實(shí)景三維模型地理精度檢測(cè)與分析

郭林凱

(大連市測(cè)繪研究院，遼寧 大連 116011； 2.大連市基礎(chǔ)地理信息中心，遼寧 大連 116011)

實(shí)景三維模型地理精度檢測(cè)與分析

郭林凱*

(大連市測(cè)繪研究院，遼寧 大連 116011； 2.大連市基礎(chǔ)地理信息中心，遼寧 大連 116011)

為研究采用“機(jī)載LiDAR+傾斜攝影”技術(shù)制作的實(shí)景三維模型地理精度，以建筑的點(diǎn)、面、體為地理空間特征，采用內(nèi)外業(yè)檢測(cè)對(duì)比的方法，結(jié)合數(shù)據(jù)源分析傾斜影像、LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)對(duì)實(shí)景三維模型地理精度影響的原因以及分布規(guī)律，總結(jié)出實(shí)景三維模型地理精度檢測(cè)，可以簡(jiǎn)化為對(duì)建筑樓頂點(diǎn)、樓側(cè)點(diǎn)、樓底點(diǎn)的檢測(cè)，來評(píng)價(jià)實(shí)景三維模型的地理空間精度。

傾斜攝影；機(jī)載LiDAR；實(shí)景三維模型；地理精度；精度檢測(cè)

1 引 言

隨著傾斜攝影、機(jī)載LiDAR、車載信息采集系統(tǒng)等技術(shù)手段不斷應(yīng)用于測(cè)繪生產(chǎn)，由于其能夠獲取全面、豐富、真實(shí)的地表覆蓋信息，因而能夠大大提高地表三維測(cè)量的可靠性和測(cè)量精度，可以快速建立城市實(shí)景三維模型，簡(jiǎn)化了模型紋理獲取和處理方法[1]。也隨著大數(shù)據(jù)、大智慧、云計(jì)算技術(shù)推動(dòng)，人們利用計(jì)算機(jī)識(shí)別事物空間地理位置的需求從三維模擬地圖上升了到實(shí)景三維模型，實(shí)景三維模型因其具有精細(xì)化、真實(shí)化、可量測(cè)、可分析的特征，近年來，已成為國(guó)內(nèi)外科技關(guān)注的熱點(diǎn)[2]。然而，實(shí)景三維模型作為一種新型的測(cè)繪產(chǎn)品，有必要研究實(shí)景三維模型地理空間位置的準(zhǔn)確性，通過研究有利于提高實(shí)景三維模型在“智慧城市”應(yīng)用中準(zhǔn)確性、可靠性分析。

2 實(shí)景三維模型概況

以大連主城區(qū)制作的實(shí)景三維模型為研究對(duì)象，基本信息以及實(shí)現(xiàn)過程如下：

2.1 數(shù)據(jù)源

(1)建筑物紋理

采用直升機(jī)平臺(tái)搭載多角度傾斜攝影測(cè)量系統(tǒng)SWDC-5獲取 6 cm傾斜航空影像，下視角影像由 50 mm鏡頭獲取，主要用于實(shí)景三維模型的頂部紋理；前后左右四個(gè)視角影像由呈45°視角 80 mm鏡頭獲取，主要用于實(shí)景三維模型的側(cè)面紋理[3]。

(2)激光點(diǎn)云

采用運(yùn)-5飛機(jī)平臺(tái)搭載ALS70-HP機(jī)載LiDAR測(cè)量系統(tǒng)，點(diǎn)間距優(yōu)于0.5 m，點(diǎn)密度大于等于4點(diǎn)/m2。

(3)POS系統(tǒng)

SWDC-5和ALS70-HP集成了POS系統(tǒng)，基于全球定位系統(tǒng)(PGS)和慣性測(cè)量裝置(IMU)，直接測(cè)定5個(gè)視角的每張傾斜影像外方位元素和激光點(diǎn)的外方位元素[4]。

(4)地面控制

以測(cè)區(qū)內(nèi)的大連市連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站綜合服務(wù)系統(tǒng)(DLCORS)2個(gè)站點(diǎn)作為傾斜攝影和機(jī)載LiDAR測(cè)量的地面站點(diǎn)；采用GPS精密單點(diǎn)定位，IMU和GPS數(shù)據(jù)聯(lián)合解算的平面位置偏差不大于 0.15 m，高程位置偏差不大于 0.5 m，速度偏差不應(yīng)大于 0.6 m/s；以DLCORS為基準(zhǔn)，進(jìn)行傾斜像控點(diǎn)的測(cè)量、LiDAR檢校場(chǎng)測(cè)量和LiDAR參考面檢核，平面精度不大于 0.05 m，高程精度不大于 0.05 m。

2.2 數(shù)據(jù)處理及精度

(1)傾斜空三加密

將傾斜影像的5個(gè)視角導(dǎo)入空三加密軟件中，引入航片的POS元素信息，確定單張航片在空中的大概位置以及航片間相對(duì)位置關(guān)系，建立核線幾何條件約束下的航帶間影像點(diǎn)位置關(guān)系，采用逐級(jí)匹配策略自動(dòng)進(jìn)行像點(diǎn)連接，并進(jìn)行無約束平差解算，剔除粗差較大像點(diǎn)后，添加像控點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行約束平差解算，形成空三加密成果[5]，其平面中誤差為 ±0.04 m，高程中誤差為 ±0.09 m。

(2)激光點(diǎn)云處理

聯(lián)合機(jī)載POS數(shù)據(jù)和激光測(cè)距數(shù)據(jù)，附加系統(tǒng)檢校數(shù)據(jù)，對(duì)每條航帶進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)解算，生成地面目標(biāo)點(diǎn)的三維空間坐標(biāo)(X，Y，Z)數(shù)據(jù)，即三維點(diǎn)云；分析、剔除異常激光點(diǎn)云；根據(jù)每條航帶的實(shí)際變化情況進(jìn)行航帶間平差，完成測(cè)區(qū)點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理[6]，其點(diǎn)云高程中誤差為 ±0.148 m。

2.3 實(shí)景三維模型制作

大連主城區(qū)的實(shí)景三維模型制作采用“機(jī)載LiDAR點(diǎn)云構(gòu)建三維模型體+傾斜影像配準(zhǔn)貼紋理”的建模方式。簡(jiǎn)單來說，就利用專業(yè)建模軟件對(duì)平差后的機(jī)載點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)或人工處理提取建模物矢量特征線，生成精細(xì)化的建筑物三維模型體，將空三加密糾正后多角度影像紋理與建筑物三維模型體進(jìn)行坐標(biāo)匹配，實(shí)現(xiàn)模型與紋理的自動(dòng)映射，完成實(shí)景三維建筑物模型的制作[7]。

3 實(shí)景三維模型地理精度檢測(cè)與分析

三維地理信息模型數(shù)據(jù)產(chǎn)品質(zhì)量檢查與驗(yàn)收，國(guó)家頒布CH/T 9024-2014標(biāo)準(zhǔn)，從數(shù)據(jù)組織、空間參考系、幾何精度、模型精細(xì)度、紋理精度、時(shí)間精度等方面檢查與驗(yàn)收[8]。但是，實(shí)景三維模型的地理位置精度檢測(cè)沒有具體的檢查方法，僅從宏觀方面進(jìn)行約束，對(duì)不同等級(jí)的三維模型僅從建模物體長(zhǎng)、寬、高等任意維度變化上進(jìn)行區(qū)分，如精細(xì)等級(jí)三維模型(如LOD3、LOD4)要求：大于 0.5 m的屋檐、陽臺(tái)應(yīng)表示，模型的高度精度應(yīng)優(yōu)于 1 m，模型的屋頂應(yīng)反映屋頂結(jié)構(gòu)形式、附屬設(shè)施等細(xì)節(jié)，模型的基底應(yīng)與所處地形位置處于同一水平面上，并與地形起伏相吻合等[9]。

3.1 檢測(cè)思路

地形圖是地物要素投影到地面上符號(hào)化，其地理精度檢測(cè)一般是在抽樣圖上選取若干檢查點(diǎn)，將圖上坐標(biāo)與外業(yè)實(shí)地測(cè)量的同名點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行比較，計(jì)算中誤差，確定其數(shù)學(xué)精度[10]。對(duì)三維模型的地理精度檢測(cè)，不能像檢測(cè)地形圖一樣，因?yàn)樗且粋€(gè)多維的實(shí)體[11]，對(duì)其進(jìn)行地理精度檢測(cè)，就必須考慮搭建的三維模型是否產(chǎn)生的形變、位移、扭曲問題[10]。本實(shí)驗(yàn)提出從建筑物的點(diǎn)、面、體三個(gè)方面進(jìn)行模型地理精度檢測(cè)，并進(jìn)行分析。

本實(shí)驗(yàn)實(shí)景三維模型地理精度檢測(cè)采用高精度檢測(cè)[12]，首先，內(nèi)業(yè)測(cè)量待檢測(cè)建筑物，在專業(yè)軟件下直接量取實(shí)景三維模型上對(duì)應(yīng)的點(diǎn)位坐標(biāo)、面積、體積，其次，外業(yè)采用全站儀對(duì)建筑物進(jìn)行測(cè)量，獲取檢測(cè)建筑物的點(diǎn)坐標(biāo)、面積、體積，最后比較同名檢測(cè)點(diǎn)、檢測(cè)面、檢測(cè)體，統(tǒng)計(jì)、分析實(shí)景三維模型地理精度[13]，檢查思路如圖1所示。

圖1 實(shí)景三維模型地理精度檢測(cè)思路

3.2 實(shí)景三維模型精度檢測(cè)與分析

(1)點(diǎn)位精度檢測(cè)與分析

實(shí)景三維模型點(diǎn)位精度檢測(cè)從建筑物的樓頂點(diǎn)、側(cè)面窗戶點(diǎn)、樓底點(diǎn)(如圖2所示)進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)情況如表1所示。

實(shí)景三維模型點(diǎn)位精度 表1

從表1看出，實(shí)景三維模型樓頂?shù)木容^高，平面精度優(yōu)于 1∶1 000地形圖(1∶1 000平面中誤差要求小于 0.5 m)的精度要求；實(shí)景三維模型樓底部的精度一般，平面精度基本滿足 1∶1 000地形圖的精度要求；側(cè)面窗戶精度較差，平面精度達(dá)不到 1∶1 000地形圖的精度要求。實(shí)景三維模型的高程精度從高到低：樓頂點(diǎn)>樓底點(diǎn)>側(cè)面窗戶點(diǎn)。原因分析如下：

①實(shí)景三維模型的模型體是由LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行建模的，機(jī)載LiDAR對(duì)于建筑物頂部的點(diǎn)云密度要優(yōu)于側(cè)面和底部，在提取模型矢量邊線時(shí)頂部損失的精度要比側(cè)面和底部要小[14]，因此，頂部的平面和高程精度較高。

②實(shí)景三維模型頂部的紋理來源傾斜攝影的下視角影像，將紋理(正射影像)自動(dòng)匹配到模型體上時(shí)發(fā)生變形很小，側(cè)面紋理來源于傾斜攝影的左右、前后視角影像，將紋理匹配到模型體上時(shí)，以頂部和底部為邊界，對(duì)紋理進(jìn)行了微小拉伸，形成了模型頂部精度最好，底部次之，窗戶精度較差的特點(diǎn)[15]。

(2)面精度檢測(cè)與分析

實(shí)景三維模型面精度檢測(cè)從建筑物的樓頂面、樓側(cè)面(如圖3所示)進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)情況如表2所示。

圖3 檢測(cè)面示意圖

實(shí)景三維模型面精度 表2

從表2看出：實(shí)景三維模型樓頂?shù)臉琼斆婢缺葮莻?cè)面面積精度略高，樓頂面、樓側(cè)面室內(nèi)測(cè)量面積與實(shí)際面積相差不大。原因分析如下：

①樓頂點(diǎn)的點(diǎn)位精度優(yōu)于樓底部的點(diǎn)位精度，因此，以樓頂點(diǎn)構(gòu)面的樓頂面積精度要高于以樓頂點(diǎn)與樓底部點(diǎn)構(gòu)面的樓側(cè)面面積精度。

②本實(shí)驗(yàn)實(shí)景三維模型的頂部面、側(cè)面都是通過點(diǎn)云數(shù)據(jù)構(gòu)成矢量特征性線生成三維模型體面，由于其空間位置精度較高，因而內(nèi)業(yè)測(cè)量面積與實(shí)際面積相差不大。

(3)體精度檢測(cè)與分析

實(shí)景三維模型體精度檢測(cè)相對(duì)較困難，由于大多數(shù)建筑實(shí)際包含了女兒墻、房檐、窗戶、陽臺(tái)等部件，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，不利于外業(yè)實(shí)際測(cè)量工作的開展，因此，本次檢測(cè)為提高效率和說明問題，選擇忽略女兒墻、沒有房檐的建筑(如圖4所示)進(jìn)行測(cè)試，并忽略窗戶、陽臺(tái)等建筑物細(xì)小部件對(duì)體積影響，檢測(cè)了11個(gè)相對(duì)獨(dú)立的建筑物，檢測(cè)情況如表3所示。

圖4 檢測(cè)建筑示意圖

實(shí)景三維模型體精度 表3

從表3看出：實(shí)景三維模型室內(nèi)測(cè)量體積與外業(yè)檢測(cè)的實(shí)際建筑物體積差值不大，即形變很小，說明采用“機(jī)載LiDAR+傾斜攝影”方式構(gòu)建的實(shí)景三維模型真實(shí)地反映了建筑物的形態(tài)，在實(shí)際具有很強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值。

4 結(jié) 論

通過本實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，采用機(jī)載LiDAR、傾斜攝影等技術(shù)，能夠獲取待建建筑物的高精度空間位置信息，經(jīng)過一系列技術(shù)處理后搭建的實(shí)景三維模型，地理精度檢測(cè)結(jié)論如下：

(1)采用高新測(cè)量設(shè)備和技術(shù)手段，搭建的實(shí)景三維模型具有真實(shí)的空間位置關(guān)系，其形變、位移、扭曲等方面誤差較小。

(2)通過對(duì)實(shí)景三維模型點(diǎn)位、面積、體積的精度檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)建筑物實(shí)景三維模型地理精度檢測(cè)，主要體現(xiàn)在點(diǎn)位精度上，因此，可以將實(shí)景三維模型的檢測(cè)簡(jiǎn)化為對(duì)樓頂點(diǎn)、樓側(cè)點(diǎn)、樓底點(diǎn)等建筑物特征區(qū)域、特征點(diǎn)的檢測(cè)，來評(píng)價(jià)實(shí)景三維模型的質(zhì)量。

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Detection and Analysis of Real 3D Geographic Accuracy Model

Guo Linkai

(1.Surveying & Mapping Institute of Dalian，Dalian 116011，China； 2.Geomatics Center of Dalian，Dalian 116011，China)

For the study of using “airborne LiDAR+ tilt photography” technology in the production ofreal 3D model of geographical accuracy，building point，area and volume for the geographic features，methods of detection and contrast by inside and outside the industry，combined with the data source analysis of the influence of tilt images of LiDAR point cloud data on the Shi Jingsan dimension model precision and geographic distribution，summary a real 3D model of geographic precision detection can be simplified to the detection of building，building，building the vertex side of the bottom point，to evaluate the real 3D model of geographical space precision.

tilt photography；airborne LiDAR；three-dimensional model；geographic accuracy；accuracy test

1672-8262(2017)02-105-04

P237

B

2016—11—08

郭林凱(1979—)，男，高級(jí)工程師，注冊(cè)測(cè)繪師，主要從事航空攝影測(cè)量與遙感、地理空間信息處理、實(shí)景三維建模等方面工作。