1. 引言
城市老旧建筑的改造重建或外立面翻新工程，不仅要考虑新建筑的造型外观是否合理，同时也要注重与周边环境及其他建筑物的协调 [1] 。建立城市数字三维模型，能够帮助设计师在设计方案时全面考虑，综合决策 [2] 。传统建模方法主要利用3DsMax、Sketch Up等三维建模软件，通过拍摄实景照片、手工建模、文理处理、材质贴图、生成效果图的工作流程，完成辅助设计 [3] 。该方法的优点是模型细节精致，能够完全体现设计理念；缺点是需要投入大量人工，效率较低 [4] 。若需要同时完成周边建筑的建模，工作量将成倍增加 [5] 。
倾斜摄影测量技术，借助无人机快速采集影像数据，并利用数据处理平台，快速建立实景三维模型，真实反映建筑物体量、外观、相对位置及周边环境，能够节约人工成本，并有效缩短项目周期，提高工作效率。商用倾斜摄影三维建模软件以Street Factory和Context Capture(原法国Acute 3D公司的Smart 3D Capture)最为著名，该类数据处理平台自动化程度高、宏观效果好，但模型细节受技术原理、原片质量、自然环境等因素干扰，往往较为粗糙；模型非单体化，无法直接进行编辑 [6] 。
本文利用倾斜摄影测量技术，结合Context Capture软件，生成城市实景三维模型。在伟景行软件平台上实现建筑单体化，并结合三维模型软件制作的单体建筑模型，替换需改造或翻新的建筑，实现改造前、改造后实景效果对比，为后续设计提供直观认识和数据支持。
2. 技术路线
2.1. 数据采集与模型的创建
Context Capture基于倾斜摄影测量技术，进行自动化城市三维建模的技术流程，如图1所示。
原片的质量是决定模型质量的重要因素。利用无人机搭载的高精度相机，对建筑物从垂直、前视、后视、左视、右视五个角度进行拍摄。摄像同时记录巡航高度、曝光时间、经纬度坐标、大地高、飞行姿态等信息，为后续的数据处理提供信息。无人机的巡航高度根据公式2.1确定：
Figure 1. Three-dimensional modeling process of urban real scene
图1. 城市实景三维建模流程
(2.1)
式中：H为巡航高度(m)；f为镜头焦距(mm)；
为像元尺寸(mm)；GSD为地面分辨率(m)。
拍摄原片时，航向重叠和旁向重叠至少在70%以上。建筑密集区域的遮挡和自遮挡问题明显，适当提高摄影重叠率能够有效避免模型几何结构的粘连。若建筑物过高，需要在不同巡航高度多次摄影。若建筑物有较多的镂空(如体育馆、桁架结构)，则需要对建筑物局部进行多角度采样。若遇水面或高光反射建筑物，还需要对模型进行修片处理，以达到最佳效果。由于模型着重表现建筑物，故在设计航线时，应侧重于建筑物密度较大的区域，对于空地或者只有稀疏建筑的偏远边缘地区，可适当降低采样密度，提高作业效率。
在获取基础影像资料后需要对照片进行整理，去除冗余影像。无人机在完成上升、下降、转弯动作时，或在任务范围外采集的影像，以及有明显错误或遮挡的原片，需要被剔除，以免影响数据处理效率。无人机采用的GPS定位模型，POS数据定位精度无法满足空中三角测量需求，需要人工布设地面控制点，以提高精度。通常在0.5 km的航测区域内，在4个角点及中心点布置5个控制点即可满足要求。若遇地形起伏较大的区域，还需酌情增加控制点个数。
进行内业处理时，需确定控制点和坐标系类型，一般选取WGS-84经纬度系统。Context Capture会根据导入的原片，完成影像预处理、区域网联合平差、空三测量、DSM点云生成、TIN (不规则三角网)构建、纹理映射以及实景三维模型生成的作业流程。对模型范围进行适当的切割，剔除边缘畸变部分，能够保证模型的成品效果。
2.2. 实景模型处理
由2.1节得到的城市实景三维模型，是一个的由不规则三角网组成的整体面片模型，无法直接对单体建筑进行修改编辑，需要将建筑转化为单独的管理对象，变成独立的、可被选中的实体(Entity)，以实现幅值、查询、管理、分离、替换等。现阶段实现模型单体化主要有两种技术路线：1) 切割法：利用建筑、道路、树木等对应的矢量面，对倾斜摄影模型进行切割，即把连续的三角片网分割开，实现单体化；2) 矢量法：将配套的二维矢量面与倾斜摄影模型加载到同一场景中，在渲染模型时把矢量面贴到模型对象表面，然后设置矢量面的颜色和透明度，从而实现可以单独选中地物的效果。
在进行旧城改造工程时，需要将部分建筑外立面进行翻新，或将部分建筑拆迁重建，因此需要将实景模型中的特定建筑进行删除并替换。采用矢量法单体化方法不能满足要求，故采用切割法实现模型的单体化。借助伟景行CityMaker软件中TDBX处理工具，对实景模型进行切割，并剔除需要替换的单体建筑。技术流程图如图2所示。
根据GIS数据确定需要替换建筑物的外轮廓坐标信息，生成对应的.SHP文件，导入实景模型，完成模型单体化并将特定建筑删除。值得注意的是，该方法是沿竖直方向对实景模型进行切割处理，故选取的轮廓需完全包络建筑物阳台、屋檐等突出部位的投影。重新设计的建筑物模型，根据上述的坐标信息，植入到处理过的实景建筑模型中，以实现单体建筑的替换，技术流程图如图3所示。
3. 工程应用
3.1. 工程概况
武汉市东风大道沿线旧城改造工程，北起四新大道，南至四环线，全长约10千米，面积约8平方千米。需对范围内部分老旧建筑进行外立面翻新或整栋拆迁。在设计阶段，需对改造范围内建筑有较为直观的认识。而利用谷歌卫片观测精度较低，无法观测建筑物高度。若对沿线建筑进行人工拍摄采样和量
Figure 3. Model updating technical process
图3. 模型更新技术流程
测，工作量巨大，且无法保证质量。故采用倾斜摄影测量技术创建实景三维模型，利用该模型实现标高量测，建筑尺寸、高度量测，拆迁面积预测算等工作；并通过植入改造后模型，实现现状与设计对比，为后续工作提供设计依据(图4)。
3.2. 实景三维模型生成及处理
利用大疆Phantom 4 Pro四旋翼无人机搭载标配相机进行摄影，相机参数如表1所示。
根据项目特点，将航线划分如表2所示。
根据现场建筑物高度不同，将航行高度控制在100~200 m之间。采样航线确定为1到2层，特殊地段(体育馆附近) 3层采集。拍摄相片中包含了建筑物的正、前、后、左、右五个角度。为保证模型精度，航向重叠率和旁向重叠率控制在80%左右。内业采用Context Capture软件处理，按照空三计算、联合约束平差、瓦片分割、三维重建、成果输出的作业流程完成。坐标系采用WGS-84，瓦片尺寸设定为150 m。本例以该范围内一栋6层高酒店为例，详细介绍模型的处理和应用。酒店点云模型、三角网模型、白模及实景三维模型分别如图5~8所示。
将实景三维模型导入到伟景行平台，通过GIS数据得到酒店的投影形状，利用投影矢量面将实景模型切割，实现酒店的单体化，并将现状酒店模型剔除，效果如图9所示。将3DsMax创建的新酒店的模型植入到现状模型中，完成模型的更新，如图10所示。
3.3. 成果应用
1) 实时踏勘
对目标区域任何兴趣点进行360˚环绕查看，通过点云分布、三角网络、实景模型，对区域内的地物
Table 1. Camera parameters of UAV
表1. 无人机摄像机参数
Figure 4. Overall model and section division of tilt photogrammetry
图4. 倾斜摄影测量整体模型及区段划分
Figure. Model mono effect图9. 模型单体化效果
Figure 10. Three-dimensional model after updating
图10. 更新后实景三维模型
地貌有直观的认识。设计中结合CAD总平面图，能够提供更加丰富和形象的感受。对于现场踏勘无法到达的位置，可以在模型中查看作为辅助。
2) 数据获取
通过软件的测量工具，可以获取目标区域内任意点的三维坐标数据、建筑物尺寸、高度及投影面积等信息，为设计提供数据支持。
3) 拆迁管理
通过对实景三维模型幅值，实现对需整治片区建筑物智能管理。辅助综合整治工作开展，发现项目推进过程中的问题，提供分析决策依据，实现可视化、智能化管理。
4) 效果对比
在模型中将需要整治的建筑物全部替换更新后，得到更新后的实景模型。通过设置漫游路径，得到改造前/改造后模型对比漫游动画，便于选取最佳的设计方案。
4. 结语
本文从旧城改造项目的实际工程需求入手，提出一种基于倾斜摄影测量技术的快速化实景三维建模方法，并利用多软件、多平台协同操作，完成实景三维模型的编辑和修改，实现实景模型与设计模型对比展示，取得了较好的效果。该方法能够反映真实的地物地貌，自动化程度高，需要较少的人工干预，工作效率较高。但相较于手工建模，细节表现比较粗糙。若需要替换实景模型中的部分建筑物，仍然需要人工制作单体建筑模型，且替换过程较为繁琐。为弥补这一不足，下一步可研究三维建模软件的二次开发，实现建筑模型单体化批量化作业，进一步提高建模效率。