湖北省實景三維建設(shè)路線研究

張莉，洪亮，薄立明

(1.湖北省測繪成果檔案館，湖北 武漢 430070； 2.湖北省地理國情監(jiān)測中心，湖北 武漢 430071；3.武漢大學(xué)中國發(fā)展戰(zhàn)略與規(guī)劃研究院，湖北 武漢 430072)

1 引 言

實景三維是對人類生產(chǎn)、生活和生態(tài)空間進行真實、立體、時序化反映和表達的數(shù)字虛擬空間，是新型基礎(chǔ)測繪標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品，也是國家新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重要組成部分，能夠為經(jīng)濟社會發(fā)展和各部門信息化提供統(tǒng)一的空間基底。實景三維要素全面，色彩真實，細節(jié)清晰，測量精度高，能更客觀、全面、細致地展現(xiàn)真實世界，對于觀測、理解和分析自然環(huán)境具有重要價值。

歐美等發(fā)達國家和地區(qū)對三維產(chǎn)業(yè)非常關(guān)注。德國目前已基本完成全國范圍內(nèi)的三維環(huán)境建設(shè)。2020年發(fā)布的《歐洲地理空間產(chǎn)業(yè)展望報告》，將整個地理空間產(chǎn)業(yè)廣泛劃為GNSS與定位、GIS與空間分析、遙感和三維掃描四個類別，在傳統(tǒng)的3S領(lǐng)域添加了三維掃描領(lǐng)域。報告預(yù)計，到2020年歐洲三維掃描市場將占全球市場的28.3%，即34.8億歐元，年復(fù)合增長率約為14.3%，三維掃描市場將成為地理空間行業(yè)四個分類中增長最快的市場。

李德仁院士指出，實景三維中國在數(shù)據(jù)基礎(chǔ)儲備、數(shù)字化技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)等方面已具備充分條件。實景三維中國建設(shè)是適應(yīng)我國測繪發(fā)展的產(chǎn)物，滿足了當(dāng)前行業(yè)發(fā)展的迫切需求[1]。重慶市實現(xiàn)了全市范圍內(nèi)的多尺度實景三維建設(shè)，成果包括全市域 0.4 m分辨率地形級實景三維模型、主城區(qū)全域 0.2 m分辨率地形級實景三維模型、主城建成區(qū) 0.08 m分辨率城市級實景三維模型、區(qū)縣建成區(qū) 0.05 m分辨率城市級實景三維模型以及部分重點區(qū)域 0.03 m分辨率城市級實景三維模型等[2]。青島市2021年啟動了為期兩年的實景三維青島建設(shè)項目。預(yù)計將建成全市域 0.15 m分辨率地形級實景三維底圖、重點區(qū)域 0.15 m分辨率實景三維底圖以及重點山林10點/m2激光雷達點云數(shù)據(jù)庫[3]。長沙市利用傾斜攝影的方法，利用多視影像使用了空中三角測量，三維重建，自動紋理映射等技術(shù)手段實現(xiàn)快速自動的城市級實景三維模型的建立，并提出了適應(yīng)城市級實景三維的建模流程[4]。

綜上所述，國內(nèi)外相關(guān)部門對實景三維建設(shè)十分重視，投入了巨大的財力和精力進行試點和建設(shè)，實景三維建設(shè)已經(jīng)成為測繪地理信息行業(yè)的重要建設(shè)方向。

2 實景三維湖北建設(shè)現(xiàn)狀及意義

實景三維湖北的建設(shè)是湖北省基礎(chǔ)測繪十四五規(guī)劃的重要內(nèi)容?！笆奈逡?guī)劃”規(guī)定，到2025年，湖北省應(yīng)基本建成以“產(chǎn)品豐富、聯(lián)動更新、靈活高效”為特征的新型基礎(chǔ)測繪體系，實現(xiàn)基礎(chǔ)測繪的全面供給、創(chuàng)新發(fā)展、智能服務(wù)，有力支撐自然資源管理更好履行“兩統(tǒng)一”職責(zé)，為湖北省經(jīng)濟社會高質(zhì)量發(fā)展和生態(tài)文明建設(shè)提供高效、優(yōu)質(zhì)、持續(xù)的基礎(chǔ)地理信息服務(wù)[6]。實景三維是新型基礎(chǔ)測繪的重要成果，在規(guī)劃中設(shè)計了全省地形級實景三維覆蓋率100%的建設(shè)指標(biāo)。

2019年1月，自然資源部正式批復(fù)，同意武漢市作為新型基礎(chǔ)測繪建設(shè)試點城市，設(shè)立《國家新型基礎(chǔ)測繪建設(shè)武漢市試點項目》。同年4月，項目實施方案通過專家評審，試點項目正式啟動。2021年5月，武漢市在來自中國科學(xué)院、中國地質(zhì)大學(xué)等測繪行業(yè)的多名專家綜合評估下，通過中期評估。武漢市研發(fā)了視頻流全景地圖、實景三維等新型測繪產(chǎn)品[7]。

湖北省實景三維建設(shè)與全國的建設(shè)基本保持同步，目前主要處于技術(shù)研究、框架設(shè)計和前期試點階段。具體而言，湖北省建設(shè)實景三維有優(yōu)勢也有不足。主要優(yōu)勢體現(xiàn)在湖北省政府對地理空間信息產(chǎn)業(yè)的戰(zhàn)略重視，湖北省內(nèi)多家高校，科研院所，以及中央在漢技術(shù)單位的雄厚科研技術(shù)基礎(chǔ)和應(yīng)用轉(zhuǎn)化能力；眾多的從業(yè)人員和厚實的地理信息空間“一庫一平臺”框架[8，9]。這些都為湖北省實景三維建設(shè)打下了厚實的基礎(chǔ)。在湖北省實景三維建設(shè)中，也存在不足，主要表現(xiàn)為滿足實景三維建設(shè)的高分辨率影像和大比例尺DEM數(shù)據(jù)現(xiàn)勢性不足，各地方及行業(yè)數(shù)據(jù)基準(zhǔn)不統(tǒng)一，組織管理模式不夠科學(xué)，各科研單位，生產(chǎn)單位之間的協(xié)同轉(zhuǎn)化不夠順暢等方面。

在當(dāng)前國家推動實景三維建設(shè)的大背景下，湖北省早謀劃、早設(shè)計、早試點、早實施實景三維建設(shè)是很有必要的。其意義主要有：

一是有利于推動自然資源事業(yè)發(fā)展

湖北省自然資源廳由多家單位整合而成，各單位有自己的工作規(guī)則、流程和模式，通過實景三維建設(shè)，不僅原測繪地理信息部門需要挑擔(dān)子，動心思，出力氣，同時也對原規(guī)劃、國土等部門提出了要求，需要提需求，改流程，促應(yīng)用。在這個過程中可以打破原有隔閡，融會貫通，推動自然資源各部門的融合，推動自然資源事業(yè)發(fā)展。

二是有利于推動技術(shù)創(chuàng)新

湖北省是地球空間信息產(chǎn)業(yè)的技術(shù)強省，很多高校和科研院所的相關(guān)技術(shù)沒有很好地轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力。實景三維建設(shè)是一個技術(shù)密集型產(chǎn)業(yè)，在建設(shè)過程中涉及眾多先進技術(shù)，這可以引導(dǎo)科技人員，明確研究方向，凝聚科研力量，能夠出成果，出創(chuàng)新。

三是有利于促進就業(yè)

實景三維建設(shè)不僅是技術(shù)密集型產(chǎn)業(yè)，也是勞動密集型產(chǎn)業(yè)。實景三維建設(shè)鏈條長、工序多，需要大量勞動力的投入。所以推動實景三維建設(shè)，有利于穩(wěn)定測繪隊伍，保就業(yè)穩(wěn)增長，有利于實現(xiàn)大學(xué)生留漢創(chuàng)業(yè)。

四是有利于補短板

湖北省基礎(chǔ)測繪建設(shè)還存在著基礎(chǔ)測繪數(shù)據(jù)及產(chǎn)品的短板，在實景三維建設(shè)過程中，按照高標(biāo)準(zhǔn)，盡快采集和生產(chǎn)這些數(shù)據(jù)和產(chǎn)品，一方面彌補基礎(chǔ)測繪短板，另一方面可以快速得到新標(biāo)準(zhǔn)和高精度的數(shù)據(jù)和產(chǎn)品，實現(xiàn)基礎(chǔ)測繪的彎道超車，迅速追趕甚至超越先進省份。

總之，加快推進湖北省實景三維建設(shè)，符合國家的需求，響應(yīng)了湖北省產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略規(guī)劃，有利于補數(shù)據(jù)短板，強科技優(yōu)勢，對于促進就業(yè)，推動自然資源事業(yè)的發(fā)展具有重要價值。

3 實景三維湖北建設(shè)路線

實景三維湖北建設(shè)路線可以按照地形-城市-部件三級聯(lián)動的方式完成。依托現(xiàn)有平臺和數(shù)據(jù)，全面完成地形級實景三維建設(shè)，成果作為實景三維湖北的扎實基礎(chǔ)；瞄準(zhǔn)應(yīng)用市場，借鑒武漢市的實景三維建設(shè)經(jīng)驗，擇優(yōu)布局開展城市級實景三維的建設(shè)；最后按照具體需求，建設(shè)示范部件級實景三維，并為未來的市場開拓和應(yīng)用開辟道路。

3.1 地形級建設(shè)方案

《實景三維中國建設(shè)技術(shù)大綱》中規(guī)定，地形級實景三維建設(shè)需構(gòu)建地形級地理場景、基礎(chǔ)地理實體，獲取其他實體、物聯(lián)感知數(shù)據(jù)，組裝生成地形級實景三維產(chǎn)品。《大綱》中對地形級實景三維建設(shè)指標(biāo)給出了標(biāo)準(zhǔn)[10]，建議地形級實景三維建設(shè)以DOM/TDOM+DEM/DSM為基底，構(gòu)建地形級地理場景。在此基礎(chǔ)上疊加基礎(chǔ)地理實體、其他實體、物聯(lián)感知數(shù)據(jù)，組裝生成地形級實景三維產(chǎn)品。

總結(jié)國內(nèi)外現(xiàn)有實景三維建設(shè)的經(jīng)驗，地形級實景三維地理場景最合適、最經(jīng)濟的生產(chǎn)方式是使用DOM/TDOM+DEM/DSM的方案建模，可以充分利用現(xiàn)有的基礎(chǔ)測繪數(shù)據(jù)，同時數(shù)據(jù)獲取方法簡單快捷、數(shù)據(jù)現(xiàn)勢性高，三維建模計算量小、效率高，適合大面積區(qū)域三維建模工作。

根據(jù)武漢市及咸寧市實景三維建設(shè)的經(jīng)驗，湖北省地形級實景三維建設(shè)應(yīng)該采用三維地理場景+二維形式地理實體方法，這種方式能夠充分利用湖北省基礎(chǔ)測繪的現(xiàn)有數(shù)據(jù)。技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 地形級實景三維建設(shè)技術(shù)路線

3.2 城市級建設(shè)方案

《實景三維中國建設(shè)技術(shù)大綱(2021版)》指出，城市級實景三維建設(shè)需基于傾斜攝影三維模型構(gòu)建地形級地理場景，并疊加基礎(chǔ)地理實體、他實體、物聯(lián)感知數(shù)據(jù)，組裝生成地形級實景三維產(chǎn)品?！洞缶V》中對城市級實景三維建設(shè)指標(biāo)給出了具體標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)這一要求，結(jié)合其他省市的城市級實景三維建設(shè)情況，湖北省地理場景宜采用傾斜攝影技術(shù)生產(chǎn)三維模型，城市建成區(qū)及其他重點區(qū)域影像空間分辨率不低于 0.05 m。在此基礎(chǔ)上疊加地理實體與物聯(lián)感知數(shù)據(jù)。

城市級實景三維構(gòu)建任務(wù)，可以在加強監(jiān)管的前提下，由市級測繪單位組織，由其決定測量精度與單體化規(guī)模；在下達任務(wù)前，湖北省應(yīng)出臺相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，對城市級實景三維建設(shè)方案、數(shù)據(jù)源精度要求、三維建模規(guī)范、單體化建模標(biāo)準(zhǔn)、三維模型驗收要求等方面做好規(guī)定。

3.3 部件級建設(shè)方案

部件級實景三維是能夠表現(xiàn)建筑物細節(jié)、道路標(biāo)志標(biāo)線、街頭景觀小品、市政設(shè)施等更高精度的實景三維。該層級一般是在城市級實景三維場景的基礎(chǔ)上，對道路、水系、植被、管線和其他模型進行實體化處理而得到[12]?！秾嵕叭S中國建設(shè)技術(shù)大綱(2021版)》中對部件級實景三維建設(shè)內(nèi)容指標(biāo)給出了建議?！洞缶V》規(guī)定，部件級實景三維數(shù)據(jù)庫應(yīng)由地理場景、部件三維模型和物聯(lián)感知數(shù)據(jù)組成。部件級實景三維的建設(shè)方法與城市級實景三維建設(shè)方法差別不大，可以通過有人機、無人機、移動車以及地面固定站等獲取高精度傾斜攝影、近景攝影或激光雷達數(shù)據(jù)，對這些數(shù)據(jù)進行精細化建模。建模精度等具體指標(biāo)由各個項目甲方需求而定。

由于國內(nèi)還沒有部件級實景三維建設(shè)的相關(guān)規(guī)范，建議湖北省建立部件級實景三維建設(shè)試點，深入探索部件級實景三維的建設(shè)方法、精度要求等問題，形成規(guī)范或指導(dǎo)性文件。后續(xù)部件級建設(shè)應(yīng)通過市場化、商業(yè)化方式來實現(xiàn)。

4 實景三維湖北建設(shè)思路

4.1 建設(shè)路徑

(1)制定標(biāo)準(zhǔn)

鄉(xiāng)村空間改造就是對鄉(xiāng)村現(xiàn)存的解體的空間結(jié)構(gòu)體系進行重新規(guī)劃與整合，使體系中各個元素達到完美優(yōu)化組合。要整體考慮城鄉(xiāng)區(qū)域，全面研究鄉(xiāng)村空間結(jié)構(gòu)，根據(jù)國家對鄉(xiāng)村發(fā)展的新要求、新政策來對鄉(xiāng)村空間的價值進行全面認識。在對鄉(xiāng)村進行空間改造時，還要對當(dāng)?shù)氐奈幕M行保護，按照新農(nóng)村建設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)對鄉(xiāng)村空間進行改造。

湖北省應(yīng)完善實景三維模型采集、處理、應(yīng)用、服務(wù)等技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，并申報湖北省地方標(biāo)準(zhǔn)。形成一套實景三維建設(shè)的權(quán)威標(biāo)準(zhǔn)，這將有助于提高湖北省實景三維建設(shè)效率，也將有助于其他省市參考。

(2)建立協(xié)同機制

設(shè)計相應(yīng)的制度和機制，發(fā)揮中央在漢企業(yè)、省內(nèi)行業(yè)隊伍、高等院校、科研院所和民營企業(yè)的積極性和創(chuàng)造性，壯大高精度空間數(shù)據(jù)獲取裝備、隊伍。整合相關(guān)力量，提高湖北省從業(yè)人員作業(yè)水平，提高數(shù)據(jù)處理、產(chǎn)品生產(chǎn)的質(zhì)量和效率。

(3)利用既有數(shù)據(jù)

在數(shù)字城市、智慧城市以及新型基礎(chǔ)測繪建設(shè)中，湖北省很多區(qū)域和行業(yè)采集和生產(chǎn)了大量高分辨率影像，生產(chǎn)了很多三維建模成果，有必要對此進行收集整理，在盡可能整合、利用現(xiàn)有數(shù)據(jù)的情況下，按建設(shè)方案的要求，全面統(tǒng)籌，充分利用。

(4)建設(shè)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)

實景三維建模后，需要將其統(tǒng)一存放、管理、發(fā)布，因此需要建立實景三維地理信息服務(wù)平臺。該平臺需要多維可用，能夠?qū)v史數(shù)據(jù)、二維數(shù)據(jù)疊加到三維模型中顯示和分析。

(5)推廣應(yīng)用

4.2 組織方式

地形級實景三維的建設(shè)工作應(yīng)由湖北省自然資源廳牽頭實施，主要內(nèi)容包括可用數(shù)據(jù)調(diào)查整合、數(shù)據(jù)采集、地形級實景三維建模工作。除此之外，湖北省自然資源廳還應(yīng)牽頭制定實景三維模型采集、處理、應(yīng)用、服務(wù)等技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，建設(shè)實景三維數(shù)據(jù)管理與應(yīng)用系統(tǒng)。

城市級實景三維建設(shè)應(yīng)由湖北省自然資源廳監(jiān)管，由各地市級測繪部門牽頭，依據(jù)湖北省自然資源廳制定的實景三維技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，選擇合適的建設(shè)方法、數(shù)據(jù)源，同時應(yīng)該充分利用好現(xiàn)有數(shù)據(jù)，降低建設(shè)成本。建成后，應(yīng)將數(shù)據(jù)整合到實景三維數(shù)據(jù)管理與應(yīng)用系統(tǒng)中。

部件級實景三維可以建立省級、市級試點，同時鼓勵企業(yè)根據(jù)需要建立部件級三維模型。

5 展 望

建成實景三維湖北，是新型基礎(chǔ)測繪的重要成果，將為時空大數(shù)據(jù)平臺提供強有力的支持。時空大數(shù)據(jù)平臺是新型基礎(chǔ)測繪的應(yīng)用載體，為城市管理提供一張底板、一個平臺、一套數(shù)據(jù)的重要基礎(chǔ)。

建設(shè)實景三維湖北，將對湖北省測繪行業(yè)與社會經(jīng)濟發(fā)展起到極大的促進作用，在補數(shù)據(jù)短板，強科技優(yōu)勢，促進就業(yè)，推動自然資源事業(yè)發(fā)展等方面發(fā)揮巨大作用。