數(shù)字績溪地理空間框架建設(shè)三維實景建模分析

戴錫花

（安徽省第三測繪院，合肥230601）

1 引言

地理空間框架主要通過對資源分布、人口、礦產(chǎn)、土地、水系、交通、地貌、地形、城市設(shè)施以及行政區(qū)劃等信息進行全面采集，進而為民眾生活、企業(yè)電商、政府宏觀管理等提供有效的地理數(shù)據(jù)保障。傳統(tǒng)地理信息體系主要以二維地理數(shù)據(jù)處理為主，無法使用三維空間進行充分表達，無法滿足民眾對三維空間的分析與查詢需求。在信息技術(shù)快速發(fā)展的過程中，三維地理空間建模已成為地理數(shù)據(jù)系統(tǒng)的重要組成部分，可以有效促進城市建設(shè)發(fā)展，提升城市服務(wù)水平[1]。

2 3D地理空間模型構(gòu)建關(guān)鍵問題

1）DEM，即數(shù)字高程模型。DEM 數(shù)據(jù)能夠形成3D 地理空間模型地形框架，建筑物模型以及DOM（數(shù)字高程模型）數(shù)據(jù)等均是在DEM 表面進行粘貼辨識。另外，對于立交橋、河流以及其他地貌復(fù)雜的圖像數(shù)據(jù)，常規(guī)DEM 數(shù)據(jù)在3D 地理空間情況表達方面準(zhǔn)確性不夠，所以，應(yīng)結(jié)合具體情況，科學(xué)修改DEM 數(shù)據(jù)。

2）確定模型層次和細節(jié)程度。人類視覺規(guī)律中，目標(biāo)物越近，其清晰度也會越高，在視點不斷靠近的過程中，模型與紋理逼真程度也會不斷增加。然而，隨著模型與紋理逼真程度的不斷增加，數(shù)據(jù)量也會大幅度增加，所以，需要科學(xué)取舍與地物要素相關(guān)的外部特征，合理確定系統(tǒng)工作效率和真實效果的平衡點。要保證系統(tǒng)工作效率得到充分提升，應(yīng)針對建筑物進行模型層次劃分。3D 地理空間模型劃分方法多種多樣，從整個場景的角度進行分析，細節(jié)層次能夠劃分為3 個；從目標(biāo)個體角度分析，節(jié)點層次能夠劃分為7 種以上[1]。

3）場景模擬以及分析。健全的場景模擬功能在模型建設(shè)中具有重要地位，同時，也是保證3D 城市生命力的基礎(chǔ)內(nèi)容。該功能需要以2D 分析功能為基礎(chǔ)，不斷進行拓展，實現(xiàn)物體體積、表面積與空間距離等數(shù)據(jù)的計算，建立光照分析等模型，并分析應(yīng)急防暴、自然災(zāi)害疏散等專題項目。

3 數(shù)據(jù)源與實景3D模型數(shù)據(jù)構(gòu)建

3.1 數(shù)據(jù)源

數(shù)字績溪地理空間框架構(gòu)建項目中，實景3D 模型數(shù)據(jù)的采集是關(guān)鍵內(nèi)容，其能夠真實地呈現(xiàn)績溪縣的地理空間，為數(shù)字城市的發(fā)展提供良好的數(shù)據(jù)保障。3D 模型構(gòu)建范圍主要以績溪縣城區(qū)為主，構(gòu)建范圍面積為11.26 km2，利用SWDC-5航攝儀與B-8055 飛機按照航線前后左右以及正視方向進行攝像，絕對航高約為750 m，圖像數(shù)據(jù)地面分辨率比優(yōu)于0.1 m。航線設(shè)計為39 條，總計獲得2 712 張圖像資料，下視鏡頭的航向與旁向重疊度始終保持在70%以上。因為我國對實景3D 模型并未制定明確的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，因此，該項目主要在滿足績溪縣數(shù)字化建設(shè)需要的前提下對精度指標(biāo)進行確定，高程及平面精度與最近控制點之間的誤差應(yīng)在0.5 m 以內(nèi)[2]。

3.2 3D模型構(gòu)建

選擇傾斜測繪攝影、紋理映射、3D 紋理TIN 構(gòu)建等技術(shù)，能夠進行全自動3D 模型構(gòu)建。實景3D 模型構(gòu)建總體工藝流程如圖1 所示。

圖1 實景3D模型構(gòu)建總體工藝流程圖

1）布設(shè)像控點。目標(biāo)影像需要具備良好的清晰性，便于判斷，例如，明顯的地物角點以及交角明顯的線狀地物交點。另外，像控點目標(biāo)的高程變化情況應(yīng)始終保持在規(guī)定范圍內(nèi)，以保證測量與定位的準(zhǔn)確性。另外，能夠長期保持相對固定的狀態(tài)。像片條件為控制點一般布設(shè)在航向旁向6 片或5 片重疊范圍內(nèi)，盡量達到公用。選擇GPS-TTK 方法開展采集工作?？兿h3D 地理空間的像控點數(shù)量設(shè)計為50 個。

2）空三加密。數(shù)據(jù)處理內(nèi)容主要涵蓋提取平差點、處理平差點、建設(shè)3D 模型、轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)格式等。其中，處理平差點的目的主要是促使各個圖像數(shù)據(jù)能夠?qū)崿F(xiàn)絕對定向，形成絕對位置，進而保證3D 建模工作能夠獲得絕對定向依據(jù)。在實際工作中，并不會直接將控制點數(shù)據(jù)引入，基于外方位保證條件下，開展自由網(wǎng)平差處理，確保各個視角圖像、相鄰圖像的連接關(guān)系更加緊密，進而確保測區(qū)數(shù)據(jù)絕對位置具有良好的精準(zhǔn)度。

3）3D 建模。完成空三加密處理之后，能夠獲得數(shù)量充足的云數(shù)據(jù)，之后進行數(shù)據(jù)分割，以分割區(qū)塊中的密集點為基礎(chǔ)進行不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN）構(gòu)建的工作，同時，構(gòu)建白模，即無紋理地理空間3D 模型。借助3D 建模軟件中紋理映射功能與算法，可以自動賦予所有模型三角面紋理。各個圖像的位置信息均非常精確，軟件能夠快速在大量圖像數(shù)據(jù)中選擇清晰度最高的紋理并在相應(yīng)位置模型面進行粘貼，最后形成紋理非常真實的地理空間3D 模型[3]。

4 問題處理

1） 軟件使用。工作過程中使用CC 軟件（Context Capture）來完成3D 建模工作。在工作期間，由于工作需求，還使用了航天遠景軟件協(xié)助我們完成工作。在無約束空中三角測量（以下簡稱“無約束空三”）加密時，由于數(shù)據(jù)量較大，將測區(qū)分成7 塊完成，6 塊使用CC 軟件完成無約束空三，有一塊無法通過CC 軟件完成無約束空三，后來通過航天遠景軟件完成了這一塊的無約束空三。在生產(chǎn)過程中為了滿足模型修飾的需要，還使用了DP-Modeler 傾斜攝影建模、測量系統(tǒng)。

2）生成的模型主要存在以下問題：部分水面出現(xiàn)凹凸不平、空洞的情況；個別模型出現(xiàn)破碎車輛的情況；植被、路燈、垃圾桶、廣告牌等細小、結(jié)構(gòu)單薄的物體，容易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)不完整，漂浮空中等現(xiàn)象。

根據(jù)生產(chǎn)過程中的需求，通過DP-Modeler 傾斜攝影建模、測量系統(tǒng)，實現(xiàn)三維模型局部幾何紋理的修改。通過obj、osgb 水面修飾工具、刪除漂浮物、建筑局部修飾等功能菜單解決遇見的問題[4]。

5 模型數(shù)據(jù)分析

模型數(shù)據(jù)分析主要是借助實測檢查點，并通過對系統(tǒng)相對位置相關(guān)模型數(shù)據(jù)點的采集，開展模型精度檢核工作，隨機選擇樣本區(qū)，數(shù)量為3 個，樣本區(qū)均對模型構(gòu)建區(qū)域進行均勻覆蓋，各個樣本區(qū)隨機選擇20 多個單位，總計67 個檢查點。計算高程中誤差和平面中誤差，具體公式為：

高程中誤差計算：

式中，Δxi、Δyi、Δhi為對應(yīng)監(jiān)測點圖面坐標(biāo)與檢測坐標(biāo)分別在Ⅹ，Y，Z 三個方向上的差值；n 為監(jiān)測點個數(shù)，n=67。

結(jié)合上述公式進行計算，最終得出：Mh=0.19 m，Ms=0.39 m，均在0.5 m 以內(nèi)，符合項目設(shè)計要求。通過精度檢測分析，實景三維模型一般情況下高程精度比傳統(tǒng)方法生產(chǎn)的模型更高，兩者的平面精度并無較大差異。

6 結(jié)語

綜上所述，通過建立數(shù)字績溪地理空間框架3D 模型，實現(xiàn)了通過利用無人機傾斜攝影、計算機技術(shù)等先進技術(shù)實景展現(xiàn)當(dāng)?shù)氐孛蔡卣髋c地物特征，促進地理信息數(shù)據(jù)共享發(fā)展，從而使相關(guān)用戶能夠產(chǎn)生身臨其境的感受。3D 數(shù)字城市項目屬于高新技術(shù)，借助3D 建模技術(shù)能夠有效構(gòu)建建筑物、地形等綜合模型，將數(shù)字城市的價值充分發(fā)揮出來。