基于實(shí)景三維的大比例尺成圖技術(shù)研究

劉鋒

（沈陽(yáng)鑫藍(lán)圖科技有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110000）

1 引言

近年來，黨中央、國(guó)務(wù)院圍繞數(shù)字中國(guó)建設(shè)制定了一系列戰(zhàn)略規(guī)劃，黨的二十大報(bào)告提出，要加快建設(shè)網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)國(guó)、數(shù)字中國(guó)建設(shè)。2022 年2 月，自然資源部辦公廳印發(fā)《關(guān)于全面推進(jìn)實(shí)景三維中國(guó)建設(shè)的通知》，明確到2025 年，5 米格網(wǎng)的地形級(jí)實(shí)景三維實(shí)現(xiàn)對(duì)全國(guó)陸地及主要島嶼覆蓋，5 厘米分辨率的城市級(jí)實(shí)景三維初步實(shí)現(xiàn)對(duì)地級(jí)以上城市覆蓋。實(shí)景三維是真實(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，是國(guó)家重要的新型基礎(chǔ)設(shè)施，通過“人機(jī)兼容、物聯(lián)感知、泛在服務(wù)”實(shí)現(xiàn)數(shù)字空間與現(xiàn)實(shí)空間的實(shí)時(shí)關(guān)聯(lián)互通，為數(shù)字中國(guó)提供統(tǒng)一的空間定位框架和分析基礎(chǔ)，是數(shù)字政府、數(shù)字經(jīng)濟(jì)重要的戰(zhàn)略性數(shù)據(jù)資源和生產(chǎn)要素[1]。隨著新一代無人機(jī)技術(shù)、攝影測(cè)量技術(shù)與計(jì)算機(jī)圖像處理能力的發(fā)展，實(shí)景三維建模軟硬件處理體系有了較大突破，通過傾斜攝影方式構(gòu)建實(shí)景三維模型，開展大比例尺成圖的技術(shù)日趨成熟[2,3]。本文結(jié)合工程應(yīng)用，闡述實(shí)景三維大比例尺成圖技術(shù)的生產(chǎn)流程，重點(diǎn)介紹基于實(shí)景三維數(shù)據(jù)開展地形圖生產(chǎn)與制作方法，分析實(shí)景三維成圖與傳統(tǒng)攝影技術(shù)成圖的區(qū)別，以期為相關(guān)工程提供參考。

2 實(shí)景三維及傾斜攝影

依據(jù)《實(shí)景三維中國(guó)建設(shè)技術(shù)大綱》[2]，廣義上的實(shí)景三維數(shù)據(jù)包括數(shù)字高程模型（DEM）、數(shù)字表面模型（DSM）、數(shù)字正射影像（DOM）、數(shù)字真正射影像（TDOM）、傾斜攝影三維模型、激光點(diǎn)云等。其中，傾斜攝影三維模型是現(xiàn)實(shí)世界在可視化方面最直觀、真實(shí)的數(shù)字化映射，能準(zhǔn)確豐富、高質(zhì)量地反映地物地貌、建（構(gòu)）筑物等空間地物的幾何形態(tài)、特征紋理特點(diǎn)，高精度表達(dá)各類地物設(shè)施的位置姿態(tài)、拓?fù)潢P(guān)系、尺寸大小，是城市級(jí)、部件級(jí)實(shí)景三維建設(shè)的主力和核心，也是新型基礎(chǔ)測(cè)繪體系建設(shè)的典型產(chǎn)品[4,5]。

近年來，測(cè)繪領(lǐng)域使用無人機(jī)來采集數(shù)據(jù)已成常態(tài)[6]。傾斜攝影測(cè)量時(shí)，使用無人機(jī)搭載多個(gè)傾斜攝影裝置采集數(shù)據(jù)，下視相機(jī)為垂直攝影，用于制作DEM、DOM。前視相機(jī)、后視相機(jī)、左視相機(jī)和右視相機(jī)都為傾斜攝影，用于獲取地物側(cè)面紋理影像，傾斜角度在15°～45°。它同時(shí)從一個(gè)垂直、四個(gè)傾斜等五個(gè)不同的角度采集影像，飛行一次即可獲取各角度原片。在傾斜攝影三維模型生產(chǎn)過程中，通過在飛行平臺(tái)搭載傾斜航攝儀從空中對(duì)地面采集正視、側(cè)視等不同角度的航空影像數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行影像數(shù)據(jù)預(yù)處理、空三加密與處理、傾斜影像匹配等過程，生成點(diǎn)云數(shù)據(jù)，構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)。實(shí)際的數(shù)據(jù)生產(chǎn)過程中可采用混合航攝儀或同區(qū)域激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，將生成的密集點(diǎn)云與激光點(diǎn)云規(guī)劃到統(tǒng)一坐標(biāo)系下，融合處理以提高建模精細(xì)度，從而生成高精度三維模型，傾斜三維實(shí)際上是一個(gè)Mesh 形式的實(shí)景三維模型[7,8]。

3 數(shù)據(jù)采集

根據(jù)數(shù)據(jù)采集區(qū)范圍，選擇合適的傾斜相機(jī)和搭載平臺(tái)采集數(shù)據(jù)。通常小范圍區(qū)域采用無人機(jī)方式，大范圍區(qū)域采用有人機(jī)或多架次無人機(jī)。結(jié)合實(shí)景三維的精度要求和測(cè)區(qū)特點(diǎn)，選擇不同性能的傾斜相機(jī)。數(shù)據(jù)采集流程如圖1 所示。通常采用傾斜航空攝影測(cè)量技術(shù)即可完成數(shù)據(jù)采集，但如果數(shù)據(jù)采集區(qū)植被茂密，存在大量植被遮擋導(dǎo)致植被模型與地形難以匹配等問題，可補(bǔ)充運(yùn)用無人機(jī)搭載激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)[9]，開展激光LidAR 數(shù)據(jù)采集，獲取三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

圖1 數(shù)據(jù)采集流程

數(shù)據(jù)采集包括準(zhǔn)備工作、航空攝影、控制測(cè)量等。其中準(zhǔn)備工作主要包括資料收集、現(xiàn)場(chǎng)踏勘、技術(shù)設(shè)計(jì)、資料準(zhǔn)備、儀器檢校、技術(shù)培訓(xùn)等；航空攝影主要包括空域申請(qǐng)、航線規(guī)劃、航攝實(shí)施、質(zhì)量檢查、生成影像數(shù)據(jù)等；激光LidAR 點(diǎn)云可采用無人機(jī)航飛方式采集數(shù)據(jù)，主要包括空域申請(qǐng)、航線規(guī)劃、航攝實(shí)施、質(zhì)量檢查、生成點(diǎn)云數(shù)據(jù)等；控制測(cè)量主要包括像控布設(shè)、像控點(diǎn)測(cè)量、像控點(diǎn)檢查、生成像控?cái)?shù)據(jù)等。

4 數(shù)據(jù)處理

在數(shù)據(jù)處理與生產(chǎn)之前需檢查數(shù)據(jù)的完整性，例如航線是否漏拍，影像畫面是否清晰，影像數(shù)據(jù)和點(diǎn)云數(shù)據(jù)是否滿足要求、是否存在大范圍遮擋等。將影像、POS、點(diǎn)云等數(shù)據(jù)成果轉(zhuǎn)換到統(tǒng)一坐標(biāo)系下，例如CGCS2000 坐標(biāo)系。對(duì)于數(shù)據(jù)檢查存在問題的，應(yīng)返工修改。數(shù)據(jù)處理與生產(chǎn)具體流程包含空三加密、三維模型構(gòu)建、數(shù)字產(chǎn)品生產(chǎn)等，如圖2 所示。

圖2 數(shù)據(jù)處理與生產(chǎn)流程

4.1 空三加密

首先，開展相對(duì)定向和絕對(duì)定向，進(jìn)行平差解算、誤差分析處理，使得像控點(diǎn)中誤差、檢查點(diǎn)中誤差、單點(diǎn)多影像量測(cè)值中誤差滿足大比例尺成圖精度要求。然后，運(yùn)用PhotoScan、INPHO、ORIMA、Street Factory 等專業(yè)軟件開展自動(dòng)或者半自動(dòng)空中三角測(cè)量[10,11]。再結(jié)合野外觀測(cè)的檢查點(diǎn)，對(duì)空中三角測(cè)量的模型成果進(jìn)行精度檢查，以確保滿足大比例尺成圖產(chǎn)品的精度要求，最后生成像片外方位元素成果。

4.2 實(shí)景三維模型構(gòu)建

利用Mirauge3D、Context Capture 等實(shí)景三維建模軟件，輸入合格的空三加密成果，自動(dòng)化構(gòu)建傾斜攝影三維模型。傾斜攝影三維數(shù)據(jù)一般采用osgb 格式，osgb 格式數(shù)據(jù)具有多細(xì)節(jié)層次和分層優(yōu)化等特點(diǎn)。同時(shí)，為便于三維模型數(shù)據(jù)的調(diào)度和可視化應(yīng)用，可依據(jù)數(shù)據(jù)精度或單位面積內(nèi)的數(shù)據(jù)粒度，將osgb 格式的三維模型按塊生產(chǎn)（如64m×64m、128m×128m、256m×256m 等塊尺寸）[12]。傾斜攝影三維模型塊之間應(yīng)保證色彩均衡，并對(duì)缺失的洞進(jìn)行填充操作，最后根據(jù)測(cè)區(qū)范圍對(duì)傾斜三維模型數(shù)據(jù)進(jìn)行裁切。

4.3 數(shù)字產(chǎn)品生產(chǎn)

運(yùn)用Mirauge3D、Context Capture 等傾斜三維建模軟件，輸入合格的空三加密成果，生產(chǎn)DOM、TDOM?；诜诸悶V波檢查合格后的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，選擇除噪聲點(diǎn)、錯(cuò)點(diǎn)、孤立點(diǎn)外的圖層，創(chuàng)建Las 數(shù)據(jù)集，制作DSM 成果。在Las 數(shù)據(jù)集基礎(chǔ)上，通過不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN）轉(zhuǎn)換為格網(wǎng)間距合理的柵格數(shù)據(jù)，然后人工開展漏洞和接邊檢查工作，并根據(jù)情況進(jìn)行編輯修改，最后運(yùn)用TerraSolid 軟件自動(dòng)化生產(chǎn)DEM 成果。

5 地形圖制作

基于傾斜三維模型、TDOM 等成果進(jìn)行地形要素采集的測(cè)圖工作，可采用“先內(nèi)后外再內(nèi)”的模式。

5.1 要素采集

選用清華山維EPS 等輔助軟件，導(dǎo)入傾斜三維模型、TDOM 等成果，交互式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。采集內(nèi)容包括居民地及附屬設(shè)施、水系及附屬設(shè)施、交通及附屬設(shè)施、管線及附屬設(shè)施、人工地貌以及植被等要素，如圖3 所示。

圖3 要素采集

5.2 外業(yè)調(diào)繪及數(shù)據(jù)編輯

針對(duì)地形要素采集中不能定性的地物、遮擋的地物等，先重點(diǎn)標(biāo)記，然后開展外業(yè)調(diào)繪，完成名稱、注記等調(diào)查，以及地物的定性。根據(jù)外業(yè)調(diào)繪成果，選擇AutoCAD、ArcGIS、CASS、SuperMap 等地圖編輯軟件，開展地形圖編輯工作，最后形成*.dwg 格式文件。

5.3 成果質(zhì)量檢查

對(duì)紙質(zhì)成果、數(shù)字成果進(jìn)行質(zhì)量檢查。其中，針對(duì)紙質(zhì)成果重點(diǎn)檢查字體大小、注記位置、符號(hào)疏密、要素間關(guān)系等。針對(duì)數(shù)據(jù)成果重點(diǎn)檢查房角、道路拐角、井蓋、墻角、溝渠、噴涂靶標(biāo)等明顯地物特征點(diǎn)，可輔助運(yùn)用全站儀、GPS-RTK 進(jìn)行復(fù)核，確保數(shù)據(jù)成果精度滿足成圖要求。

6 技術(shù)特點(diǎn)分析

相比于傳統(tǒng)攝影測(cè)量方式，基于實(shí)景三維的大比例尺成圖技術(shù)改變了作業(yè)流程，提高了數(shù)字產(chǎn)品生產(chǎn)速度，提升了作業(yè)效率，具體表現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：

（1）裸眼測(cè)量。傾斜攝影三維數(shù)據(jù)提供了完整立體的三維場(chǎng)景，作業(yè)員運(yùn)用三維數(shù)據(jù)加載與編輯軟件，可直接看到三維效果的數(shù)據(jù)，無需基于立體眼鏡的視角差來構(gòu)建三維場(chǎng)景，還可采用二三維聯(lián)動(dòng)方式，在三維場(chǎng)景中查看數(shù)據(jù)，在二維場(chǎng)景中采集編輯數(shù)據(jù)。

（2）精細(xì)采集?；趦A斜攝影三維數(shù)據(jù)，作業(yè)員可直接采集房屋地面角點(diǎn)等微觀要素，電桿、路牌、路燈等垂直面或體要素，以及建筑物中間或下面的附屬構(gòu)筑物要素。這些微觀要素在傳統(tǒng)方式下，往往根據(jù)作業(yè)員的經(jīng)驗(yàn)標(biāo)繪位置信息，或通過大量外業(yè)調(diào)繪進(jìn)行標(biāo)定。

（3）效率提高。建立實(shí)景三維模型和三維測(cè)量均可由軟件自動(dòng)解算完成，還可以采用聯(lián)機(jī)運(yùn)算縮短數(shù)據(jù)處理時(shí)間，繪制地圖過程需作業(yè)員手動(dòng)完成，以三維模型和點(diǎn)云作參照，速度大大提升。

（4）節(jié)約成本。充分發(fā)揮無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)靈活高效的特點(diǎn)，工作時(shí)長(zhǎng)以小時(shí)為單位，不同以往大比例尺地形圖外業(yè)測(cè)繪按天數(shù)計(jì)算，縮短了項(xiàng)目周期；測(cè)繪人員只需無人機(jī)飛手和少量作業(yè)員，與傳統(tǒng)測(cè)圖方法按測(cè)區(qū)面積配備一定比例的外業(yè)人員相比，人員數(shù)量減少，節(jié)約項(xiàng)目成本。

7 結(jié)語(yǔ)

實(shí)景三維中國(guó)建設(shè)是測(cè)繪行業(yè)貫徹新發(fā)展理念、構(gòu)建新發(fā)展格局的一項(xiàng)重要工作，與國(guó)家新型基礎(chǔ)測(cè)繪體系建設(shè)、時(shí)空大數(shù)據(jù)云平臺(tái)建設(shè)緊密關(guān)聯(lián)，是測(cè)繪地理信息供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革的重要之舉[13]。開展基于實(shí)景三維數(shù)據(jù)的科學(xué)研究，既能充分運(yùn)用實(shí)景三維等多源數(shù)據(jù)優(yōu)勢(shì)，促進(jìn)技術(shù)變革和工程流程優(yōu)化，又能降低勞動(dòng)復(fù)雜度，提高工作效率。本文闡述了基于實(shí)景三維模型的數(shù)字產(chǎn)品生產(chǎn)流程，分析了新數(shù)據(jù)生產(chǎn)方式的優(yōu)點(diǎn)，得出基于實(shí)景三維模型開展大比例尺成圖的可行性、便捷性?；趯?shí)景三維模型進(jìn)行地形圖數(shù)據(jù)生產(chǎn)減少了外業(yè)人員的工作量，降低了人力和時(shí)間成本，將逐漸成為大比例尺地形圖生產(chǎn)的主流方式。