廣州市“數字綠化”三維實景平臺建設

耿奕超，蘭澤英

（1.廣州市城市規(guī)劃勘測設計研究院，廣東廣州 510060； 2.廣東工業(yè)大學管理學院，廣東廣州 510520）

廣州市“數字綠化”三維實景平臺建設

耿奕超1?，蘭澤英2

（1.廣州市城市規(guī)劃勘測設計研究院，廣東廣州 510060； 2.廣東工業(yè)大學管理學院，廣東廣州 510520）

廣州市“數字綠化”三維實景平臺建設是廣州市青山綠地工程的重要內容。本文對該平臺建設的主要內容和關鍵技術進行研究。包括廣州市三維地理空間框架建設、城市園林綠化專題模型數據庫建設、城市綠化全景影像數據庫建設等三方面內容，并對基于ADS40航空攝影測量技術的地形地貌模型構建、基于地面LiDAR技術的建筑物精細模型建設、城市園林綠化專題要素符號庫建設及三維建模、可量測移動全景影像采集等關鍵技術進行闡述。本文的研究成果對同類項目開展具有重要指導意義。

數字綠化；三維實景；園林綠化三維建模；ADS40；地面LiDAR；可量測全景影像

1 引 言

廣州市“數字綠化”信息化建設是青山綠地工程的重點項目，旨在建立廣州市先進、穩(wěn)定、安全的林業(yè)園林信息共享平臺。其中作為重要子項，構建了“數字綠化”三維地理空間信息框架，為林業(yè)和園林信息資源庫的整合和分析提供三維地理空間支撐。融合了可量測全景影像和虛擬現(xiàn)實技術突破GIS技術在空間、要素結構和肌理表達方面的諸多限制，為林業(yè)和城市園林建設和管理者提供輔助決策支持，為公眾提供以數字綠化旅游為核心的網絡體驗，展示“綠色廣州、智慧廣州”新形象。

本文研究內容包括三維地理空間框架建設、城市園林綠化專題模型數據庫建設、城市綠化全景影像數據庫建設等三方面重要內容。重點對基于ADS40航空攝影測量技術的地形地貌模型構建、基于地面Li-DAR技術的建筑物精細模型建設、城市園林綠化專題要素符號庫建設及三維建模、可量測移動全景影像采集等關鍵技術進行闡述。

2 平臺總體設計

平臺總體上分為3個層次，即表現(xiàn)層、業(yè)務層和數據層。數據層自下而上涵蓋城市三維地理空間框架、城市園林綠化二三維專題數據以及城市綠化移動全景影像數據。其中三維地理空間框架作為基礎，包括全市域地形地貌模型、全市域建筑物白膜數據、森林公園及城市公園模型、中心城區(qū)建筑物精細模型等。城市園林綠化二三維專題數據由人行天橋與立交橋綠化三維模型、園林精品工程三維模型以及綠化普查數據組成。城市綠化移動全景影像數據主要沿城市綠道及游覽線路進行采集，包括定點360°全景數據及移動全景數據。表現(xiàn)層采用B/S架構，利用三維仿真、虛擬現(xiàn)實技術及可量測移動全景技術，實現(xiàn)各種數據的一體化集成管理、三維瀏覽和移動全景展示，并支持城市園林專題數據的三維查詢、三維空間分析、全景影像數據的空間量測等功能。業(yè)務層為中間層，通過功能插件與數據層連接。數據層和表現(xiàn)層是平臺的核心，也是平臺建設的重點。

3 平臺數據庫建設

平臺數據庫建設主要包括廣州市三維地理空間框架構建、城市園林綠化專題要素三維模型庫建設，可量測移動全景影像數據庫建設等三方面的主要內容。

其中，廣州市三維地理空間框架主要由全市域地形地貌模型及中心城區(qū)建筑物精細模型構成。前者包括廣州市域 7 434 km2的地形地貌模型、17個森林公園與280多個城市公園的三維模型，首先采用ADS40航測技術獲取 5 m網格數字高程模型數據和 0.2 m分辨率正射航空影像圖數據，然后基于地形建模軟件TerraBuilder來創(chuàng)建。后者包括廣州市中心城區(qū)285 km2的建筑模型，采用CAD工程交互建模的技術方法及地面LiDAR建模技術構建，TerraExplorer Pro創(chuàng)建仿真場景。

城市園林綠化專題要素三維模型庫建設的前提是構建園林綠化植物符號庫，按用途共涵蓋園景樹、庭蔭樹、行道樹、花果樹、垂直綠化、綠籬、木本地被樹、工礦綠化樹、盆栽盆景樹等9類植物的符號子庫。然后，采用CAD構建幾何體與skyline符號庫與矢量數據關聯(lián)相結合的建模方式構建285座人行天橋與立交橋綠化、10 km2園林精品工程的三維模型，并將綠化普查的二維GIS數據與之進行二三維集成化管理。

? 收稿日期:2015—12—17

作者簡介:耿奕超（1984—），男，工程師，現(xiàn)主要從事規(guī)劃測繪、地圖學與GIS研究。

基金支持：國家自然科學基金青年科學基金項目（41301377）

此外，基于可量測移動全景影像采集技術獲取綠道、森林公園與城市公園的游覽線路約 120 km，8條城市干道約 60 km的全景影像數據，可實現(xiàn)360°全景瀏覽、全景影像與空間位置的精確匹配、影像數據與路網的關聯(lián)融合實現(xiàn)增量式更新及歷史數據回溯、影像可量測等主要功能。并將脫密后的移動全景影像與電子地圖數據融合，基于網絡客戶端動態(tài)發(fā)布。

4 關鍵技術研究

4.1 基于ADS40航測技術的三維地形地貌模型構建

本文通過航空攝影測量ADS40技術獲取DEM、DOM數據［1，2］，使用地形建模軟件 TerraBuilder由DEM數據構建三角網，生成地形曲面模型，疊加DOM大地紋理，創(chuàng)建海量三維地表數據集。

具體技術流程如下:①源數據預處理:下載原始影像文件和POS數據文件，基于POSPac軟件進行GPS差分處理，并初步獲得方位數據。②生成L0及L1級影像:建立有地面控制支持的L0級原始影像文件，將其糾正到設定的高程平面，生成立體觀測的L1級影像。③地面布設控制點:在每個攝區(qū)四角和中心布設5個控制點。④L0級影像的數字空中三角測量（ORIMA），主要包括連接點匹配與空三加密:在L0上做自動點匹配（APM），獲得像片連接點，進入ORIMA，先對連接點和曝光點做空三平差。加載地面控制點，進入LPS（Leica Photogrammetry Suite軟件）中對控制點進行量測。將量測完畢的地面控制點與連接點、曝光點聯(lián)合進行空三平差，獲取精確的外方位元素。在空三平差之前，需要將ADS40數據從WGS84坐標系轉換到廣州坐標系。⑤L1級影像糾正:將得到的外方位元素，重新引入GPro中，對L0級影像進行糾正，重新獲取L1級影像，它將是進行立體觀測和目標定位的基礎。⑥對L1級影像進行相對定向、絕對定向建模，然后進行核線影像重采樣:設置好DEM采樣間隔，采用LPS的Inpho模塊，在核線影像上自動提取格網點的同名像點，并根據外方位元素計算出該點的三維坐標，自動生成DEM并作人工檢查糾正。⑦基于Inpho模塊，采用基于DEM的單片微分糾正方法制作DOM數字正射影像圖。⑧地形地貌模型MPT生成:采用TerraBuilder軟件，對DOM及DEM數據自動識別數據分辨率精度并進行多分辨率分層、數據分塊、數據壓縮，創(chuàng)建一個可以支持快速瀏覽和調度的金字塔數據庫。

4.2 基于地面LiDAR技術的復雜建筑物精細建模

為減輕整個仿真系統(tǒng)的數據負荷，首先將中心城區(qū)建筑精細模型分為三個等級精度來建立，如表1所示，依次從建筑特征（真實材質、表現(xiàn)建筑細節(jié)），建筑性質（真實材質、表現(xiàn)建筑信息）和地段特征（通用貼圖，表現(xiàn)街區(qū)特點）等三個層次來反映。

建筑物精細模型的精度分級 表1

對于二、三級精度的建筑物三維建模本文采用CAD工程交互建模的技術方法:以城市地理基礎信息數據庫、建筑工程設計或測量資料、現(xiàn)實照片為數據源，基于幾何形體建模方法建立“最簡化模型”，并采用烘焙方式把明暗關系與陰影以貼圖方式固化到模型中，以節(jié)約計算資源。

對于一級精度的建筑物，尤其是地標性、造型復雜的建筑物，本文采用地面LiDAR技術進行建模［3］，采用Riegl公司的VZ400三維激光掃描儀，可實現(xiàn)數據無線傳輸及照片紋理與激光點云的自動匹配，具體技術流程如下:①設置掃描站數和位置，保證掃描區(qū)域有公共部分，減少物體遮擋，每一控制點和至少兩個其他控制點通視，且控制點通視區(qū)域應盡可能包含所有掃描區(qū)域。②對靶標編號，并利用城市CORS系統(tǒng)獲取控制點的高精度坐標，為后續(xù)點云數據配準和拼接提供統(tǒng)一的空間參考。③依次架站掃描:不規(guī)則建筑弧形立面需布設多個測站拼接完成，掃描儀與建筑物保持一定距離，減少遮擋，并控制點云密度在 1 cm之內。④基于Geomagic Studio軟件進行點云去噪及補洞處理:生成網格模型后，Geomagic Studio可自動識別模型孔洞，采用人機交互方式補齊。⑤數據拼接:將所有測站的點云數據轉換到統(tǒng)一的控制網坐標框架下，基于靶標或重疊區(qū)域的同名點（靶標缺失時）進行點云拼接。⑥模型重建及自動貼紋理:采用Geomagic Studio軟件根據點云數據生成三角網模型，并在多邊形階段對模型進行修補、調整以彌補點云離散而造成的模型缺陷，然后基于照片與模型的自動映射匹配功能，完成紋理的自動化渲染。圖1為基于LiDAR技術的中山紀念堂精細建模效果。

圖1　基于LiDAR技術的中山紀念堂精細建模

4.3 城市園林綠化專題要素符號庫設計及三維建模

首先應構建廣州常見園林綠化植物的符號（圖片）庫，為園林綠化要素建模提供真實準確的紋理貼圖。具體要求是樹種準確、樹高體量接近真實，常見行道樹、景觀樹同一品種應具有不同的樹齡，同一樹齡具有多種形態(tài)。園林綠化植物符號庫包括源數據分庫（保存原始采集照片）和表現(xiàn)分庫（保存處理后的圖片）。其中，表現(xiàn)分庫按用途細分為園景樹、庭蔭樹、行道樹、花果樹、垂直綠化、綠籬、木本地被樹、工礦綠化樹、盆栽盆景樹等9類，每個符號（圖片）具有唯一編碼，并含有 5個精度等級，3種圖片格式（tiff、tga、png），符號庫的邏輯設計如圖2所示。

圖2　園林綠化專題要素符號庫邏輯設計

園林綠化植物三維可視化應滿足空間位置準確，樹木的大小、高低、形態(tài)真實等要求。園林綠化專題要素建模主要包括人行天橋和立交綠化（主要是垂直綠化與綠籬）建模、綠化普查數據三維建模、園林綠化精品工程景觀植物精細建模等三項內容，主要采用CAD構建幾何體與 skyline符號庫與矢量數據關聯(lián)的方法［4］。以園林綠化精品工程精細建模為例，其具體技術流程是:根據竣工圖和現(xiàn)場采集信息基礎建模，喬木灌木十字面片建模、綠籬簡單體量建模?；A建模完成后烘焙地面陰影同時輸出植物的xyz空間坐標、樹高屬性、紋理名稱的shp數據。在skyline中，關聯(lián)輸出的shp和紋理圖片，實現(xiàn)始終面向鏡頭單片樹的效果。園林綠化專題要素精細化建模效果如圖3所示。

4.4 可量測移動全景影像采集及建庫技術

移動全景影像采集系統(tǒng)可基于移動平臺，集成GPS、IMU系統(tǒng)及全景相機等硬件實時采集道路周邊影像數據，并傳輸到移動圖形工作站軟件對數據進行實時處理。全景影像數據庫建設的關鍵技術包括360°全景技術、全景影像與空間坐標的關聯(lián)及可量測技術、影像數據與路網數據的融合技術等，具體闡述如下，相關實例如圖4所示。

移動全景影像使用連續(xù)視頻與360°全景技術［5］，以每秒16幀的速度采集實景影像，經過數據切片、拼接，視頻轉換，坐標提取、校正與關聯(lián)等處理步驟，最終通過全景瀏覽器組件播放360°全景視頻。

圖3　園林綠化專題要素精細化建模效果

圖4　可量測移動全景影像采集技術實例

通過GPS和IMU系統(tǒng)，全景相機可以獲取具有精確位置坐標和姿態(tài)信息的序列全景影像數據，采用全景影像核線匹配算法和空間前方交會可計算出物點的三維坐標［6］。具體流程是:構建影像間核線幾何約束過程，在相鄰影像間采用SIFT算法匹配同名點，并根據物點、攝像中心、像點三點共線原理，推導出全景影像的共線公式并利用前方交會原理計算出物點的三維坐標。最后通過地面控制點進一步檢核并提高全景影像與空間位置的匹配精度，并使全景影像可量測。即基于內業(yè)影像處理軟件，利用輔助網格可方便進行點位坐標采集，長度測量，面積測量，跨幀測量等，完成所見即所得的測量，無需實地操作。

移動實景影像與道路有直接的關聯(lián)關系，將移動實景影像采集線路與路網進行融合，可以把視頻在邏輯上與道路弧段單位進行關聯(lián)，同一條視頻線路被分解成多條邏輯上獨立的路段視頻單元，同一道路弧段單位可以與多條不同日期采集的全景視頻進行關聯(lián)，從而建立起移動全景影像庫。移動全景影像庫具備空間和時間屬性，該特性可以支持移動全景影像庫的增量式更新和歷史數據的回溯查詢。

5 小 結

“數字綠化”三維實景平臺是“數字綠化”信息化建設的重要內容，它提供三維可視、真實可靠的地理信息環(huán)境，將數字綠化的空間表達從二維提升到三維，并通過實景影像將用戶視覺進一步延伸。該平臺面向城市林業(yè)和城市園林管理，集中展示廣州近年來的城市園林綠化建設成果，為城市綠化建設、城市合理規(guī)劃和布局、創(chuàng)造良好城市人居環(huán)境提供科學、直觀參考，同時也為公眾參與及領導決策提供有力支持。平臺建設中綜合采用了ADS40航測、基于LiDAR的建筑物精細建模、園林綠化三維建模以及可量測移動全景采集等眾多先進技術，很好地保證了展示效果及運行效率。

［1］曾凡洋，鐘若飛，宋楊等.車載全景影像核線匹配和空間前方交會［J］.遙感學報，2014，18（6）：1230～1236.

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［3］張 榮，劉洋.廣州亞運地圖網站設計及關鍵技術研究［J］.測繪通報，2011，7：77～81.

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［7］駱朝亮，楊晶.高清三維實景在數字城管中的創(chuàng)新應用［J］.測繪通報，2014，3：139～140.

［8］王雷.基于GIS的數字綠化系統(tǒng)設計與開發(fā)［J］.測繪與空間地理信息，2015，38（5）：120～121.

［9］田野，向宇，高峰等.利用Pictometry傾斜攝影技術進行全自動快速三維實景城市生產［J］.測繪通報，2013，2：59～62.

Guangzhou“Digital greening”Real Three-Dimensional Platform

Geng Yichao1，Lan Zeying2
（1.Urban Planning&Design Research Institute，Guangzhou 510060，China；2.Management of Guangdong University of Technology，Guangzhou 510520，China）

Guangzhou“Digital greening”three-dimensional real platform is an important part of Guangzhou verdant project.This paper studies the main content and key technology platform construction.It includes three aspects Guangzhou three-dimensional geographic space frame construction，urban landscaping thematic model database construction，urban greening panoramic image database construction，and terrain model based ADS40 aerial photographic measurement technology to build，ground-based LiDAR technology building fine key technical model construction，urban landscaping thematic elements symbol library construction and 3D modeling，scalable mobile panorama image acquisition and so forth. Results of this study have important guiding significance for similar projects undertaken.

digital green；real three-dimensional；landscaping dimensional modeling；ADS40；ground LiDAR；scalability panoramic images

1672-8262（2016）02-39-05中圖分類號：P208.2

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