中任意两点可以得到两点间准确的距离, 也可在三点或多点得到所选中单体面积、体积等属性数据。底层数据的量测可以直接得到操作者所需的数据, 底层数据量测实验如图 5所示。

三维实景地籍管理中, 需要把地籍资料和模型关联起来。建筑物单体化操作实现效果如图 6所示。图中单体建筑物的蓝色遮罩是交互高亮控制, 实际使用中结合用户操作交互会呈现不同效果。

根据属性结构列表中单体建筑物属性, 可查询每个属性下对应的建筑物编号、建筑物类型、建筑物面积等属性数据, 属性查询样例如图 7所示。

4 结束语

建筑物三维实景档案管理系统将建筑物从二维的图纸、照片延伸到三维的实景模型, 提升了建筑物档案信息管理过程的直观体验效果, 提高了建筑物档案数字化管理与智能分析的效率, 进而提升建筑物档案数字化管理的水平。