智能化、高效化、轻量化 助力 倾斜摄影单体化思路

        三维地理实体建模技术是提高自然资源调查监测、开发利用、监管保护能力和智慧城市推演分析、辅助决策、指挥调度能力的有效载体和重要支撑。2021年8月，自然资源部印发了《实景三维中国建设技术大纲（2021版）》，提出要切实做好实景三维中国建设；2022年2月，自然资源部印发《关于全面推进实景三维中国建设的通知》，提出到2025年，实景三维中国建设将为数字中国、数字政府和数字经济提供三维空间定位框架和分析基础。

        随着地理实体时空信息管理一体化发展对三维实景建模日益迫切的应用需求逐步增大，行业急需一套新技术支撑下的实景三维数据单体化解决方案。单体化后的建筑等模型能够被赋予相应的语义信息，支持多类型操作，可满足用户的多元化需求。由于传统单体化方案以人工和半自动化手段为主，质量和效率不能得到同时保证。因此，如何提高模型单体化的效率和精度成为了激发模型数据应用效能和价值的关键。

        国地科技结合多年测绘生产实践，依托自身在AI遥感影像智能解译、大数据并行运算优化、CIM模型轻量化等关键技术创新成果，攻关了当前应用场景最多、需求最迫切的倾斜摄影建筑自动单体化技术体系，突破了现有建筑单体化算法存在的边缘锯齿化、纹理模糊问题，并研发集成了工具软件，大大提升了建筑自动单体化的效率和精度，为模型数据的应用推广奠定了基础。

着力点

关键问题聚焦

        倾斜摄影模型因其高精度、实景化特点而深受欢迎，但从其实质来看却并未区分场景内的各种要素，如道路、房屋等，只是一张“表皮”，无法深入进行数据的分析、查询等操作。而单体化后的模型成果数据则突破了这一限制，可进行属性编辑等操作，能为精细化、智能化的管理应用提供基础。除此之外，倾斜摄影数据本身存在一定的三角面片冗余，每栋建筑都是由几十万甚至到上百万个三角面片组成，这导致了建筑的单体化过程存在大量的几何运算。因此如何进行快速、低成本的建筑自动单体化，是本研发需攻克的关键点。

        当前主流的建筑单体化算法主要有ID单体化、动态单体化、人工辅助重建单体化以及切割单体化。其中ID单体化方法将属于同一个对象的三角面赋予相同的ID，该方法得到的单体化成果效果一般，且不支持动态渲染环境；动态单体化方法其实际查询的是建筑的矢量轮廓，并非真正的建筑单体化；人工辅助重建单体化则是利用倾斜摄影数据中的高度、纹理和顶部轮廓等进行人工辅助精修处理，所得到的单体化结果质量优秀，但操作较为复杂，所耗费的时间、人力成本较高；切割单体化方法通过建筑轮廓矢量面将对象从倾斜模型中分割出去，达到单体化的目的，但该方法存在人工干预较多、边缘锯齿状等问题，无法进行大规模的应用。

图1 现有主流建筑单体化算法比对

针对当前切割单体化方法存在的人工干预、效率不够等问题，本研发着力于建筑自动单体化的质量和效率提升，以切割单体化方法为基础，结合深度学习Mask R-CNN实例分割方法提取建筑轮廓，采用双重索引、多线程机制性能加速方法，以及改进边折叠算法进行模型轻量化，研发集成“建筑轮廓提取-建筑单体裁切-建筑模型优化”的建筑自动单体化技术体系，聚焦解决目前倾斜摄影建筑自动单体化的关键技术问题。

支撑力

创新技术融合

倾斜摄影建筑自动单体化是一项复杂技术，包含诸多创新技术的融合，其主要步骤如图2所示，通过贯穿集成建筑轮廓识别、建筑单体提取及建筑模型优化三大技术模块，实现从倾斜摄影原始影像中提取出建筑单体。

其中建筑轮廓的识别需要运用AI遥感影像智能解译的框架和模型，提升大范围场景的建筑轮廓精准识别能力；建筑单体提取需综合运用图形简化算法、空间索引、多线程机制、三角网重构等技术，实现单体模型的高效快速提取。提取后的建筑模型需运用三角面简化、纹理合并和纹理重构等算法，实现模型的轻量化，以满足应用需求。本研发在主流技术基础上进行了适应性改进与融合提升，开展了融合和应用的创新，实现了建筑单体化的智能化、高效化、轻量化。

图2 倾斜摄影建筑单体化技术路线图

1.智能化：建筑轮廓精准识别技术

将OSGB倾斜摄影数据生成DOM正射影像和DSM数字表面模型并进行数据融合，利用DSM数据进行高度初步过滤。基于2500km2建筑轮廓标注样本数据与迁移学习策略训练完成的Mask R-CNN深度学习模型进行建筑轮廓的提取，其像素预测精度（Precision）可保持在93%以上，提取到的建筑轮廓交并比（IoU）高达85%，能够较好地提取建筑轮廓。

针对部分提取结果存在边缘不规整等问题，通过图形简化算法对建筑轮廓进行冗余点剔除、特征边直角化等操作（图3），极大提高了提取结果的规则程度和外观质量。通过技术集成，基本实现了建筑轮廓提取的智能化、批量化和规整化。

图3 建筑轮廓优化结果示意图

2.高效化：建筑单体快速提取技术

利用提取的建筑轮廓矢量面数据，对倾斜摄影模型进行切割，自动提取出单体化建筑模型（图4）。针对模型的三角面片冗余而导致的几何计算时间长效率低等问题，本研发对倾斜摄影数据和建筑轮廓矢量面数据建立双重索引，并加入多线程机制，使得建筑单体化的时间较原来加快了16倍以上。同时，针对单体化结果存在部分表面边缘锯齿化的问题，提出了一种对相交边界的三角形重构和纹理重计算方法，使单体化输出达到了边界规整、纹理真实的三维效果（图5）。

图4 模型单体化结果

图5 单体化结果优化

3.轻量化：建筑模型全面优化技术

针对倾斜摄影数据三角面片过多、纹理图片过大和纹理重复等问题，本研发引入改进边折叠算法和纹理重计算技术，在最大程度保持模型外观的基础上，对三角面片数量进行逐级简化、自动合并，使得体积压缩效率可达70%，减少了存储冗余，减少了图片纹理失真，普通Web端三维引擎也能够支持轻量化模型的快速浏览（图6）。同时，对提取出的单体化模型，支持实现OBJ、OSGB和FBX等多种三维格式的导出，满足了不同应用需求。

图6 自动合并三角面片技术

能力群

工具软件集成

基于攻关的倾斜摄影建筑自动单体化相关技术，研发集成工具软件，形成能力群，为各类应用提供更快捷的服务支持（图7）。集成整合建筑轮廓精准识别、建筑单体高效提取和建筑模型全面优化三大关键技术流程，为单体化等工作提供了全流程自动化、智能化技术支持。通过加载倾斜摄影模型数据，开展相关模块的运算，即可一键获取所需格式的单体化结果，为相关数据生产工作提供了极大便利，降低时间和人力成本。

 图7 单体化工具软件功能展示

价值域

应用服务推广

面向自然资源等领域多层级立体精细管理重大需求，研发的工具软件已应用到相关市县的三维立体自然资源“一张图”等系统平台的建设中。

基于研发成果，支持实现了批量化的单体化建筑模型操作与编辑等功能（图8）。轻量化后的建筑模型，在漫游时帧率稳定在60帧，可实现模型成果数据在各平台的良好观感体验（图9），助力实景三维模型真正做到实体化的数据编辑、分析应用等操作，打通原倾斜摄影模型的“表面”与属性语义“骨架”之间的通道，更好地实现二三维协同空间分析、一体化场景交互等应用需求。

图8 单体化建筑属性查询

 图9 单体化模型快速漫游

        面向当前实景三维中国、新型基础测绘体系建设，以及精细化城市部件级别的单体化提取等需求，研发形成的建筑模型单体化技术和工具软件，可推广应用于空间规划、自然资源立体管理、违法乱建查处、三维不动产等领域。国地科技将在现有基础上进一步开展该项技术的深挖和延伸，不断提高建筑单体化的准确率和质量，提升相关算法和技术的自适应性，拓展实现对道路、水体等更多地理要素的单体化提取，结合街景等低成本多源数据，对单体化结果进行自动修补、纹理重建，助力自然资源管理与智慧城市应用。