數(shù)字濮陽縣地理空間框架建設(shè)探討

常俊

（河南省地理信息院，河南 鄭州 450003）

1 引言

地理空間框架是利用采集的地形地貌、交通及其附屬設(shè)施、水系、行政區(qū)劃等信息，為政府提供全面細(xì)致的基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)，服務(wù)宏觀決策管理、企事業(yè)電子商務(wù)、民眾日常生活等[1]。城市的快速發(fā)展，導(dǎo)致地形地貌不斷發(fā)生變化，變化區(qū)域呈現(xiàn)碎片化、變化頻繁的特點(diǎn)。為進(jìn)一步提高基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)的時(shí)效性，數(shù)字濮陽縣地理空間框架建設(shè)首先采用航空攝影測(cè)量方法進(jìn)行城市大比例尺地形圖的更新，相較于傳統(tǒng)全野外測(cè)圖，效率高，人力、物力成本低，成果精度可靠[2]。

“十四五”自然資源保護(hù)和利用規(guī)劃，將新一代國家測(cè)繪基準(zhǔn)體系構(gòu)建與服務(wù)、實(shí)景三維中國建設(shè)、構(gòu)建新一代地理信息公共服務(wù)平臺(tái)（天地圖）等重大項(xiàng)目納入國家級(jí)重點(diǎn)專項(xiàng)規(guī)劃。自然資源部提出，下一步將全力推進(jìn)地理信息事業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，充分發(fā)揮測(cè)繪地理信息數(shù)據(jù)要素保障作用，為數(shù)字中國建設(shè)打造統(tǒng)一的時(shí)空基底，為高質(zhì)量發(fā)展提供豐富的數(shù)據(jù)要素保障，為地理信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展?fàn)I造優(yōu)良環(huán)境，為構(gòu)建新安全格局嚴(yán)守測(cè)繪地理信息管理底線。數(shù)字城市地理空間框架建設(shè)是應(yīng)用傾斜攝影測(cè)量技術(shù)進(jìn)行大范圍地形圖數(shù)據(jù)的采集，再建立精細(xì)三維模型?；诟潞蟮拇蟊壤邤?shù)字線劃圖（DLG）數(shù)據(jù)生產(chǎn)地理實(shí)體，疊加地理場(chǎng)景，構(gòu)建濮陽縣實(shí)景三維數(shù)據(jù)產(chǎn)品，更好地服務(wù)濮陽縣經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和自然資源管理，服務(wù)“數(shù)字經(jīng)濟(jì)”“數(shù)字社會(huì)”“數(shù)字政府”建設(shè)[3-5]。

2 數(shù)字濮陽縣地理空間框架建設(shè)內(nèi)容

數(shù)字濮陽縣地理空間框架建設(shè)包含大比例尺地形圖3D（即DLG、DEM、DOM）產(chǎn)品生產(chǎn)、實(shí)景三維精細(xì)建筑模型生產(chǎn)兩大內(nèi)容。具體的數(shù)據(jù)生產(chǎn)流程如圖1所示[6,7]。

圖1 地理空間框架數(shù)據(jù)生產(chǎn)流程

2.1 大比例尺地形圖DLG、DEM、DOM 產(chǎn)品生產(chǎn)

利用有人駕駛大型飛機(jī)及高分?jǐn)?shù)碼航攝儀，對(duì)測(cè)區(qū)進(jìn)行數(shù)碼航空攝影，獲取影像數(shù)據(jù)。然后，采用網(wǎng)絡(luò)RTK（HNCORS）技術(shù)進(jìn)行外業(yè)像片控制測(cè)量，內(nèi)業(yè)進(jìn)行空三加密；利用航空數(shù)字影像建立立體模型，內(nèi)業(yè)采集數(shù)據(jù)，編輯地物、地貌關(guān)系，生成圖形文件，制作工作底圖；外業(yè)利用內(nèi)業(yè)制作的工作底圖，實(shí)地開展外業(yè)調(diào)繪，并將外業(yè)得到的相關(guān)信息準(zhǔn)確表示在工作底圖上。內(nèi)業(yè)利用編圖軟件以內(nèi)業(yè)采集的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，參照外業(yè)調(diào)繪成果，按要求及規(guī)定分層代碼對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行圖形編輯處理，加注各類注記要素，進(jìn)行圖面整飾，生成符合要求的圖形數(shù)據(jù)文件和庫數(shù)據(jù)文件，從而完成工作區(qū)域的1∶500 數(shù)字線劃圖（DLG）測(cè)繪及數(shù)據(jù)建庫工作。利用內(nèi)業(yè)采集的數(shù)據(jù)和特征點(diǎn)、線，生成1∶500、1∶1000 數(shù)字高程模型（DEM），分別對(duì)影像進(jìn)行正射糾正、鑲嵌，制作1∶500、1∶1000 數(shù)字正射影像（DOM）。

在1∶500 地形圖成果的基礎(chǔ)上，開展1∶1000、1∶2000、1∶5000 比例尺的地形圖縮編建庫工作，并在縣城區(qū)及鄉(xiāng)鎮(zhèn)政府所在地建成區(qū)進(jìn)行地名地址調(diào)查與建庫。最終完成1∶500 3D 數(shù)據(jù)庫、1∶1000 DLG 數(shù)據(jù)庫、1∶2000 DLG 數(shù)據(jù)庫、1∶5000 DLG 數(shù)據(jù)庫、全縣域1∶10000 3D 數(shù)據(jù)庫、地名地址數(shù)據(jù)庫等。

2.2 三維精細(xì)建筑模型生產(chǎn)

數(shù)字濮陽縣地理空間框架建設(shè)是在濮陽縣城區(qū)約30.5 平方公里范圍內(nèi)構(gòu)建所有精細(xì)三維建筑模型（單體模型）。運(yùn)用數(shù)字航空攝影測(cè)量的數(shù)據(jù)獲取優(yōu)勢(shì)，在攝影測(cè)量軟件HxMAP RealCity 的立體環(huán)境下，自動(dòng)和半自動(dòng)獲取建筑物的頂部結(jié)構(gòu)、建筑輪廓、高程信息，自動(dòng)構(gòu)建實(shí)景三維模型幾何結(jié)構(gòu)。

建筑模型紋理采用軟件自動(dòng)化的技術(shù)手段，自動(dòng)獲取航空影像上的紋理。依據(jù)實(shí)景三維分級(jí)產(chǎn)品的要求，建筑紋理一般采用航空影像紋理，部分重點(diǎn)建筑可根據(jù)需要采用街拍紋理表示。濮水小鎮(zhèn)三維模型如圖2 所示。

圖2 濮水小鎮(zhèn)三維模型

上述范圍內(nèi)的城中村、小平房建筑結(jié)構(gòu)采用綜合方式進(jìn)行處理，即屋頂采用平頂處理，其他區(qū)域建筑采用精細(xì)模型，建筑主體結(jié)構(gòu)、建筑屋頂結(jié)構(gòu)、房上房結(jié)構(gòu)、女兒墻結(jié)構(gòu)等都會(huì)進(jìn)行表達(dá)，其紋理采用航空影像紋理表現(xiàn)；對(duì)重要的標(biāo)志性建筑及沿街道路底商獲取實(shí)景照片，對(duì)三維模型進(jìn)行建筑物修正及紋理制作，制作三維實(shí)景精細(xì)模型。單體精細(xì)模型范圍內(nèi)底圖采用DOM 和DEM 表現(xiàn)地形效果。實(shí)景三維生產(chǎn)流程如圖3 所示。

圖3 實(shí)景三維生產(chǎn)流程

（1）空中三角測(cè)量

基于三維建模軟件，結(jié)合POS 系統(tǒng)提供的外方位元素和相機(jī)安裝位置關(guān)系，可以模擬所有影像的地表投影范圍，采取由粗到精的金字塔匹配策略，在各級(jí)影像上進(jìn)行同名點(diǎn)自動(dòng)匹配和自由網(wǎng)光束法平差，得到較好的同名點(diǎn)匹配結(jié)果。

同時(shí)，通過建立連接點(diǎn)和控制點(diǎn)坐標(biāo)文件，結(jié)合GPS/IMU 信息，實(shí)現(xiàn)影像自檢校區(qū)域網(wǎng)平差迭代計(jì)算，通過多次反復(fù)聯(lián)合解算，消除和減弱外定向中的任何系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差，為三維模型生產(chǎn)提供數(shù)學(xué)精度基礎(chǔ)。

在空三平差迭代計(jì)算過程中，可能需要必要的人工干預(yù)，檢查連接點(diǎn)分布情況和連接強(qiáng)度，利用內(nèi)部提供的工具進(jìn)行人工連接點(diǎn)修改。

（2）精細(xì)三維模型的構(gòu)建

根據(jù)濮陽縣城市建筑物的形狀類型，編輯設(shè)置不同的建筑物類型。然后在立體環(huán)境下，采用人工采集方式，勾畫建筑物的外輪廓，并使用軟件自動(dòng)匹配建筑的高程和頂部結(jié)構(gòu)。建筑的外輪廓采集完成后，添加采集的DEM 數(shù)據(jù)，利用軟件進(jìn)行自動(dòng)建模，并映射相應(yīng)的航空紋理。

模型制作完成后，需檢查所有模型，如果發(fā)現(xiàn)模型結(jié)構(gòu)錯(cuò)誤，則返回軟件重新采集。如果模型結(jié)構(gòu)依然出現(xiàn)問題，則采用3D MAX 軟件，對(duì)模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行人工建模。

如果發(fā)現(xiàn)紋理有錯(cuò)誤，也需要重新采集。如果重新采集映射后，依然出現(xiàn)問題，則采用3D MAX 軟件，對(duì)紋理進(jìn)行編輯和修改。

（3）三維場(chǎng)景的DOM 和DEM 制作

數(shù)字濮陽縣地理空間框架建設(shè)的DEM 和DOM 數(shù)據(jù)主要為精細(xì)三維模型的場(chǎng)景呈現(xiàn)地形效果。針對(duì)建筑物的地形，采用攝影測(cè)量軟件HxMAP RealCity 采集生產(chǎn)DEM 數(shù)據(jù)，同時(shí)，基于采集的DEM 數(shù)據(jù)自動(dòng)生成DOM 數(shù)據(jù)。

（4）成果展示

最終三維成果的空三精度滿足《數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量空中三角測(cè)量》規(guī)范要求。在查看空三關(guān)系模型無明顯錯(cuò)誤后，基于空中三角測(cè)量成果，計(jì)算生成OSGB 格式的實(shí)景三維模型。

根據(jù)數(shù)字濮陽縣地理空間框架建設(shè)范圍的命名及分區(qū)，對(duì)建筑模型賦予ID 編號(hào)，輸出OBJ 格式成果。一級(jí)三維產(chǎn)品模型采用OSGB 格式，以DATA 文件夾存儲(chǔ)每個(gè)MESH 的TILE 文件夾下對(duì)應(yīng)的OSGB 成果數(shù)據(jù)；二級(jí)、三級(jí)產(chǎn)品模型采用OBJ 格式，以區(qū)塊命名文件夾存儲(chǔ)，每個(gè)區(qū)塊文件夾下包含貼圖文件（JPG、PNG）和OBJ 格式文件成果數(shù)據(jù)。

3 三維數(shù)據(jù)示例分析

3.1 對(duì)比分析

普通三維模型的構(gòu)建是在空中三角測(cè)量任務(wù)后，根據(jù)三維的精細(xì)程度，采取不同的三維重建流程構(gòu)建。首先要初始化建模區(qū)域。根據(jù)作業(yè)區(qū)實(shí)際范圍，劃定建模區(qū)域。建模區(qū)域會(huì)劃分為制定規(guī)格的格網(wǎng)，每個(gè)格網(wǎng)是三維建模的最小單元。其次是建立三維像對(duì)?；诳杖讲钶敵龅耐夥轿辉爻晒拖鄼C(jī)安置位置關(guān)系，軟件可以自動(dòng)尋找合適的兩張影像組成三維像對(duì)，構(gòu)建三維TIN 網(wǎng)，進(jìn)行TIN 網(wǎng)優(yōu)化。最后進(jìn)行紋理匹配。

而數(shù)字濮陽縣地理空間框架建設(shè)中的精細(xì)三維模型構(gòu)建，首先根據(jù)濮陽縣城市建筑物的形狀類型，編輯設(shè)置不同的建筑物類型。然后在攝影測(cè)量軟件的立體環(huán)境下，人工采集建筑物的頂部結(jié)構(gòu)、建筑輪廓、高程信息。同時(shí)利用采集的DEM 數(shù)據(jù)，自動(dòng)化生成三維模型的幾何結(jié)構(gòu)，并自動(dòng)在幾何結(jié)構(gòu)上映射航空影像紋理。其建模效果真實(shí)性高、生產(chǎn)快速，但模型的規(guī)整度稍差，適合非核心區(qū)的三維模型構(gòu)建。實(shí)景三維精細(xì)模型如圖4 所示。

圖4 實(shí)景三維精細(xì)模型效果

3.2 三維數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查

分別對(duì)范圍內(nèi)三維模型的數(shù)學(xué)精度（平面位置及高程）、外觀形狀、影像貼圖制作質(zhì)量等進(jìn)行全面的質(zhì)量檢查，確保數(shù)據(jù)符合規(guī)范要求。

（1）檢查三維模型的平面、高程精度：在全數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)下進(jìn)行立體模型檢查，抽取檢查點(diǎn)，記錄坐標(biāo)值，并在專業(yè)三維建模軟件中提取三維模型同名檢查點(diǎn)，記錄坐標(biāo)值，最后進(jìn)行誤差比對(duì)。根據(jù)誤差值評(píng)判三維模型的平面精度及高程精度。

（2）檢查三維模型的外觀形狀基本現(xiàn)狀：重點(diǎn)建筑對(duì)照外業(yè)采集的照片進(jìn)行模型比對(duì)檢查，檢查其主要特征結(jié)構(gòu)。

（3） 針對(duì)其他建筑，通過目視判讀建筑的三維效果，來判斷其結(jié)構(gòu)和紋理是否正確。因?yàn)榉课萁Y(jié)構(gòu)是在立體環(huán)境下采集的，如果采集錯(cuò)誤，則模型自動(dòng)映射的紋理必然有錯(cuò)誤。

3.3 三維數(shù)據(jù)應(yīng)用

數(shù)字濮陽縣地理空間框架建設(shè)在攝影測(cè)量軟件支撐下獲取實(shí)景三維地理場(chǎng)景數(shù)據(jù)幾何結(jié)構(gòu)，制作Mesh三維模型，并進(jìn)行建筑物修正及紋理制作，重要的標(biāo)志性建筑、單位、場(chǎng)館以及沿街底商紋理采用街拍紋理表現(xiàn)，完成了所有模型單體化工作和數(shù)據(jù)庫建設(shè)工

在新型基礎(chǔ)測(cè)繪體系框架下，三維數(shù)據(jù)成果還應(yīng)和地理實(shí)體相結(jié)合，建成地理實(shí)體數(shù)據(jù)庫，并按照“一庫多能、按需組裝”，形成地形級(jí)、城市級(jí)實(shí)景三維產(chǎn)品，銜接拓展部件級(jí)實(shí)景三維產(chǎn)品，建成實(shí)景三維中國數(shù)據(jù)庫。

4 結(jié)束語

實(shí)景三維數(shù)據(jù)是國家重要的新型基礎(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)字中國提供統(tǒng)一的空間定位框架和分析基礎(chǔ)，是智慧城市的“一圖”時(shí)空底座，是三維立體自然資源“一張圖”的基底。數(shù)字濮陽縣地理空間框架建設(shè)中的實(shí)景三維數(shù)據(jù)，經(jīng)過簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)改造就可以應(yīng)用于實(shí)景三維濮陽建設(shè)，節(jié)省了財(cái)政資金，將在濮陽縣重大建設(shè)項(xiàng)目規(guī)劃選址、產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)規(guī)劃建設(shè)、全縣國土空間總體規(guī)劃編制、村鎮(zhèn)規(guī)劃編制等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。