三維地理實體建模技術(shù)是提高自然資源調(diào)查監(jiān)測、開發(fā)利用、監(jiān)管保護(hù)能力和智慧城市推演分析、輔助決策、指揮調(diào)度能力的有效載體和重要支撐。2021年8月，自然資源部印發(fā)了《實景三維中國建設(shè)技術(shù)大綱（2021版）》，提出要切實做好實景三維中國建設(shè)；2022年2月，自然資源部印發(fā)《關(guān)于全面推進(jìn)實景三維中國建設(shè)的通知》，提出到2025年，實景三維中國建設(shè)將為數(shù)字中國、數(shù)字政府和數(shù)字經(jīng)濟(jì)提供三維空間定位框架和分析基礎(chǔ)。

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隨著地理實體時空信息管理一體化發(fā)展對三維實景建模日益迫切的應(yīng)用需求逐步增大，行業(yè)急需一套新技術(shù)支撐下的實景三維數(shù)據(jù)單體化解決方案。單體化后的建筑等模型能夠被賦予相應(yīng)的語義信息，支持多類型操作，可滿足用戶的多元化需求。由于傳統(tǒng)單體化方案以人工和半自動化手段為主，質(zhì)量和效率不能得到同時保證。因此，如何提高模型單體化的效率和精度成為了激發(fā)模型數(shù)據(jù)應(yīng)用效能和價值的關(guān)鍵。

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國地科技結(jié)合多年測繪生產(chǎn)實踐，依托自身在AI遙感影像智能解譯、大數(shù)據(jù)并行運算優(yōu)化、CIM模型輕量化等關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新成果，攻關(guān)了當(dāng)前應(yīng)用場景最多、需求最迫切的傾斜攝影建筑自動單體化技術(shù)體系，突破了現(xiàn)有建筑單體化算法存在的邊緣鋸齒化、紋理模糊問題，并研發(fā)集成了工具軟件，大大提升了建筑自動單體化的效率和精度，為模型數(shù)據(jù)的應(yīng)用推廣奠定了基礎(chǔ)。

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著力點——關(guān)鍵問題聚焦

傾斜攝影模型因其高精度、實景化特點而深受歡迎，但從其實質(zhì)來看卻并未區(qū)分場景內(nèi)的各種要素，如道路、房屋等，只是一張“表皮”，無法深入進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析、查詢等操作。而單體化后的模型成果數(shù)據(jù)則突破了這一限制，可進(jìn)行屬性編輯等操作，能為精細(xì)化、智能化的管理應(yīng)用提供基礎(chǔ)。除此之外，傾斜攝影數(shù)據(jù)本身存在一定的三角面片冗余，每棟建筑都是由幾十萬甚至到上百萬個三角面片組成，這導(dǎo)致了建筑的單體化過程存在大量的幾何運算。因此如何進(jìn)行快速、低成本的建筑自動單體化，是本研發(fā)需攻克的關(guān)鍵點。

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當(dāng)前主流的建筑單體化算法主要有ID單體化、動態(tài)單體化、人工輔助重建單體化以及切割單體化。其中ID單體化方法將屬于同一個對象的三角面賦予相同的ID，該方法得到的單體化成果效果一般，且不支持動態(tài)渲染環(huán)境；動態(tài)單體化方法其實際查詢的是建筑的矢量輪廓，并非真正的建筑單體化；人工輔助重建單體化則是利用傾斜攝影數(shù)據(jù)中的高度、紋理和頂部輪廓等進(jìn)行人工輔助精修處理，所得到的單體化結(jié)果質(zhì)量優(yōu)秀，但操作較為復(fù)雜，所耗費的時間、人力成本較高；切割單體化方法通過建筑輪廓矢量面將對象從傾斜模型中分割出去，達(dá)到單體化的目的，但該方法存在人工干預(yù)較多、邊緣鋸齒狀等問題，無法進(jìn)行大規(guī)模的應(yīng)用。

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圖1?現(xiàn)有主流建筑單體化算法比對

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針對當(dāng)前切割單體化方法存在的人工干預(yù)、效率不夠等問題，本研發(fā)著力于建筑自動單體化的質(zhì)量和效率提升，以切割單體化方法為基礎(chǔ)，結(jié)合深度學(xué)習(xí)Mask R-CNN實例分割方法提取建筑輪廓，采用雙重索引、多線程機(jī)制性能加速方法，以及改進(jìn)邊折疊算法進(jìn)行模型輕量化，研發(fā)集成“建筑輪廓提取-建筑單體裁切-建筑模型優(yōu)化”的建筑自動單體化技術(shù)體系，聚焦解決目前傾斜攝影建筑自動單體化的關(guān)鍵技術(shù)問題。

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支撐力——創(chuàng)新技術(shù)融合

傾斜攝影建筑自動單體化是一項復(fù)雜技術(shù)，包含諸多創(chuàng)新技術(shù)的融合，其主要步驟如圖2所示，通過貫穿集成建筑輪廓識別、建筑單體提取及建筑模型優(yōu)化三大技術(shù)模塊，實現(xiàn)從傾斜攝影原始影像中提取出建筑單體。

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其中建筑輪廓的識別需要運用AI遙感影像智能解譯的框架和模型，提升大范圍場景的建筑輪廓精準(zhǔn)識別能力；建筑單體提取需綜合運用圖形簡化算法、空間索引、多線程機(jī)制、三角網(wǎng)重構(gòu)等技術(shù)，實現(xiàn)單體模型的高效快速提取。提取后的建筑模型需運用三角面簡化、紋理合并和紋理重構(gòu)等算法，實現(xiàn)模型的輕量化，以滿足應(yīng)用需求。本研發(fā)在主流技術(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)行了適應(yīng)性改進(jìn)與融合提升，開展了融合和應(yīng)用的創(chuàng)新，實現(xiàn)了建筑單體化的智能化、高效化、輕量化。

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圖2?傾斜攝影建筑單體化技術(shù)路線圖

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1.智能化：建筑輪廓精準(zhǔn)識別技術(shù)

將OSGB傾斜攝影數(shù)據(jù)生成DOM正射影像和DSM數(shù)字表面模型并進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，利用DSM數(shù)據(jù)進(jìn)行高度初步過濾。基于2500km2建筑輪廓標(biāo)注樣本數(shù)據(jù)與遷移學(xué)習(xí)策略訓(xùn)練完成的Mask R-CNN深度學(xué)習(xí)模型進(jìn)行建筑輪廓的提取，其像素預(yù)測精度（Precision）可保持在93%以上，提取到的建筑輪廓交并比（IoU）高達(dá)85%，能夠較好地提取建筑輪廓。

針對部分提取結(jié)果存在邊緣不規(guī)整等問題，通過圖形簡化算法對建筑輪廓進(jìn)行冗余點剔除、特征邊直角化等操作（圖3），極大提高了提取結(jié)果的規(guī)則程度和外觀質(zhì)量。通過技術(shù)集成，基本實現(xiàn)了建筑輪廓提取的智能化、批量化和規(guī)整化。

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圖3?建筑輪廓優(yōu)化結(jié)果示意圖

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2.高效化：建筑單體快速提取技術(shù)

利用提取的建筑輪廓矢量面數(shù)據(jù)，對傾斜攝影模型進(jìn)行切割，自動提取出單體化建筑模型（圖4）。針對模型的三角面片冗余而導(dǎo)致的幾何計算時間長效率低等問題，本研發(fā)對傾斜攝影數(shù)據(jù)和建筑輪廓矢量面數(shù)據(jù)建立雙重索引，并加入多線程機(jī)制，使得建筑單體化的時間較原來加快了16倍以上。同時，針對單體化結(jié)果存在部分表面邊緣鋸齒化的問題，提出了一種對相交邊界的三角形重構(gòu)和紋理重計算方法，使單體化輸出達(dá)到了邊界規(guī)整、紋理真實的三維效果（圖5）。

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圖4?模型單體化結(jié)果

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圖5?單體化結(jié)果優(yōu)化

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3.輕量化：建筑模型全面優(yōu)化技術(shù)

針對傾斜攝影數(shù)據(jù)三角面片過多、紋理圖片過大和紋理重復(fù)等問題，本研發(fā)引入改進(jìn)邊折疊算法和紋理重計算技術(shù)，在最大程度保持模型外觀的基礎(chǔ)上，對三角面片數(shù)量進(jìn)行逐級簡化、自動合并，使得體積壓縮效率可達(dá)70%，減少了存儲冗余，減少了圖片紋理失真，普通Web端三維引擎也能夠支持輕量化模型的快速瀏覽（圖6）。同時，對提取出的單體化模型，支持實現(xiàn)OBJ、OSGB和FBX等多種三維格式的導(dǎo)出，滿足了不同應(yīng)用需求。

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圖6?自動合并三角面片技術(shù)

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能力群——工具軟件集成

基于攻關(guān)的傾斜攝影建筑自動單體化相關(guān)技術(shù)，研發(fā)集成工具軟件，形成能力群，為各類應(yīng)用提供更快捷的服務(wù)支持。集成整合建筑輪廓精準(zhǔn)識別、建筑單體高效提取和建筑模型全面優(yōu)化三大關(guān)鍵技術(shù)流程，為單體化等工作提供了全流程自動化、智能化技術(shù)支持。通過加載傾斜攝影模型數(shù)據(jù)，開展相關(guān)模塊的運算，即可一鍵獲取所需格式的單體化結(jié)果，為相關(guān)數(shù)據(jù)生產(chǎn)工作提供了極大便利，降低時間和人力成本。

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價值域——應(yīng)用服務(wù)推廣

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面向自然資源等領(lǐng)域多層級立體精細(xì)管理重大需求，研發(fā)的工具軟件已應(yīng)用到相關(guān)市縣的三維立體自然資源“一張圖”等系統(tǒng)平臺的建設(shè)中。

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基于研發(fā)成果，支持實現(xiàn)了批量化的單體化建筑模型操作與編輯等功能（圖8）。輕量化后的建筑模型，在漫游時幀率穩(wěn)定在60幀，可實現(xiàn)模型成果數(shù)據(jù)在各平臺的良好觀感體驗（圖9），助力實景三維模型真正做到實體化的數(shù)據(jù)編輯、分析應(yīng)用等操作，打通原傾斜攝影模型的“表面”與屬性語義“骨架”之間的通道，更好地實現(xiàn)二三維協(xié)同空間分析、一體化場景交互等應(yīng)用需求。

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圖8?單體化建筑屬性查詢

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圖9?單體化模型快速漫游

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面向當(dāng)前實景三維中國、新型基礎(chǔ)測繪體系建設(shè)，以及精細(xì)化城市部件級別的單體化提取等需求，研發(fā)形成的建筑模型單體化技術(shù)和工具軟件，可推廣應(yīng)用于空間規(guī)劃、自然資源立體管理、違法亂建查處、三維不動產(chǎn)等領(lǐng)域。國地科技將在現(xiàn)有基礎(chǔ)上進(jìn)一步開展該項技術(shù)的深挖和延伸，不斷提高建筑單體化的準(zhǔn)確率和質(zhì)量，提升相關(guān)算法和技術(shù)的自適應(yīng)性，拓展實現(xiàn)對道路、水體等更多地理要素的單體化提取，結(jié)合街景等低成本多源數(shù)據(jù)，對單體化結(jié)果進(jìn)行自動修補(bǔ)、紋理重建，助力自然資源管理與智慧城市應(yīng)用。