實(shí)景三維模型在大比例尺測(cè)圖中的應(yīng)用研究

任江峰 穆志杰

（自然資源部第二地形測(cè)量隊(duì)，陜西 西安 710054）

0.引言

近年來，自然資源部持續(xù)推進(jìn)實(shí)景三維中國(guó)建設(shè)，并在北京、上海、武漢、西安等開展了一系列的項(xiàng)目試點(diǎn)和技術(shù)攻關(guān)工作，為多源數(shù)據(jù)采集和三維模型數(shù)據(jù)生產(chǎn)等方面積累了寶貴的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。同時(shí)，各級(jí)地方政府也在全面響應(yīng)實(shí)景三維中國(guó)建設(shè)的各項(xiàng)政策和要求，積極擁抱新技術(shù)，探索新的應(yīng)用場(chǎng)景。其中，深圳基于傾斜攝影和激光雷達(dá)等技術(shù)[1]，初步建成了城市級(jí)實(shí)景三維模型，有力支撐了地方社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和自然資源管理等工作。2022年，山東青島作為全國(guó)典范，全面實(shí)現(xiàn)了面向大范圍復(fù)雜城市場(chǎng)景的優(yōu)視航測(cè)多機(jī)協(xié)同實(shí)景三維數(shù)據(jù)采集實(shí)施驗(yàn)證[2]。

目前，各行各業(yè)對(duì)傳統(tǒng)基礎(chǔ)測(cè)繪地圖產(chǎn)品的需求仍然巨大，特別是大比例尺地圖。在城市級(jí)實(shí)景三維建設(shè)過程中，可以基于基礎(chǔ)地理實(shí)體數(shù)據(jù)派生出大比例尺地圖產(chǎn)品，相應(yīng)的技術(shù)路線和生產(chǎn)工藝處于研究和探索之中，基于地理實(shí)體圖元無法完全派生出大比例尺地圖，還需要使用高程點(diǎn)、注記和等高線等其他傳統(tǒng)測(cè)繪成果來參與大比例尺地圖測(cè)圖和生產(chǎn)過程。由于整個(gè)過程費(fèi)用高、生產(chǎn)周期長(zhǎng)、效率低，亟需基于實(shí)景三維中國(guó)建設(shè)過程中積累的全息測(cè)繪和實(shí)景三維建模等手段，開展1∶500—1∶2 000大比例尺測(cè)圖，以滿足城市規(guī)劃、建設(shè)和精細(xì)化治理等過程中不斷出現(xiàn)的需求，服務(wù)于城市管理、水利水務(wù)、生態(tài)保護(hù)、應(yīng)急指揮、交通出行、文化旅游、疫情防控等應(yīng)用場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)社會(huì)治理智能化、交通出行便捷化、生態(tài)文明可持續(xù)化，助力國(guó)家高質(zhì)量發(fā)展。

1.總體技術(shù)路線

本文采用全息測(cè)繪等手段，采集高精度傾斜實(shí)景三維模型，并基于實(shí)景模型和裸眼3D觀測(cè)等技術(shù)進(jìn)行大比例尺測(cè)圖，從而生產(chǎn)1∶500—1∶2 000范圍的大比例尺DLG矢量?；趯?shí)景三維模型的大比例尺測(cè)圖技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 基于實(shí)景三維模型的大比例尺測(cè)圖技術(shù)路線圖

1.1 實(shí)景三維建模

實(shí)景三維模型構(gòu)建包含數(shù)據(jù)源采集和實(shí)景三維模型自動(dòng)化生產(chǎn)兩部分內(nèi)容：

首先，相對(duì)于傳統(tǒng)RTK+全站儀數(shù)據(jù)采集方式，大比例尺測(cè)圖對(duì)數(shù)據(jù)采集效率和數(shù)據(jù)源地面分辨率提出了較高的要求。為了方便后續(xù)輸出1∶500—1∶2 000大比例尺地圖成果，此階段可以通過載人飛機(jī)或者無人機(jī)搭載傾斜航攝儀或者五鏡頭相機(jī)等設(shè)備并低空飛行，對(duì)地面進(jìn)行全息測(cè)繪，從而高效地獲取地面的高精度傾斜影像。

其次，基于上述低空傾斜航飛獲取的五鏡頭影像，利用實(shí)景三維建模工具，基于集群算力和AI自動(dòng)化算法，快速提取地面景物的Mesh格網(wǎng)模型數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)格式通常為.osgb。

1.2 大比例尺測(cè)圖

傳統(tǒng)測(cè)圖是基于帶有外方位元素的立體像對(duì)來開展的，需要采購(gòu)昂貴的數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量工作站或航空立體采編平臺(tái)，如武漢大學(xué)的VirtuoZo和美國(guó)鷹圖公司的ImageStation等，對(duì)人員技能要求也較高，采集效率普遍不高；而基于實(shí)景三維模型的大比例尺測(cè)圖主要是基于傾斜或者點(diǎn)云等三維地理場(chǎng)景進(jìn)行“所見即所得”方式的地圖采編，上手門檻較低，大幅度降低了項(xiàng)目成本，提升了大比例尺測(cè)圖的生產(chǎn)效率。

2.實(shí)景三維模型構(gòu)建

本文基于外業(yè)航空攝影來獲取影像和GPS/IMU數(shù)據(jù)，并在業(yè)內(nèi)通過攝影測(cè)量工具生產(chǎn)實(shí)景三維模型，具體內(nèi)容包括：原始航飛、數(shù)據(jù)分析和預(yù)處理、區(qū)域網(wǎng)空中三角測(cè)量、三維重建等。實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)生產(chǎn)的主要技術(shù)路線如圖2所示。

圖2 實(shí)景三維模型構(gòu)建技術(shù)流程圖

為了進(jìn)行大比例尺測(cè)圖，需要首先獲取實(shí)景三維模型。

2.1 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

利用機(jī)載航攝儀或者無人機(jī)搭載五鏡頭相機(jī)傾斜攝影系統(tǒng)進(jìn)行中低空航攝，獲取地面分辨率優(yōu)于6 cm的航空數(shù)碼像片，同時(shí)采集少量像片控制點(diǎn)。

2.1.1 傾斜航飛

采用五目相機(jī)，在航線規(guī)劃軟件中進(jìn)行合理的航飛任務(wù)和航線規(guī)劃，并提前人工布設(shè)靜態(tài)GPS基站或者采用連續(xù)運(yùn)行參考站（CORS），然后按照規(guī)劃的航線進(jìn)行航攝作業(yè)。

2.1.2 像控點(diǎn)采集

為了保證后續(xù)傾斜空中三角測(cè)量順利開展，需要提前進(jìn)行像控點(diǎn)采集，包括采集一定數(shù)量的平高點(diǎn)和高程點(diǎn)，采集的點(diǎn)均應(yīng)滿足1∶500大比例尺測(cè)圖國(guó)家規(guī)范要求，同時(shí)需充分考慮后續(xù)分區(qū)空三和測(cè)區(qū)合并工作的順利開展。在分區(qū)的外邊界和內(nèi)部邊界應(yīng)設(shè)置合理數(shù)量的像控點(diǎn)，每平方千米布設(shè)3～5個(gè)控制點(diǎn)。應(yīng)選擇地面上固定且清晰可見的目標(biāo)來標(biāo)記像控點(diǎn)，如房屋的四角、斑馬線的端點(diǎn)、井蓋的中心點(diǎn)等。

2.2 內(nèi)業(yè)模型生產(chǎn)

利用全自動(dòng)三維建模軟件進(jìn)行空中三角測(cè)量并自動(dòng)重建三維模型，在傾斜模型基礎(chǔ)上提取實(shí)景三維模型。

2.2.1 數(shù)據(jù)分析和預(yù)處理

對(duì)提交的航攝成果進(jìn)行二次檢查分析，確保數(shù)據(jù)完整、元數(shù)據(jù)信息完備。保證POS記錄信息與影像成果對(duì)應(yīng)一致，無缺漏和不匹配現(xiàn)象；保證圖像質(zhì)量和文件格式正確無誤，并且相機(jī)參數(shù)信息齊全。

2.2.2 空中三角測(cè)量

為了確定項(xiàng)目中每個(gè)圖像在照片或圖像曝光時(shí)的位置和方向正確，需要開展空中三角測(cè)量[3]，得到的參數(shù)稱為外方位元素。為了精確估計(jì)外方位元素，無論項(xiàng)目中包含多少圖像，整個(gè)區(qū)塊至少有三個(gè)地面控制點(diǎn)。

為了進(jìn)行空中三角測(cè)量，首先需要提前收集傾斜航飛的影像數(shù)據(jù)、POS數(shù)據(jù)，以及像控點(diǎn)數(shù)據(jù)[4]。其次，采用改進(jìn)SIFT的傾斜無人機(jī)影像匹配方法生產(chǎn)可靠的同名點(diǎn)[5]。一旦生成大量的地面同名點(diǎn)，則可以使用插值算法加密出大量的地面控制點(diǎn)，從而大大減少空中三角測(cè)量對(duì)外業(yè)像控點(diǎn)的依賴，間接降低項(xiàng)目成本。目前用于空中三角測(cè)量的商業(yè)軟件有Bently旗下的Context Capture、?？怂箍礗MAGINE Photogrammetry、街景工廠Street Factory等。

2.2.3 自動(dòng)化建模

空中三角測(cè)量為傾斜影像數(shù)據(jù)生成了精確的外方位元素，這樣每張像片就具有了精確的位置。可以基于此開展自動(dòng)化建模工作，通過人工智能和遙感圖像智能化識(shí)別技術(shù)來提取地物實(shí)景三維模型，主要過程包含點(diǎn)云匹配、TIN三角網(wǎng)構(gòu)建和優(yōu)化、自動(dòng)紋理映射、質(zhì)檢和編輯、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換等步驟。常用的自動(dòng)化建模工具：大勢(shì)智慧重建大師、Skyline PhotoMesh、大疆智圖、天際航DP-Smart全自動(dòng)建模平臺(tái)、瞰景Smart3D等。

（1）點(diǎn)云匹配：根據(jù)空中三角測(cè)量所計(jì)算出的精確的外方位元素，對(duì)傾斜影像進(jìn)行密集點(diǎn)云匹配，生成海量的DSM數(shù)據(jù)。

（2）TIN三角網(wǎng)構(gòu)建和優(yōu)化：基于DSM中的密集點(diǎn)，采用內(nèi)插算法，全自動(dòng)構(gòu)建TIN三角網(wǎng)，并對(duì)三角網(wǎng)進(jìn)行平滑等處理。

（3）自動(dòng)紋理映射：經(jīng)過點(diǎn)云匹配和三角網(wǎng)構(gòu)建，已經(jīng)生成了實(shí)景三維白模，需要利用紋理匹配算法從海量圖像中選取質(zhì)量最優(yōu)的影像進(jìn)行紋理映射處理，從而生成具備紋理色彩的實(shí)景三維模型。

（4）質(zhì)檢和編輯：由于高樓和樹木之間存在遮擋、實(shí)景三維模型在水域存在破洞等問題，需要進(jìn)行人工質(zhì)檢，標(biāo)記出問題區(qū)域并手工編輯、修復(fù)。

（5）坐標(biāo)轉(zhuǎn)換：為了滿足后續(xù)大比例尺測(cè)圖對(duì)坐標(biāo)系的個(gè)性化需求，需要對(duì)傾斜實(shí)景三維模型進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，如，從WGS84坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到2 000地方坐標(biāo)系。

3.大比例尺測(cè)圖

在構(gòu)建完實(shí)景三維模型后，在實(shí)景三維智能測(cè)圖工具中，導(dǎo)入高精度的實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)，便可正式開展大比例尺測(cè)圖。與傳統(tǒng)的基于立體像對(duì)的測(cè)圖模式有所不同，由于此處加載的是實(shí)景三維模型，所以無需佩戴3D眼鏡，而直接采用裸眼3D方式進(jìn)行觀測(cè)，大大提高了測(cè)圖的便捷性，節(jié)約了成本。大比例尺測(cè)圖的主要流程如圖3所示。

圖3 大比例尺測(cè)圖技術(shù)流程圖

基于裸眼3D方式，可以采集1∶500—1∶2 000大比例尺下的各種地物矢量要素，包括房屋、道路、水系、植被、行政區(qū)界線、高程點(diǎn)、等高線等。在人工作業(yè)的過程中，可以結(jié)合包含直角繪制、直線繪制、智能繪制等在內(nèi)的智能化手段來輔助3D采集，從而大大提高生產(chǎn)效率。

4.實(shí)驗(yàn)流程與精度評(píng)價(jià)

為了論證本文提出的實(shí)景三維模型在大比例尺測(cè)圖工作中的可行性，精心設(shè)計(jì)以下實(shí)驗(yàn)并通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)精度進(jìn)行檢驗(yàn)。

4.1 測(cè)區(qū)概況

測(cè)區(qū)位于陜西省西安市某區(qū)域，測(cè)區(qū)總面積約為0.2 km2。測(cè)區(qū)主要以農(nóng)房為主，房屋和樹木比較密集，對(duì)GNSS衛(wèi)星信號(hào)具有一定影響且通視條件一般。

4.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

本項(xiàng)目采用國(guó)產(chǎn)軟硬件，主要包括：

（1）智航SF700A四旋翼無人機(jī)：最大續(xù)航約80 min，起飛重量為5.7 kg，支持仿地飛行／斷點(diǎn)續(xù)飛。

（2）五鏡頭T53P傾斜相機(jī)：傳感器尺寸為23.5×15.6 mm，下視焦距為25 mm，側(cè)視焦距為35 mm，圖像分辨率為6 000×4 000。

（3）南方銀河6 RTK測(cè)量系統(tǒng)：獲取檢查點(diǎn)的三維坐標(biāo)。

（4）天云三維一體機(jī)：用于運(yùn)行傾斜空三和實(shí)景三維重建。

（5）Ufeature3D：三維立體測(cè)圖平臺(tái)。

（6）實(shí)景三維GIS平臺(tái)：用于檢驗(yàn)大比例尺DLG效果和精度。

4.3 實(shí)驗(yàn)過程

根據(jù)1∶500大比例尺測(cè)圖要求，本次測(cè)區(qū)高差約20 m，滿足無人機(jī)低空攝影測(cè)量技術(shù)規(guī)范。因此決定采取無人機(jī)低空傾斜攝影測(cè)量的技術(shù)手段獲取測(cè)區(qū)的實(shí)景三維模型，并基于實(shí)景模型采集1∶500的DLG數(shù)字線劃圖，詳細(xì)步驟如下：

（1）采用智航SF700A四旋翼無人機(jī)+T53P傾斜相機(jī)獲取測(cè)區(qū)的傾斜影像。相機(jī)最優(yōu)拍照間隔為0.9 s，保證航測(cè)航向重疊度80%，旁向重疊度75%，設(shè)置飛行速度為9m/s，飛行高度300 m，飛行時(shí)間46 min，共拍照9280張，場(chǎng)地內(nèi)共布設(shè)像控點(diǎn)8個(gè)，布設(shè)房角檢查點(diǎn)12個(gè)。

（2）基于天云三維一體機(jī)對(duì)測(cè)區(qū)進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)空中三角測(cè)量，導(dǎo)出空三加密成果，精度較好，具體為：平面中誤差為0.015 m，高程中誤差為0.021 m。

（3）在天云三維一體機(jī)中導(dǎo)入空三加密成果，進(jìn)行自動(dòng)化三維重建，構(gòu)建實(shí)景三維模型。

（4）將實(shí)景三維模型導(dǎo)入U(xiǎn)feature3D軟件中，進(jìn)行智能化三維立體測(cè)圖，并采集房屋要素，以滿足房地一體的應(yīng)用需求。

4.4 結(jié)果分析

將1∶500房屋DLG數(shù)據(jù)導(dǎo)入實(shí)景三維GIS平臺(tái)：

（1）效果評(píng)估：房屋DLG數(shù)據(jù)與正射影像底圖套合完美，效果較好如圖4所示。

圖4 大比例尺測(cè)圖效果圖

（2）精度評(píng)估

利用南方銀河6 RTK測(cè)量系統(tǒng)隨機(jī)采集DLG矢量對(duì)應(yīng)的屋頂檢查點(diǎn)20個(gè)，并將檢查點(diǎn)坐標(biāo)導(dǎo)入實(shí)景三維GIS平臺(tái)，然后軟件自動(dòng)計(jì)算檢查點(diǎn)與對(duì)應(yīng)DLG相同位置坐標(biāo)的限差：平面最大限差為0.048 m、0.032 m；平均平面中誤差為0.037 m，平均高程中誤差為0.025 m，優(yōu)于1∶500地形圖（1∶500地形圖平面中誤差應(yīng)不超過0.25 m，高程中誤差應(yīng)不大于0.17 m）。

5.結(jié)束語

基于以上研究得出以下結(jié)論：

以全息測(cè)繪等智能化方式快速構(gòu)建的實(shí)景三維模型為基礎(chǔ)，進(jìn)行1∶500—1∶2 000大比例尺裸眼3D測(cè)圖的技術(shù)路線完全可行。該技術(shù)手段可以充分利用各地實(shí)景三維項(xiàng)目中積累的存量實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)，有效地降低了項(xiàng)目成本，成圖效果較好，同時(shí)也滿足大比例尺地形圖成圖精度要求，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。