提高城市實(shí)景三維質(zhì)量的研究與實(shí)踐
——以天府新區(qū)實(shí)景三維建設(shè)為例

劉浪涯

（成都市勘察測繪研究院）

1 引言

相比傳統(tǒng)測繪成果，實(shí)景三維場景具有更真實(shí)的視覺效果，可以為城市規(guī)劃、建設(shè)、管理等工作提供可視化的地理空間信息。近年來，北京、武漢等城市已開展了城市實(shí)景三維建設(shè)，取得了良好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益和示范作用[1-2]。

目前，實(shí)景三維技術(shù)依然存在部分地形地物細(xì)節(jié)表現(xiàn)不足、建筑模型精度較低等質(zhì)量問題，無法滿足各領(lǐng)域?qū)Ω呔?、高真?shí)感的地理空間信息需求。為解決該問題，本文對實(shí)景三維各類型數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，從數(shù)據(jù)構(gòu)成、單體化生產(chǎn)、數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查等方面對如何提高成果質(zhì)量進(jìn)行了研究和實(shí)踐。

2 三維數(shù)據(jù)生產(chǎn)

2.1 數(shù)據(jù)構(gòu)成方式

在三維表現(xiàn)方面，連續(xù)三角面模型可以準(zhǔn)確表達(dá)除建筑以外的大部分地形地物，此類數(shù)據(jù)由大量不規(guī)則三角面組成，也被稱為“一張皮模型”，是目前實(shí)景三維最具代表性的成果。連續(xù)三角面模型可由Context Capture等軟件自動(dòng)生成，該類型數(shù)據(jù)目前廣泛應(yīng)用于地形圖測量、景觀三維展示等。

單體化模型可以準(zhǔn)確表達(dá)建筑等人工地物或設(shè)施，該類數(shù)據(jù)由傳統(tǒng)手工三維建模結(jié)合傾斜攝影技術(shù)發(fā)展而來，先利用人工建模的方式制作出形狀真實(shí)合理的模型，然后利用傾斜影像自動(dòng)映射紋理[3]。經(jīng)過人工編輯的模型可以確保其形狀和外觀的準(zhǔn)確性，并且可以在三維GIS中進(jìn)行模型的屬性查詢、空間分析等操作[4]。

因此，可以將這兩類模型進(jìn)行組合，對自然地形、植被等要素使用連續(xù)三角面模型，對建筑物、構(gòu)筑物等要素使用單體化模型，既能避免連續(xù)三角面模型中建筑扭曲變形的問題，又能彌補(bǔ)單體化模型只能表現(xiàn)特定類型地物的局限，起到揚(yáng)長避短，優(yōu)化場景的作用，此兩類模型的特點(diǎn)如表1所示。

表1 各類模型質(zhì)量要素對比

2.2 單體化生產(chǎn)方式

目前，單體化模型主要以連續(xù)三角面模型為基礎(chǔ)，通過人工觀察模型認(rèn)識(shí)建筑物的形狀，然后通過套合原有模型的方式制作單體化模型。由于在連續(xù)三角面模型中建筑存在較多的扭曲變形，制作的單體化模型的位置和形狀依然會(huì)與實(shí)際場景存在較大偏差，并且人工建模時(shí)，單體化模型同原有三角面模型的套合緊密度主要取決于作業(yè)員的觀察視角和經(jīng)驗(yàn)，容易出現(xiàn)偏離原有位置的情況，使得模型的空間位置可靠性進(jìn)一步降低。

為解決此類問題，可以利用激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)輔助完成單體化建模。激光掃描獲取的點(diǎn)云具有較高的空間位置精度，不會(huì)出現(xiàn)因弱紋理造成的扭曲變形，并且點(diǎn)云自動(dòng)建模的技術(shù)較成熟，可以快速完成大范圍的建筑自動(dòng)建模，因此，可以利用該建模方式提高單體化模型的位置精度[5-6]。

相比于傾斜影像，激光點(diǎn)云存在采樣率密度偏低、缺乏紋理等問題，自動(dòng)生成的模型會(huì)缺少紋理和小尺寸的形狀細(xì)節(jié)，因此需要在自動(dòng)建模的基礎(chǔ)上，人工對模型進(jìn)行細(xì)節(jié)形狀補(bǔ)充編輯和紋理映射，最終得到兼具空間位置精度、結(jié)構(gòu)形狀和真實(shí)紋理的單體化模型。

2.3 質(zhì)量檢查

上述手段可以在一定程度上提高實(shí)景三維的質(zhì)量，但為進(jìn)一步確保模型的質(zhì)量，需要對成果采取嚴(yán)格的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和完善的檢查方式[2,7-8]。

2.3.1 連續(xù)三角面模型檢查

對連續(xù)三角面模型需要檢查模型的空間位置精度和完整性。

①空間位置精度檢查：在測區(qū)利用全站儀或GPS-RTK等方式實(shí)測一定數(shù)量的檢查點(diǎn)，并對模型中相對應(yīng)的位置點(diǎn)進(jìn)行對比檢查[8]，檢查點(diǎn)需要選取裸露于地表的明顯特征點(diǎn)，如道路標(biāo)記線等。

②完整性檢查：通過目視方式檢查模型是否覆蓋完整、水面是否存在漏洞。

2.3.2 單體化模型檢查

單體化模型需檢查模型的空間位置精度、形狀完整性、紋理真實(shí)性，及與連續(xù)三角面模型的結(jié)合程度。

①空間位置精度檢查：在測區(qū)內(nèi)利用全站儀測量一定數(shù)量的檢查點(diǎn)，并對單體化模型的對應(yīng)位置點(diǎn)進(jìn)行對比檢查，檢查點(diǎn)應(yīng)選取建筑上的形狀特征點(diǎn)，如房角、窗臺(tái)角等。

②模型形狀檢查、紋理檢查：通過目視方式，以傾斜航空影像和現(xiàn)場地面照片為依據(jù)，判讀單體化模型的形狀是否真實(shí)準(zhǔn)確、細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)的取舍是否合理，檢查模型紋理是否真實(shí)、完整。

2.3.3 場景結(jié)合度檢查

在三維GIS中同時(shí)加載連續(xù)三角面模型與單體化模型，目視檢查兩類模型之間的結(jié)合程度，檢查是否存在沖突、分離等結(jié)合問題。

3 實(shí)際案例

為驗(yàn)證上文中改進(jìn)措施的有效性，項(xiàng)目組在四川天府新區(qū)實(shí)景三維生產(chǎn)項(xiàng)目中進(jìn)行測試。天府新區(qū)是國家級(jí)新區(qū)及公園城市典范，區(qū)域內(nèi)有眾多的地標(biāo)建筑及園林綠地，均需在實(shí)景三維中準(zhǔn)確表達(dá)。

項(xiàng)目采用了連續(xù)三角面模型和單體化模型組合的方式，以同時(shí)滿足建筑和植被的場景質(zhì)量要求，并且采用了激光點(diǎn)云輔助單體化方式和全面完整的質(zhì)量檢查措施，整個(gè)項(xiàng)目的生產(chǎn)流程如圖1所示。

圖1 天府新區(qū)某項(xiàng)目實(shí)景三維生產(chǎn)流程

3.1 單體化模型生產(chǎn)

使用點(diǎn)云中建筑類點(diǎn)云進(jìn)行自動(dòng)建模處理，對于農(nóng)村房屋等非重點(diǎn)區(qū)域建筑，自動(dòng)生成模型的形狀已滿足要求。對于重點(diǎn)建筑，在自動(dòng)生成的模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行編輯，補(bǔ)充模型上必要的形狀細(xì)節(jié)，并完成紋理映射處理，得到重點(diǎn)建筑物的模型成果。

3.2 連續(xù)三角面模型處理

在實(shí)景三維模型編輯軟件中對連續(xù)三角面模型進(jìn)行處理，對已經(jīng)完成單體化的建筑、橋梁、設(shè)施等地物進(jìn)行刪除或壓平，并對水面、懸浮物等進(jìn)行處理，確保模型的整體顯示效果[9-10]。

3.3 模型質(zhì)量檢查

3.3.1 位置精度檢查

外業(yè)實(shí)測了654個(gè)地面特征點(diǎn)和413個(gè)建筑特征點(diǎn)用于模型的位置精度檢查，通過將模型上對應(yīng)位置的坐標(biāo)值與實(shí)測坐標(biāo)值進(jìn)行對比檢查，最終得到的精度情況如表2所示。

表2 模型精度統(tǒng)計(jì)（單位/米）

檢查結(jié)果表明，兩類模型的位置精度均滿足對應(yīng)成果類型的精度要求。

3.3.2 形狀、紋理檢查

以傾斜影像和地面實(shí)地影像為依據(jù)，對模型的形狀和紋理進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)部分單體化模型存在的形狀取舍不當(dāng)、紋理錯(cuò)位等質(zhì)量問題，需要對質(zhì)量問題的模型進(jìn)行修改。

3.3.3 結(jié)合度檢查

在三維GIS中將單體化模型和連續(xù)三角面模型同時(shí)顯示，人工檢查兩類模型在地面的銜接位置，通過檢查發(fā)現(xiàn)部分區(qū)域存在兩類模型重疊過多或間隙過大等情況，需要對相應(yīng)的位置進(jìn)行修改處理。

經(jīng)過上述系列檢查處理后，整體數(shù)據(jù)成果質(zhì)量合格，表現(xiàn)質(zhì)量有顯著提高，局部場景成果如圖2所示。

圖2 模型組合顯示

4 結(jié)語

目前，城市實(shí)景三維成果存在一定的場景質(zhì)量和精度質(zhì)量問題，不能較好地滿足各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域的需求，因此，本文從實(shí)景三維的數(shù)據(jù)構(gòu)成、單體化生產(chǎn)、質(zhì)量檢查等方面提出了優(yōu)化改進(jìn)方法，通過連續(xù)三角面模型和單體化模型組合的構(gòu)成方式、點(diǎn)云輔助單體化的方式提高了模型的整體精度和三維展示效果，并進(jìn)一步采用完善的質(zhì)量檢查措施確保成果的整體質(zhì)量水平。在實(shí)踐中，以天府新區(qū)實(shí)景某三維生產(chǎn)項(xiàng)目為例，充分驗(yàn)證了此類措施的可行性和有效性，確保了項(xiàng)目的成果質(zhì)量，進(jìn)一步為實(shí)景三維成果的多領(lǐng)域應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。