三維數(shù)字化建模技術(shù)在數(shù)字城市建設(shè)中的應(yīng)用研究

王旭科

（蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術(shù)大學(xué)，甘肅 蘭州 730021）

0 引言

近年來，由新興測繪科學(xué)與技術(shù)發(fā)展而來的數(shù)字孿生、實景三維、元宇宙等成為數(shù)字城市建設(shè)的新興技術(shù)之一。自2021年自然資源部辦公廳印發(fā)《實景三維中國建設(shè)技術(shù)大綱（2021版）》（自然資辦發(fā)〔2021〕56號）以來，越來越多的城市和測繪地理信息行業(yè)上下游企業(yè)參與到“實景三維中國”的建設(shè)中［1］。數(shù)字孿生是指在數(shù)字虛擬化網(wǎng)絡(luò)空間中構(gòu)建與現(xiàn)實物理世界各環(huán)境元素映射相匹配的數(shù)字化、虛擬化鏡像城市，可用于城市治理與運(yùn)維，其底層數(shù)字基座就是相似度極高、虛擬仿真的實景三維場景。目前，地理信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展與研究的熱點(diǎn)之一便是著力提升城市級實景三維場景的生產(chǎn)建設(shè)效率、面積和精細(xì)程度［2］?；诤娇诊w行器搭載多鏡頭傳感器的低空傾斜攝影測量獲取的數(shù)字影像來構(gòu)建實景三維場景在我國被廣泛應(yīng)用，且有代替?zhèn)鹘y(tǒng)人工使用3ds Max手動方法進(jìn)行實景三維場景建設(shè)的趨勢，其是在同一飛行平臺上搭載多鏡頭可見光數(shù)碼相機(jī)，在同一個時刻和位置，從垂直和傾斜等不同角度進(jìn)行拍攝，來獲取反映地面實際情況的航空影像，在經(jīng)過實景三維建模軟件處理后可形成實景三維場景［3］。機(jī)載激光掃描技術(shù)是繼傾斜攝影測量后的一種主動發(fā)射多線程激光信號的非接觸式對地觀測新技術(shù)，不同于獲取的平面影像數(shù)據(jù)，其特點(diǎn)是受薄云薄霧、天氣光照等因素的影響小，具有高穿透性，能夠獲取被攝物體的三維坐標(biāo)，原始數(shù)據(jù)的精度高，且生產(chǎn)作業(yè)周期短［4］。本研究通過對多種實景數(shù)字化三維建模方法進(jìn)行對比，探索將機(jī)載激光掃描獲取的點(diǎn)云和傾斜攝影獲取的數(shù)字影像兩種異構(gòu)數(shù)據(jù)融合，用來構(gòu)建實景三維場景的方法，并闡述三維數(shù)字化建模的技術(shù)路線和生產(chǎn)流程，以期為相關(guān)工程項目提供技術(shù)參考。

1 數(shù)字化實景三維建模方法

用于生產(chǎn)三維場景的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)一般是擁有準(zhǔn)確地理位置信息的元數(shù)據(jù)，其生產(chǎn)流程隨著地理信息行業(yè)升級轉(zhuǎn)型和新技術(shù)、新工藝、新方法的出現(xiàn)而不斷升級更新。數(shù)字化實景三維建模方法有傳統(tǒng)的3ds Max手工建模、基于傾斜攝影測量的半自動人機(jī)交互建模、基于機(jī)載激光掃描的點(diǎn)云和傾斜攝影獲取的數(shù)字影像融合模型［5-6］。傳統(tǒng)3ds Max手工建模是使用3ds Max軟件來手工構(gòu)建模型，利用大比例數(shù)字線劃圖、低空垂直攝影測量來獲取影像，以及現(xiàn)場實景拍攝建筑物影像，在3ds Max軟件中，通過人工手動的方式來構(gòu)建白模、修飾圖片及紋理映射。基于傾斜攝影測量的半自動人機(jī)交互建模是利用低空傾斜攝影測量來獲取影像，并通過人機(jī)交互半自動建模軟件來完成建模。其數(shù)據(jù)源主要是機(jī)載的多鏡頭可見光相機(jī)對地觀測獲取的傾斜攝影影像，大多數(shù)情況下是一個垂直和多個傾斜角度的地表影像，結(jié)合人工布設(shè)的地面像片控制點(diǎn)，在人機(jī)交互半自動建模軟件中進(jìn)行三維建模與修飾。基于機(jī)載激光掃描的點(diǎn)云和傾斜攝影獲取的數(shù)字影像融合模型是通過機(jī)載激光掃描的點(diǎn)云與傾斜攝影測量獲取的數(shù)字影像融合模型。通過傾斜攝影測量獲取的影像在人機(jī)交互半自動建模時經(jīng)常會出現(xiàn)實景三維場景局部細(xì)節(jié)失真、變形或拉花等現(xiàn)象，通過增加機(jī)載激光掃描形成的點(diǎn)云數(shù)據(jù)能夠減少或消除上述現(xiàn)象，實現(xiàn)較為準(zhǔn)確的全自動或人機(jī)交互半自動提取地物（主要是指建筑物和構(gòu)筑物）的三維結(jié)構(gòu)模型，再利用傾斜攝影測量獲取自動提取地物頂部和側(cè)面紋理的影像，個別建筑物自遮蔽或因樹木遮擋的位置要結(jié)合圖形圖像處理軟件，在經(jīng)人工修飾后映射貼合在地物的三維結(jié)構(gòu)模型上。通過上述兩種技術(shù)互補(bǔ)融合，構(gòu)建的實景三維場景（模型）結(jié)構(gòu)更準(zhǔn)確、可視化效果更好、后期修復(fù)工作量更少。上述三種不同的建模方法特點(diǎn)的對比如表1所示。

表1 三維數(shù)字化建模技術(shù)對比表

2 技術(shù)路線設(shè)計

利用機(jī)載激光掃描的點(diǎn)云和傾斜攝影獲取的數(shù)字影像融合建模的技術(shù)路線可分為四個階段，分別是前期準(zhǔn)備階段、數(shù)據(jù)獲取和預(yù)處理階段、實景三維場景構(gòu)建階段以及實景三維場景質(zhì)檢與驗收階段。

2.1 前期準(zhǔn)備階段

前期準(zhǔn)備階段包括現(xiàn)場踏勘、收集測區(qū)資料、撰寫與審核技術(shù)設(shè)計書、準(zhǔn)備外場航攝。撰寫與審核技術(shù)設(shè)計書是整個項目前期準(zhǔn)備階段中非常重要的一項工作，涉及工作計劃、技術(shù)路線、作業(yè)要求、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)等多方面內(nèi)容。外場航攝是為了詳細(xì)了解測區(qū)的基本情況，勘定范圍邊界、獲取當(dāng)?shù)靥鞖忸A(yù)報、空域申請與批復(fù)等，以及檢查驗證機(jī)載、地面設(shè)備是否正常。

2.2 數(shù)據(jù)獲取和預(yù)處理階段

數(shù)據(jù)獲取和預(yù)處理階段包括低空機(jī)載激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理和傾斜攝影影像數(shù)據(jù)處理。機(jī)載激光點(diǎn)云預(yù)處理是通過算法對點(diǎn)云進(jìn)行識別分類，分為表示地面的點(diǎn)云和非地面的點(diǎn)云。地面點(diǎn)是生成數(shù)字高程模型的基礎(chǔ)，非地面點(diǎn)可用來生成建筑體框模型。傾斜攝影影像數(shù)據(jù)處理的核心是從多角度航攝影像里提取建筑物的頂部與側(cè)面紋理，通過編輯紋理數(shù)據(jù)（裁切、校正色彩）來生成建筑物體框模型的紋理貼圖。同時，篩選出變形失真、對焦模糊的不合格紋理對應(yīng)的位置，對這些位置進(jìn)行二次補(bǔ)攝。

2.3 實景三維場景構(gòu)建階段

實景三維場景構(gòu)建階段是利用第二階段生成的數(shù)字高程模型、建筑體框模型以及修正后的紋理，通過相應(yīng)算法進(jìn)行互補(bǔ)融合三維建模。

2.4 實景三維場景質(zhì)檢與驗收階段

實景三維場景質(zhì)檢與驗收階段主要是對位置精度、模型結(jié)構(gòu)、模型紋理和場景效果［5］四個方面進(jìn)行質(zhì)檢與驗收，對數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查元素進(jìn)行分解，可從以下6個角度進(jìn)行檢查：①坐標(biāo)參考系統(tǒng)（平面基準(zhǔn)、高程基準(zhǔn)和投影）；②位置準(zhǔn)確度（平面位置精度、高程精度）；③模型質(zhì)量（模型結(jié)構(gòu)質(zhì)量、圖像紋理質(zhì)量、地形地物質(zhì)量）；④邏輯性（輸出格式是否統(tǒng)一）；⑤場景效果（現(xiàn)狀是否完整，尺度是否協(xié)調(diào)，場景是否美觀）；⑥附件質(zhì)量（文檔是否齊全，元數(shù)據(jù)是否正確完整）。

3 數(shù)字化實景三維建模生產(chǎn)流程

3.1 分類機(jī)載激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)

機(jī)載掃描獲取的點(diǎn)云是制作數(shù)字高程模型和建筑體框模型的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。根據(jù)點(diǎn)云所反映的地物地形的位置與高程屬性，可將點(diǎn)云數(shù)據(jù)分為地面點(diǎn)和非地面點(diǎn)［6］。地面點(diǎn)反映現(xiàn)實世界地表的真實起伏形態(tài)，用來表示裸露地表或貼合在地面的點(diǎn)，如田埂、道路等；非地面點(diǎn)是沒有落在裸露地表的點(diǎn)，如電力線桿塔、路燈、建（構(gòu)）筑物等。機(jī)載激光掃描點(diǎn)云分類流程如圖1所示。

圖1 機(jī)載激光點(diǎn)云分類流程示意圖

3.2 生產(chǎn)數(shù)字高程模型

數(shù)字高程模型的生產(chǎn)流程可分為4步：機(jī)載激光點(diǎn)云分類、生成數(shù)字正射影像圖、找尋空間位置異常點(diǎn)、生成不規(guī)則三角網(wǎng)和生產(chǎn)DEM［7］。首先是預(yù)處理機(jī)載激光點(diǎn)云，并在分類后選取表示地面的點(diǎn)；其次是利用航攝軌跡、影像時間文件、航攝儀（航攝相機(jī)）檢校參數(shù)、定姿定位系統(tǒng)（IMU）數(shù)據(jù)等建立影像索引，生成數(shù)字正射影像圖；再次以數(shù)字地面模型為基礎(chǔ)，參照數(shù)字正射影像圖找尋空間位置異常點(diǎn)，對異常點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行人工修正；最后由預(yù)處理后的點(diǎn)云生成不規(guī)則三角網(wǎng)，以內(nèi)插法生成DEM。數(shù)字高程模型生產(chǎn)流程如圖2所示。

圖2 數(shù)字高程模型生產(chǎn)流程示意圖

3.3 生產(chǎn)建筑體框模型

建筑物體框模型是用矢量來表示建筑物的三維立體架構(gòu)，沒有紋理映射，只是建筑物的基礎(chǔ)“骨架”，通常也被稱為“白?！?。首先利用機(jī)載激光點(diǎn)云分類后的建筑物類點(diǎn)云、DOM、DLG來自動生成建筑物的粗略模型；其次參考DLG、機(jī)載激光點(diǎn)云和傾斜攝影影像，并用TerraSolid軟件的Terrascan模塊對點(diǎn)云濾波后進(jìn)行模型修正，包括修改部分粗模的位置、輪廓、形態(tài)和拓?fù)潢P(guān)系等，使之達(dá)到建筑物體框建模要求；最后是在傳統(tǒng)建模軟件3ds Max中優(yōu)化模型質(zhì)量。建筑體框模型成果如圖3所示。

圖3 建筑體框模型成果示意圖

3.4 提取傾斜影像紋理

傾斜影像可獲取建筑物、地面設(shè)施等實物的側(cè)面紋理，可有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)地面拍照存在的不足之處［8］。以搭載多鏡頭的索尼全畫幅相機(jī)進(jìn)行傾斜攝影為例，若航向重疊度大于60%，可在同一個地物上獲取8～10張有效的紋理影像；若重疊度在90%以上，可獲取20～25張有效的紋理影像。測區(qū)范圍內(nèi)有高大建筑物自身遮擋或互相遮擋時，仍須手動航拍隱蔽區(qū)域以及地面補(bǔ)拍受遮擋位置的紋理［9］。

3.5 紋理貼圖

為滿足建筑物的側(cè)面紋理映射的需求，首先要微調(diào)建筑物體框模型部分結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，如旋轉(zhuǎn)位置、去除冗余面、縮減模型數(shù)據(jù)量等［10］；其次是根據(jù)建筑物關(guān)鍵點(diǎn)（即標(biāo)志點(diǎn)），通過人工識別、匹配和裁剪傾斜影像的方式，來建立紋理映射關(guān)系索引；最后將裁剪勻色的紋理映射在三維建筑體框模型對應(yīng)的位置［11］。在批量自動化映射紋理完成后，若仍有變形、失真、拉花等現(xiàn)象或存在缺失的情況，則需要再次人工尋找標(biāo)志點(diǎn)，并重新匹配貼圖［12］。圖4是數(shù)字化實景三維場景成果示意圖。

圖4 數(shù)字化實景三維場景成果示意圖

4 數(shù)字化實景三維場景質(zhì)量檢查與核驗

4.1 質(zhì)量檢查

質(zhì)量檢查是檢查產(chǎn)品成果是否合格、優(yōu)劣與否的重要環(huán)節(jié)，質(zhì)量檢查要遵循三維地理信息模型成果的驗收規(guī)范［13］。質(zhì)檢內(nèi)容主要包括空中航攝質(zhì)量檢查、點(diǎn)云檢查、DEM高程精度檢查、空中三角測量加密成果檢查、建筑物體框模型位置精度檢查、傾斜影像紋理檢查以及實景三維場景效果檢查等［14］。表2是實景三維場景中建筑物體框模型檢查表。

4.2 內(nèi)外業(yè)核驗

野外實地現(xiàn)場和內(nèi)業(yè)成果的抽樣檢查是目前核驗實景三維場景模型的最普遍方法［15］。其中，外業(yè)檢查以檢查位置精度、模型紋理質(zhì)量和場景效果為主，內(nèi)業(yè)檢查主要對坐標(biāo)參考系統(tǒng)和邏輯性進(jìn)行檢查。本研究采用分層隨機(jī)抽樣法，抽取10個實景三維建筑物模型單元為樣本，在其中選取檢查點(diǎn)進(jìn)行檢測。采用樣本標(biāo)準(zhǔn)偏差來計算總體偏差值，計算公式見式（1）。

式中：Δ為標(biāo)準(zhǔn)偏差即中誤差；N為樣本總體數(shù)量；xi為第i個樣本對應(yīng)的平面坐標(biāo)x y和高程值z；xˉ為所選擇樣本對應(yīng)坐標(biāo)的均值。內(nèi)外業(yè)核驗包括建筑模型的平面位置和高程精度、道路模型和地面模型的高程精度。在野外作業(yè)時，可利用GNSS-RTK接收機(jī)和全站儀來采集檢查點(diǎn)的三維坐標(biāo)，內(nèi)業(yè)在數(shù)字化實景三維模型上選取特征點(diǎn)作為檢查點(diǎn)來采集xyz坐標(biāo)。經(jīng)過對比（見表3），建筑模型平面位置和高程的誤差≤±0.6 m，地面模型和道路模型的高程誤差≤±0.5 m，數(shù)字化實景三維場景主要模型中的建筑物、道路和地面模型成果位置精度滿足設(shè)計要求。

表3 實景三維場景建筑物模型精度評定表

在模型質(zhì)量方面，整體情況較好，建筑物模型未出現(xiàn)大面積變形、模糊、扭曲等現(xiàn)象。邏輯性方面也未發(fā)現(xiàn)問題，存儲與命名正確，輸出格式統(tǒng)一為OSGB。場景效果方面，發(fā)現(xiàn)邊緣空曠區(qū)域存在少量模型穿插、局部裂縫、面狀漏洞等問題。

5 結(jié)語

本研究通過將機(jī)載激光掃描的點(diǎn)云和傾斜攝影獲取的影像這兩種異構(gòu)數(shù)據(jù)融合來構(gòu)建三維數(shù)字化場景。參照模型質(zhì)量檢查表，可最大限度地還原實景三維數(shù)字化場景與現(xiàn)實物理世界的相似度，這是目前最適合建設(shè)數(shù)字化城市的三維數(shù)字化實景建模方法。但該方法也存在一些不足之處，一是野外航攝作業(yè)需要執(zhí)行兩次飛行任務(wù)。第一次是搭載激光雷達(dá)設(shè)備獲取點(diǎn)云，第二次是搭載多鏡頭傾斜相機(jī)來獲取多角度影像，因而增加了項目投入和建設(shè)成本；二是用獲取的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合建模的作業(yè)周期比傳統(tǒng)3ds Max手工建模要節(jié)省約20%～30%，但相比僅用傾斜影像的建模作業(yè)方式，在數(shù)據(jù)預(yù)處理、空三成果融合、人機(jī)交互等環(huán)節(jié)比較耗時，使得總計建模周期增加約50%。因此，在構(gòu)建數(shù)字化實景三維場景時，需要綜合考慮項目周期、作業(yè)效率和成本投入等因素，來選擇均衡、適合的三維數(shù)字化建模方式。