實(shí)景三維山東建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)研究

凌曉春,張金盈，楊金鳳，于倩，劉現(xiàn)印，鄭偉安，朱豐琪

(山東省國土測(cè)繪院，山東 濟(jì)南 250102)

0 引言

隨著測(cè)繪地理信息融入自然資源業(yè)務(wù)后，要求加快基礎(chǔ)測(cè)繪轉(zhuǎn)型升級(jí)，加快構(gòu)建新型基礎(chǔ)測(cè)繪體系，盡快建成實(shí)景三維中國，不斷增強(qiáng)測(cè)繪地理信息公共服務(wù)能力。實(shí)景三維能夠真實(shí)、立體、時(shí)序化反映人類生產(chǎn)生活和生態(tài)空間的時(shí)空信息，實(shí)景三維山東是數(shù)字山東建設(shè)的三維空間基底，是數(shù)字強(qiáng)省建設(shè)的基礎(chǔ)支撐，2023年要建成全省高分辨率、高精度地形級(jí)實(shí)景三維及16設(shè)區(qū)市和50%的縣(市)城鎮(zhèn)開發(fā)邊界范圍內(nèi)城市級(jí)實(shí)景三維，2025年建成城鄉(xiāng)統(tǒng)籌、陸海一體、水上水下、地上地下一體的實(shí)景三維山東。

國內(nèi)外對(duì)于實(shí)景三維建設(shè)處于理論探索和實(shí)踐研究階段，張帆、王維等人分別研究實(shí)景三維的概念、特點(diǎn)和構(gòu)成[1-2]，肖建華闡述了城市級(jí)實(shí)景三維的建設(shè)內(nèi)容、建設(shè)指標(biāo)和建設(shè)路徑[3]，魏金明、王文敏、范攀峰等人分別介紹了當(dāng)前主流軟件基于傾斜攝影數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)景三維建模的作業(yè)流程[4-6]，李鵬鵬、田鴿、黎娟、徐敬海等人從不同角度探索了以實(shí)景三維為核心實(shí)現(xiàn)與二維基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)、多源三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)、地面近景攝影數(shù)據(jù)、BIM模型數(shù)據(jù)、土地資源管理數(shù)據(jù)等多維度空間數(shù)據(jù)的融合、可視化、屬性映射和應(yīng)用問題[7-10]，周杰、連蓉、潘九寶、劉增良、陳志華等人分別研究了采用傾斜攝影測(cè)量方法進(jìn)行城市地區(qū)實(shí)景三維模型構(gòu)建時(shí)的影像匹配、建模流程、模型修復(fù)和精細(xì)化處理等關(guān)鍵技術(shù)[11-15]，陳思、孫松梅、黃文誠、郭如寶、席敏哲、陳良超等人更進(jìn)一步的研究了實(shí)景三維模型單體化建模的技術(shù)方法，介紹了物理單體化和邏輯單體化兩種技術(shù)路線，實(shí)現(xiàn)了單體模型與屬性信息的關(guān)聯(lián)[16-21]，張?zhí)枴⒃隽嫉热藦膶?shí)景三維成果的位置精度、模型紋理、模型結(jié)構(gòu)、模型完整性等方面設(shè)計(jì)了質(zhì)量檢查元素和技術(shù)指標(biāo)，并對(duì)實(shí)際案例進(jìn)行了成果評(píng)價(jià)[22-23]。以上研究主要集中在城市這一量級(jí)的實(shí)景三維產(chǎn)品的獲取與生產(chǎn)，單體化還是局限于人工手段為主，對(duì)于更大范圍的實(shí)景三維數(shù)據(jù)的構(gòu)建方式、成果管理模式和應(yīng)用展示效率的研究并不深入。

山東省地處中國東部沿海，面積約15.8萬km2，山東地形中部突起，為魯中南山地丘陵區(qū)，東部半島大都是起伏和緩的波狀丘陵區(qū)，西部、北部是黃河沖積而成的魯西北平原區(qū)，整體地形如圖1所示。本文以山東省全域?yàn)檠芯繀^(qū)域，探索采用DOM+DEM和多類型影像融合建模兩種技術(shù)路線生產(chǎn)實(shí)景三維山東數(shù)據(jù)，突破超大體量實(shí)景三維數(shù)據(jù)快速服務(wù)發(fā)布與高效渲染等關(guān)鍵技術(shù)，研究了實(shí)景三維數(shù)據(jù)物理單體化和邏輯單體化兩種批量自動(dòng)單體化和屬性關(guān)聯(lián)融合的技術(shù)手段，融入實(shí)時(shí)視頻和傳感器等各類物聯(lián)感知信息，實(shí)現(xiàn)“二三維、動(dòng)靜態(tài)、地上下、室內(nèi)外、水上下、陸海島”數(shù)據(jù)的一體化融合，提升實(shí)景三維山東成果的可用性。

圖1 山東省地形概略圖及局部實(shí)景三維模型

1 實(shí)景三維構(gòu)建技術(shù)路線

實(shí)景三維包括地形級(jí)實(shí)景三維、城市級(jí)實(shí)景三維和部件級(jí)實(shí)景三維，根據(jù)區(qū)域不同、精細(xì)程度要求不同，選擇不同的建設(shè)方式。

(1)基于常規(guī)航攝與數(shù)字高程模型疊加的實(shí)景三維構(gòu)建。利用航空攝影平臺(tái)搭載常規(guī)數(shù)字航攝儀獲取大重疊度航空影像，完成對(duì)原始航空影像及其POS數(shù)據(jù)的預(yù)處理與質(zhì)量檢查工作。預(yù)處理后的航空影像及對(duì)應(yīng)POS數(shù)據(jù)，經(jīng)同名點(diǎn)匹配、空中三角解算、點(diǎn)云密集匹配、點(diǎn)云濾波及去噪，生成數(shù)字表面模型；利用數(shù)字表面模型構(gòu)TIN網(wǎng)，經(jīng)紋理映射及模型修補(bǔ)，生成實(shí)景三維模型，可根據(jù)需求生產(chǎn)DSM/DEM、TDOM/DOM，制作元數(shù)據(jù)，并完成數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)價(jià)。數(shù)據(jù)處理技術(shù)流程如圖2所示。

圖2 大重疊度常規(guī)航攝數(shù)據(jù)處理技術(shù)流程圖

(2)基于傾斜攝影實(shí)景三維構(gòu)建。 利用航空攝影平臺(tái)搭載傾斜數(shù)字航攝儀獲取傾斜影像，完成對(duì)原始航空影像及POS數(shù)據(jù)的預(yù)處理與質(zhì)量檢查工作。預(yù)處理后的傾斜影像，經(jīng)同名點(diǎn)匹配、空中三角解算、點(diǎn)云密集匹配、點(diǎn)云濾波及去噪、三角網(wǎng)構(gòu)建、紋理映射及模型修補(bǔ)，生成實(shí)景三維模型，自動(dòng)生成DSM、TDOM，制作元數(shù)據(jù)，并完成數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)價(jià)。數(shù)據(jù)處理流程如圖3所示。

圖3 傾斜航空攝影三維建模數(shù)據(jù)處理流程圖

(3)基于傾斜攝影三維模型精細(xì)化及單體化。 利用傾斜攝影生產(chǎn)的三維模型，在此基礎(chǔ)上對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行精細(xì)化處理，對(duì)傾斜攝影場(chǎng)景數(shù)據(jù)中的地形、交通、水系、植被等按照數(shù)據(jù)層級(jí)及精細(xì)度進(jìn)行精細(xì)化修整，對(duì)地物進(jìn)行單體化重構(gòu)，重新生成實(shí)景三維模型和單體化模型并完成數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)價(jià)。

(4)模型構(gòu)建效果分析。 選擇濟(jì)南、滕州、壽光和高密分別采用以上三種方式進(jìn)行實(shí)景三維模型構(gòu)建，數(shù)據(jù)獲取與處理情況如表1—表3所示，實(shí)景三維效果如圖4—圖6所示。

表1 影像獲取與處理情況

數(shù)據(jù)處理后各測(cè)區(qū)連接點(diǎn)對(duì)最近野外控制點(diǎn)平面位置與高程中誤差統(tǒng)計(jì)如表2所示，最終模型成果檢測(cè)精度統(tǒng)計(jì)如表3所示。

表2 連接點(diǎn)對(duì)最近野外控制點(diǎn)平面位置與高程中誤差

表3 三維模型平面與高程精度中誤差

圖4 地形級(jí)實(shí)景三維構(gòu)建效果對(duì)比(a—濟(jì)南0.2m常規(guī)航攝；b—滕州0.2m傾斜航攝；c—壽光0.15m傾斜航攝)

圖5 低矮房屋實(shí)景三維模型構(gòu)建效果對(duì)比(a—濟(jì)南0.2m常規(guī)航攝；b—滕州0.2m傾斜航攝；c—壽光0.15m傾斜航攝)

圖6 城市地區(qū)建筑物實(shí)景三維構(gòu)建效果對(duì)比(a—濟(jì)南0.2m常規(guī)航攝；b—滕州0.2m傾斜航攝；c—壽光0.15m傾斜航攝)

由圖4可知，在城市外圍區(qū)域采用兩種技術(shù)路線制作的地形級(jí)實(shí)景三維效果基本相同，均能較好的反映出地形地貌的細(xì)節(jié)特征。

由圖5可知,在城市外圍區(qū)域利用0.2m影像采用常規(guī)航攝與數(shù)字高程模型疊加方式在基于傾斜攝影方式制作的低矮房屋實(shí)景三維模型的立體效果較差，無法正確反應(yīng)建筑的高度與形狀，存在較多側(cè)面紋理缺失和拉花現(xiàn)象；但利用0.15m影像采用基于傾斜攝影方式制作的低矮房屋實(shí)景三維，能夠較好的恢復(fù)模型立體效果，放大后僅存在少量的紋理缺失和拉花現(xiàn)象。

由圖6可知,在城市地區(qū)利用0.2m影像采用常規(guī)航攝與數(shù)字高程模型疊加方式和基于傾斜攝影方式制作的低矮房屋實(shí)景三維模型，均能較好的恢復(fù)模型立體效果，但放大后存在側(cè)面紋理缺失、拉花現(xiàn)象明顯等問題；利用0.15m影像采用基于傾斜攝影方式制作的較高建筑實(shí)景三維模型，能夠較好的恢復(fù)模型立體效果，放大后也無明顯的紋理缺失和拉花現(xiàn)象。

2 實(shí)景三維山東建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)

通過試驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)景三維山東建設(shè)時(shí)，總體上利用0.2m常規(guī)航攝影像采用常規(guī)航攝與數(shù)字高程模型疊加方式進(jìn)行實(shí)景三維構(gòu)建。同時(shí)，融合各市城鎮(zhèn)空間范圍內(nèi)更高分辨率傾斜影像制作的實(shí)景三維數(shù)據(jù)，共同構(gòu)成覆蓋全省域的實(shí)景三維山東數(shù)據(jù)庫。并在以下方面進(jìn)行關(guān)鍵技術(shù)探索，實(shí)現(xiàn)超大范圍、超大體量實(shí)景三維數(shù)據(jù)的高效管理、展示與應(yīng)用。

2.1 多源數(shù)據(jù)聯(lián)合建模技術(shù)

主要包括傾斜影像、機(jī)載激光點(diǎn)云、地面激光點(diǎn)云、街景影像等空地多源數(shù)據(jù)融合建模。其中：機(jī)載傾斜攝影數(shù)據(jù)與機(jī)載Lidar點(diǎn)云融合，利用空三加密后的傾斜影像數(shù)據(jù)與編輯分類后的點(diǎn)云進(jìn)行坐標(biāo)信息匹配和融合平差，確保兩者精度一致性，從而獲取建筑物、地形、植被、水系等地理實(shí)體的三維模型[24]；傾斜攝影與地面近景攝影制作的三維模型融合，利用尺度不變特征變換SIFT、分層K-means算法和特征匹配、核線幾何約束關(guān)系匹配，解決空地傾斜影像變形大、匹配困難問題，利用計(jì)算機(jī)視覺領(lǐng)域的Structure From Motion技術(shù)(SFM)與攝影測(cè)量空三加密技術(shù)，解決傾斜影像與地面物體之間的嚴(yán)格幾何定位問題，從而實(shí)現(xiàn)兩者精準(zhǔn)融合；空地多源點(diǎn)云融合建模，利用基于點(diǎn)云并顧及影像信息的三維TIN精細(xì)幾何模型構(gòu)建技術(shù)，采用“先分塊后融合”方式，完成大區(qū)域機(jī)載密集點(diǎn)云和地面激光點(diǎn)云自動(dòng)構(gòu)建子網(wǎng)格真三維TIN，再融合恢復(fù)原始實(shí)體的表面形狀，獲取真實(shí)的三維表面模型，最后通過定位、角度、面積優(yōu)選等篩選方式自動(dòng)疊加紋理，構(gòu)建實(shí)景三維模型。

2.2 模型輕量化技術(shù)

輕量化技術(shù)是指在實(shí)景三維數(shù)據(jù)發(fā)布過程中，保證數(shù)據(jù)顯示效果的基礎(chǔ)上，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行多細(xì)節(jié)層次構(gòu)建、幾何結(jié)構(gòu)概化等處理的過程，達(dá)到減少數(shù)據(jù)體量的目的。實(shí)景三維數(shù)據(jù)的輕量化處理方法包括：一是通過文件編碼和組織方式上對(duì)三維模型進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮；二是在保證原始模型特征的前提下，采用幾何元素刪除法和頂點(diǎn)聚類法等方法盡可能減少頂點(diǎn)及三角形數(shù)據(jù)，對(duì)原始模型保留完整的輪廓的同時(shí)減掉多余的面，或是對(duì)原模型保留完整的輪廓重構(gòu)新模型進(jìn)行減面處理，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)格模型的簡(jiǎn)化處理。三是利用實(shí)景三維數(shù)據(jù)構(gòu)建輕量化點(diǎn)云模型，通過場(chǎng)景可視化渲染實(shí)現(xiàn)紋理疊加，基于四叉樹與局部自適應(yīng)KD樹混合的數(shù)據(jù)組織與管理方法，解決點(diǎn)云數(shù)據(jù)與實(shí)景三維數(shù)據(jù)協(xié)同調(diào)度問題。

2.3 分布式存儲(chǔ)與渲染技術(shù)

為了更好地解決用戶對(duì)空間數(shù)據(jù)即時(shí)更新、即時(shí)發(fā)布、高效瀏覽的要求，通過采用大數(shù)據(jù)分布式技術(shù)，有效地整合了分布式存儲(chǔ)、矢量金字塔、分布式渲染、自動(dòng)緩存等一套高新技術(shù)，打造出高性能分布式地圖渲染技術(shù)方案[25]。分布式存儲(chǔ)技術(shù)可有效解決傳統(tǒng)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫在超大規(guī)模數(shù)據(jù)管理方面的局限性，具有模塊化的設(shè)計(jì)，支持水平擴(kuò)展和自動(dòng)表分片，以及不同區(qū)域服務(wù)器之間的自動(dòng)故障轉(zhuǎn)移。矢量金字塔技術(shù)是通過對(duì)矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行多尺度分割，獲得一系列以金字塔形狀排列的數(shù)據(jù)精度逐步降低的數(shù)據(jù)集合，金字塔底部是矢量數(shù)據(jù)原始層級(jí)，而頂部是矢量數(shù)據(jù)的低精度近似表達(dá)，解決海量矢量數(shù)據(jù)在小比例尺秒級(jí)顯示的難題。分布式渲染技術(shù)支持免切片直接發(fā)布海量數(shù)據(jù)服務(wù)，實(shí)現(xiàn)在服務(wù)端將請(qǐng)求的矢量瓦片的渲染任務(wù)分解，交由多個(gè)進(jìn)程同步執(zhí)行或?qū)⒎謮K渲染任務(wù)發(fā)送給集群子節(jié)點(diǎn)分別執(zhí)行。自動(dòng)緩存技術(shù)是通過對(duì)用戶瀏覽的數(shù)據(jù)進(jìn)行無感自動(dòng)緩存的方式，當(dāng)再次瀏覽該區(qū)域的數(shù)據(jù)時(shí)，服務(wù)端無需再次渲染數(shù)據(jù)，直接顯示緩存結(jié)果，進(jìn)一步提升大規(guī)模高并發(fā)下的客戶端地圖訪問效率。通過以上技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)億級(jí)數(shù)據(jù)在Web端具有良好的瀏覽體驗(yàn)，刷新響應(yīng)時(shí)間達(dá)到秒級(jí)。

2.4 物聯(lián)感知數(shù)據(jù)融合

物聯(lián)感知數(shù)據(jù)與實(shí)景三維數(shù)據(jù)的融合，是指將視頻實(shí)時(shí)信號(hào)、大氣監(jiān)測(cè)等各類傳感器與實(shí)景三維場(chǎng)景結(jié)合起來，按照物聯(lián)感知設(shè)備的實(shí)際位置和覆蓋范圍形成的巨大網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)感知設(shè)備屬于感知層，數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)屬于網(wǎng)絡(luò)層，實(shí)景三維場(chǎng)景屬于應(yīng)用層，為所有的物聯(lián)感知設(shè)備提供統(tǒng)一的空間平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)直觀、快速的對(duì)五連對(duì)象的定位、追蹤、查詢和控制。物聯(lián)感知數(shù)據(jù)與實(shí)景三維的融合即為流數(shù)據(jù)處理過程，包括：流數(shù)據(jù)接入、流數(shù)據(jù)分析處理、流數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、流數(shù)據(jù)輸出和流數(shù)據(jù)可視化等環(huán)節(jié)。流數(shù)據(jù)接入要求針對(duì)各類物聯(lián)感知數(shù)據(jù)提供不同數(shù)據(jù)格式的解析能力和多種傳輸協(xié)議的處理能力，同時(shí)可以將解析和傳輸進(jìn)行組裝實(shí)現(xiàn)可變換的接收器；流數(shù)據(jù)分析處理是指對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行屬性過濾、空間過濾，設(shè)計(jì)變換器函數(shù)進(jìn)行流數(shù)據(jù)日常管理；流數(shù)據(jù)存儲(chǔ)是指依托分布式流數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)對(duì)流數(shù)據(jù)高效實(shí)時(shí)搜索、歷史存檔數(shù)據(jù)軌跡回放和時(shí)間軸播放等；流數(shù)據(jù)輸出是指在應(yīng)用端動(dòng)態(tài)跟蹤相關(guān)目標(biāo)，通過輸出連接器以消息方式或WebSocket方式將流數(shù)據(jù)輸出；流數(shù)據(jù)可視化是指將流數(shù)據(jù)輸出接入到應(yīng)用端實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示，用戶可以直觀的查看任意時(shí)刻某一物聯(lián)感知數(shù)據(jù)的運(yùn)行位置狀態(tài)。

2.5 批量自動(dòng)單體化

單體化是指從實(shí)景三維數(shù)據(jù)中的特定地物(如建筑、道路等)根據(jù)需求分割為獨(dú)立的對(duì)象，加載屬性信息后進(jìn)行查詢分析，包括物理單體化、邏輯單體化(標(biāo)簽單體化)兩種方式。物理單體化是對(duì)實(shí)景三維模型進(jìn)行物理切割，獲得獨(dú)立的實(shí)體三維模型，其屬性查詢有兩種方式：一是在切割過程中將實(shí)景三維模型存儲(chǔ)為支持可擴(kuò)展的語義結(jié)構(gòu)模型格式(3DML、M3D)，可對(duì)各個(gè)幾何面進(jìn)行單獨(dú)選擇，賦予屋檐高度、房頂方向、房頂面積等屬性信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)切割后的幾何體的各個(gè)面的單獨(dú)選擇、查詢、修改等；二是通過地理實(shí)體編碼與屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)屬性查詢。邏輯單體化(標(biāo)簽單體化)是通過點(diǎn)云或已有二維矢量面等矢量數(shù)據(jù)構(gòu)建一個(gè)與實(shí)景三維模型外圍輪廓一致的封閉的透明矢量體附著到實(shí)景三維數(shù)據(jù)上，通過設(shè)置屬性項(xiàng)、疊加紋理等方式達(dá)到單體查詢顯示效果。邏輯單體模型分為三個(gè)等級(jí)：只表達(dá)外圍輪廓結(jié)構(gòu)的為簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)語義模型，表達(dá)出房屋頂部結(jié)構(gòu)的為標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)語義模型，表達(dá)出房屋側(cè)面細(xì)部結(jié)構(gòu)的為精細(xì)結(jié)構(gòu)語義模型。

3 結(jié)語

通過探索實(shí)景三維數(shù)據(jù)生產(chǎn)路線與應(yīng)用需求，建成實(shí)景三維山東，具備以下特點(diǎn)：

(1)在農(nóng)業(yè)和生態(tài)空間適宜采用常規(guī)航攝和數(shù)字高程模型疊加制作地形級(jí)實(shí)景三維，與采用傾斜攝影方式制作的實(shí)景三維效果差異不大。在城鎮(zhèn)開發(fā)邊界范圍內(nèi)更適合采用傾斜攝影方式構(gòu)建城市級(jí)實(shí)景三維，可以更精細(xì)的表達(dá)建筑的側(cè)面紋理。實(shí)景三維山東建設(shè)過程中，在農(nóng)業(yè)和生態(tài)空間采用常規(guī)航攝和數(shù)字高程模型疊加構(gòu)建實(shí)景三維的方式，在城鎮(zhèn)空間更多的是融合各市基于傾斜攝影方式構(gòu)建的實(shí)景三維模型。

(2)實(shí)景三維山東建設(shè)過程中需要統(tǒng)籌省級(jí)0.5m、0.2m影像疊加1m格網(wǎng)間距DEM的實(shí)景三維模型、實(shí)現(xiàn)優(yōu)于0.05m傾斜攝影模型、MESH模型、機(jī)載三維點(diǎn)云、地面近景照片、水下地形、地下空間等多類型、多尺度、多來源數(shù)據(jù)的融合，形成地上地下、水上水下、陸地海洋一體化立體覆蓋。

(3)為更好的開展實(shí)景三維山東建設(shè)和持續(xù)更新，需充分結(jié)合“國家新型基礎(chǔ)測(cè)繪體系建設(shè)山東試點(diǎn)”，建立省市縣協(xié)同生產(chǎn)的組織管理體系，制定省級(jí)與市、縣級(jí)按區(qū)域協(xié)同更新工作方案，明確省、市、縣各級(jí)工作內(nèi)容和工作邊界；建立基于行業(yè)數(shù)據(jù)統(tǒng)籌共享的整合更新、互聯(lián)網(wǎng)眾源測(cè)繪數(shù)據(jù)獲取與處理、基于變化快速發(fā)現(xiàn)的動(dòng)態(tài)更新等數(shù)據(jù)更新模式。

(4)在自然資源系統(tǒng)內(nèi)部，實(shí)景三維山東將作為自然資源三維立體時(shí)空數(shù)據(jù)庫自然資源“一張圖”的時(shí)空基底，服務(wù)國土空間規(guī)劃、自然資源確權(quán)登記、耕地保護(hù)等業(yè)務(wù)，高質(zhì)量賦能自然資源管理；在行業(yè)社會(huì)層面，實(shí)景三維山東將為城市精細(xì)化管理、碳匯監(jiān)測(cè)體系構(gòu)建，以及黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展等重大戰(zhàn)略提供數(shù)據(jù)支撐。