城市實(shí)景三維模型精度評價(jià)分析

◎ 譚盛輝，湯明亮

廣西地圖院，廣西 南寧 530023

2018 年以來廣西自然資源廳持續(xù)開展實(shí)景三維地理信息數(shù)據(jù)生產(chǎn)項(xiàng)目，通過無人機(jī)和通航飛機(jī)，利用傾斜攝影技術(shù)對廣西主要城市建成區(qū)進(jìn)行實(shí)景三維建模。2021 年自然資源部發(fā)布了《實(shí)景三維中國建設(shè)技術(shù)大綱（2021 版）》（以下簡稱《技術(shù)大綱》），指出實(shí)景三維中國的建設(shè)是落實(shí)數(shù)字中國、平安中國、數(shù)字經(jīng)濟(jì)戰(zhàn)略的重要舉措，是落實(shí)國家新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的具體部署，也是服務(wù)生態(tài)文明建設(shè)和經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的基礎(chǔ)支撐。2022 年2 月自然資源部印發(fā)《全面推進(jìn)實(shí)景三維中國建設(shè)》的通知，闡明了建設(shè)實(shí)景三維中國的具體內(nèi)容，并為項(xiàng)目建設(shè)指明了方向和劃定了步驟。研究小組通過崇左市實(shí)景三維模型生產(chǎn)項(xiàng)目的一些幾何精度計(jì)算以及紋理效果分析，對比《技術(shù)大綱》的要求，分析影響實(shí)景三維模型精度的因素和其成果在新型基礎(chǔ)測繪中的實(shí)用性。

1 項(xiàng)目基本情況

1.1 項(xiàng)目主要技術(shù)參數(shù)

崇左市實(shí)景三維數(shù)據(jù)生產(chǎn)項(xiàng)目是利用無人機(jī)搭載5 鏡頭傾斜相機(jī)對崇左市建成區(qū)范圍約60 km2進(jìn)行傾斜攝影數(shù)據(jù)獲取、像控點(diǎn)測量、實(shí)景三維模型建設(shè)和重要建筑物的單體化建模等。坐標(biāo)系統(tǒng)采用2000 國家大地坐標(biāo)系，高程采用1985 國家高程基準(zhǔn)，其中垂直影像地面分辨率為0.02 m，航飛的重疊度為航向80%，旁向70%，共獲取照片約58 萬張，布設(shè)相控點(diǎn)243 個，檢查點(diǎn)70 個。

1.2 項(xiàng)目技術(shù)路線

項(xiàng)目建設(shè)基于無人機(jī)航攝獲取的多視影像，創(chuàng)建真實(shí)、完整、高精度的實(shí)景三維模型。即以傾斜攝影影像為基礎(chǔ)，經(jīng)過空三加密處理后，生成測區(qū)整體的實(shí)景三維場景模型，在此基礎(chǔ)上，通過三維建模軟件對場景模型進(jìn)行修飾，完成三維模型生產(chǎn)。對于近地面受遮擋或航攝影像無法表現(xiàn)出相應(yīng)等級模型所需細(xì)節(jié)等情況的，可通過人工補(bǔ)拍獲取重點(diǎn)建筑物底層清晰紋理，靈活獲取更為詳細(xì)的建筑信息[1]?？傮w技術(shù)流程如圖1 所示。

圖1 實(shí)景三維數(shù)據(jù)生產(chǎn)技術(shù)流程圖

2 實(shí)景三維成果數(shù)學(xué)精度評價(jià)

國家對實(shí)景三維模型產(chǎn)品沒有具體的技術(shù)規(guī)范和驗(yàn)收的技術(shù)方法，由于實(shí)景三維模型是一個多維度的產(chǎn)品，所以不能單純采取像地形圖一樣計(jì)算地物投影到地面同名點(diǎn)的誤差來確定其數(shù)學(xué)精度。該項(xiàng)目傾斜攝影三維模型的分辨率達(dá)到0.02 m，對照《技術(shù)大綱》中“實(shí)景三維建設(shè)內(nèi)容指標(biāo)表”對城市建成區(qū)及其他重點(diǎn)區(qū)域分辨率＞ 0.05 m、部件級分辨率＞0.03 m 的指標(biāo)要求，該項(xiàng)目滿足城市級和部件級三維模型的要求。研究小組將檢測點(diǎn)設(shè)置在地面、樓頂、墻面等位置，采取了對像控點(diǎn)、檢查點(diǎn)以及地物點(diǎn)實(shí)地采集和模型上量測進(jìn)行對比的方法，評價(jià)實(shí)景三維模型的數(shù)學(xué)精度。

2.1 控制點(diǎn)精度計(jì)算

該項(xiàng)目共布設(shè)控制點(diǎn)243 個，分布均勻，除城區(qū)內(nèi)陡石山體，控制點(diǎn)覆蓋面積約70 km2，平均每平方千米布設(shè)3～4 個點(diǎn)，點(diǎn)位設(shè)在明顯且相對穩(wěn)定的地物標(biāo)志上，小部分控制點(diǎn)選取航飛前布置的地面標(biāo)靶，實(shí)景三維模型有效范圍約60 km2[2]。

像控點(diǎn)按測量坐標(biāo)展點(diǎn)在生成的實(shí)景三維模型上，在實(shí)景三維模型上對像控點(diǎn)標(biāo)志進(jìn)行測量，并進(jìn)行誤差計(jì)算，得到控制點(diǎn)坐標(biāo)平面中誤差為0.021 m，高程中誤差為0.031 m。其中平面最大誤差為0.049 m，位于花圃轉(zhuǎn)角；高程最大誤差為0.099 m，位于人行道轉(zhuǎn)角。該精度滿足大比例尺測圖以及高精度模型的控制測量指標(biāo)要求。

2.2 地物點(diǎn)精度計(jì)算

研究小組在控制點(diǎn)精度滿足設(shè)計(jì)要求的基礎(chǔ)上，對地物點(diǎn)進(jìn)行精度檢測。檢查點(diǎn)為航飛前布置在地面的標(biāo)志點(diǎn)，地物點(diǎn)選取地面、樓頂房角、墻面標(biāo)志等多個位置，主要通過RTK和全站儀對布設(shè)的地物點(diǎn)進(jìn)行實(shí)地采集與實(shí)景三維模型上量測的對應(yīng)點(diǎn)位進(jìn)行比較。其中，不同類型的檢測點(diǎn)單獨(dú)進(jìn)行誤差計(jì)算，誤差計(jì)算結(jié)果如表1 所示。

表1 檢查點(diǎn)、地物點(diǎn)誤差統(tǒng)計(jì)表

地物點(diǎn)中誤差計(jì)算結(jié)果顯示，地物點(diǎn)整體精度處于一個比較高的水平，但是把地物點(diǎn)按三維位置重新分類計(jì)算后，研究小組發(fā)現(xiàn)樓頂房角點(diǎn)的誤差相對較大，墻面標(biāo)志點(diǎn)精度較地面點(diǎn)有所下降，平面最大誤差為0.206 m，高程最大誤差為0.240 m，是高層建筑的樓頂房角點(diǎn)的同一點(diǎn)。

2.3 單體化模型精度比較

該項(xiàng)目對重點(diǎn)建筑進(jìn)行了模型單體化，利用建模軟件通過人機(jī)交互的方式進(jìn)行了精細(xì)建模。三維模型成果為修飾基礎(chǔ)上踏平相應(yīng)建筑物并與單體化模型融合的實(shí)景三維場景模型。此次研究還對比了同一單體化模型和mesh模型的幾何精度，單體化模型的幾何精度較mesh 模型有一定提高。

2.4 模型數(shù)學(xué)精度分析

從上述精度檢核結(jié)果可知，由于控制點(diǎn)參與了空三加密的平差，所以模型上的點(diǎn)位與實(shí)地坐標(biāo)的誤差較小?？刂泣c(diǎn)最大高程誤差出現(xiàn)在人行道拐角，經(jīng)檢核，該點(diǎn)實(shí)測點(diǎn)位為人行道下方，刺點(diǎn)點(diǎn)位為人行道上，重新量測后高程誤差為0.021 m。由此可見，個別控制點(diǎn)誤差對整個實(shí)景三維模型精度影響不大。

檢查點(diǎn)和實(shí)測的地物點(diǎn)沒有參與模型生產(chǎn)的平差計(jì)算，其誤差更能體現(xiàn)該模型的整體精度水平。對比檢查點(diǎn)和地物點(diǎn)的誤差值，整體中誤差比控制點(diǎn)的誤差結(jié)果高。檢測地物點(diǎn)的最大平面誤差和高程誤差出現(xiàn)在一棟高層建筑頂樓房角同一點(diǎn)位，誤差均超過了0.2 m。觀察其他地物點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)位于地面的標(biāo)志物無論是平面誤差或是高程誤差都相對較小，位于建筑物上的檢查點(diǎn)誤差相對較大，且高程誤差在同一區(qū)域呈線性變化，即建筑越高，其高程誤差相對越大。

單體化模型通過人機(jī)交互的方式建成，對mesh 模型中的一些建筑漏洞、殘缺和變形部分進(jìn)行了修正，故單體化模型較mesh 模型的精度有所提升。此次研究還發(fā)現(xiàn)模型中高密度植被覆蓋區(qū)域的地面高程較難獲取，如林地、甘蔗地等，研究區(qū)以城市為主，計(jì)算數(shù)學(xué)精度時(shí)主要選取城市中的主要地物進(jìn)行計(jì)算。

3 實(shí)景三維模型紋理精度分析

實(shí)景三維模型除了有高精度的位置信息，還具有豐富的輪廓和紋理信息，場景、建筑和真實(shí)世界高度一致。高分辨率的實(shí)景三維模型能把更多的信息還原到計(jì)算機(jī)中，供用戶使用。紋理的完整性和清晰度直接影響到模型中要素的豐富程度，該項(xiàng)目模型的分辨率達(dá)到0.02 m，研究小組對照《技術(shù)大綱》中基礎(chǔ)地理實(shí)體和大比例尺地形圖采集規(guī)范中的要素要求，分析一些主要地理實(shí)體在實(shí)景三維模型上的效果。

（1）水系實(shí)體。自然河流、湖泊、水庫的邊線明晰；水壩、水閘等大型構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)完整；涵洞等小型位置明顯，走向清晰。各類要素均滿足高精度地理信息數(shù)據(jù)要素采集的要求。大面積水面建模效果較差，mesh 模型水面不完整或?yàn)槁┒础?/p>

（2）交通實(shí)體。從內(nèi)部道路到高速鐵路各等級道路的邊線和走向都清晰可見，道路材質(zhì)也能通過色彩和紋理判別；橋梁結(jié)構(gòu)完整，隧道進(jìn)出口位置明確，核心要素的各類信息滿足采集的需求；部分區(qū)域出現(xiàn)道路路面扭曲、不平整的現(xiàn)象。

（3）建筑物及場地設(shè)施實(shí)體。實(shí)景三維模型完整地展現(xiàn)了各類大小型建筑物和場地的結(jié)構(gòu)、范圍、材質(zhì)等信息。模型＞0.5 m 的獨(dú)立結(jié)構(gòu)呈立體顯示并能滿足采集的要求。高層建筑容易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)缺失，弱紋理結(jié)構(gòu)（玻璃幕墻、大面積純色構(gòu)筑物）容易出現(xiàn)漏洞，建筑物隱蔽部分和底部商鋪結(jié)構(gòu)不完整。

（4）管線實(shí)體。模型中絕大部分區(qū)域能比較清晰地展示出電桿、路燈、井蓋、消防栓等小體量實(shí)體的位置、形狀等信息，但是要素類型和用途信息不夠顯著，如同為圓形的井蓋區(qū)分不出用途，管線等線狀要素建模效果較差，不能表示線路走向等。

（5）地名地址實(shí)體。該項(xiàng)目模型分辨率達(dá)到2 cm，能清晰看到沿街單位或鋪面的招牌，方便各類地名地址數(shù)據(jù)的采集。但存在遮擋導(dǎo)致航拍不能獲取數(shù)據(jù)的部分會造成數(shù)據(jù)丟失的情況。

（6）院落實(shí)體、行政區(qū)劃單元、自然地理單元和農(nóng)用地土質(zhì)單元等面狀實(shí)體。在模型上為面積較大的實(shí)體，要素邊界在模型上可以比較完整準(zhǔn)確采集。

4 解決方案

通過對實(shí)景三維模型幾何精度和紋理效果的分析，研究小組提出了一些在應(yīng)用過程中碰到的問題。研究小組在測區(qū)中選取部分區(qū)域通過調(diào)整方案重新航飛建模實(shí)驗(yàn)，在提高精度和改善建模效果上提出以下幾點(diǎn)建議。

（1）合理布設(shè)控制點(diǎn)。實(shí)景三維模型在建模過程中會匹配大量的同名點(diǎn)，模型結(jié)構(gòu)緊湊，連接強(qiáng)度大。采用具有RTK 等導(dǎo)航系統(tǒng)的無人機(jī)航拍儀獲取的照片具有高精度的POS 信息，在控制點(diǎn)滿足要求的情況下，控制點(diǎn)數(shù)量和數(shù)學(xué)精度不成正比，大量控制點(diǎn)的刺點(diǎn)工作容易導(dǎo)致錯刺和誤刺，從而影響整個模型的精度。研究小組選取測區(qū)中5 km2的數(shù)據(jù)進(jìn)行重新加密建模，精度結(jié)果如表2 所示，發(fā)現(xiàn)每平方千米布設(shè)2～3 個控制點(diǎn)較為合適[3]。

表2 控制點(diǎn)數(shù)量與幾何精度比較表

（2）調(diào)整控制點(diǎn)設(shè)置。研究小組在對地物點(diǎn)誤差分析時(shí)發(fā)現(xiàn)，貼近地面的地物數(shù)學(xué)精度優(yōu)于高層建筑，其原因是觀測誤差和全站儀大仰角、長距離引起的儀器誤差，后經(jīng)過RTK 復(fù)核發(fā)現(xiàn)高程誤差有所降低，但還是遠(yuǎn)超地面檢查點(diǎn)高程精度?？紤]到控制點(diǎn)都設(shè)置在地面，模型局部缺少垂直方向的約束。因此，研究小組在誤差最大區(qū)域中最高的建筑樓頂布設(shè)了一個控制點(diǎn)，重新加密建模，發(fā)現(xiàn)該區(qū)域模型的高程精度明顯提升。由此可見，在高層建筑上布設(shè)控制點(diǎn)的方式有利于提高整個模型的三維精度。

（3）優(yōu)化航拍路線方案。按照航飛地區(qū)的整體情況設(shè)置航飛區(qū)塊，對于重點(diǎn)區(qū)域或高層建筑區(qū)需提高航拍的重疊度，保證建筑物頂部的重疊度滿足精細(xì)建模的要求。一些超高層建筑區(qū)，需在原來航飛的基礎(chǔ)上，提高航拍的高度再次拍攝，把不同高度航拍的照片一起加密建模，以獲得較好的實(shí)景三維模型效果，對一些超高層建筑的頂部結(jié)構(gòu)還原較好。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，對一些重點(diǎn)建筑采取環(huán)繞飛行航拍的方式進(jìn)行建?？梢缘玫捷^好的模型效果。

（4）場景修飾和建筑單體化。加密后計(jì)算機(jī)生成的mesh 模型中的地形要素、建筑要素、交通要素等地表要素相互聯(lián)結(jié)，以多級不規(guī)則三角網(wǎng)的形式按照一定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)據(jù)組織。原始模型存在失真、變形、漏洞、紋理拉花等缺陷。許多無用三角網(wǎng)也造成了大量數(shù)據(jù)冗余，要提高實(shí)景三維模型的精度和實(shí)用性，需對場景進(jìn)行修飾以及對重點(diǎn)建筑單體化。

5 結(jié) 語

研究小組通過此次研究發(fā)現(xiàn)，實(shí)景三維模型作為一種計(jì)算機(jī)技術(shù)和攝影測量技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)品，不但能真實(shí)還原現(xiàn)實(shí)世界，還具有較高的數(shù)學(xué)精度和紋理精度。項(xiàng)目成果滿足《技術(shù)大綱》中城市級實(shí)景三維建設(shè)內(nèi)容中數(shù)據(jù)精度和地理實(shí)體的采集要求。對照《GBT 15967—2008 1 ∶500 1 ∶1 000 1 ∶2 000地形圖航空攝影測量數(shù)字化測圖規(guī)范》，該模型精度滿足1 ∶500 地形圖的采集要求。由此可見，從最新的實(shí)景三維建設(shè)方案到傳統(tǒng)的地形圖測量，實(shí)景三維模型是一種全要素、高精度、可量測的三維數(shù)字化產(chǎn)品，作為一種基礎(chǔ)地理信息資源，為各行各業(yè)的應(yīng)用提供了一個良好的基礎(chǔ)地理框架[4]。研究小組提出的一些影響模型成果精度的因素和解決方案，可為今后實(shí)景三維建設(shè)項(xiàng)目的開展提供參考。