基于傾斜攝影模型的地理場景更新方法研究

摘要：實景三維地理場景在利用傾斜攝影模型開展更新時，存在更新模式單一、處理計算復(fù)雜等問題。文章針對地理場景數(shù)據(jù)瓦片式建模的特點，綜合模型數(shù)據(jù)生產(chǎn)組織和時空索引更新處理兩個階段，提出了適用于同類數(shù)據(jù)增量更新和不同類數(shù)據(jù)聯(lián)動更新的技術(shù)策略與方法。實驗驗證表明，文章提出的地理場景更新方法能夠適應(yīng)地形級和城市級模型的快速更新，在工程應(yīng)用領(lǐng)域具備良好實用性。

關(guān)鍵詞：傾斜攝影模型；地理場景；數(shù)據(jù)更新；時空索引

中圖分類號：TP311 文獻標志碼：A

0 引言

以傾斜攝影模型為主要數(shù)據(jù)源的城市級地理場景是實景三維地理場景的重要組成部分，在工程實踐中均以多級瓦片集的方式生產(chǎn)和存儲，具有數(shù)據(jù)體量大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、后處理困難等特征。模型更新工作中被廣泛應(yīng)用的主流方法包括：圖層切換式全量替換更新和基于地理邊界的裁切拼接更新。

圖層切換式全量替換更新將不同時點行政區(qū)域全量覆蓋的模型數(shù)據(jù)按圖層獨立組織，通過圖層按需切換的方式更新場景可視化效果^［1］。這種方式適用于固定時間間隔獲取的全量更新模型數(shù)據(jù)，以圖層為基本更新單元，數(shù)據(jù)間耦合度極低，管理簡便。但是該方式不適用于局部數(shù)據(jù)的更新，當(dāng)圖層間存在壓蓋關(guān)系時，會存在因模型重疊導(dǎo)致的閃面、沖突、加載緩慢等渲染異常問題。

基于地理邊界的裁切拼接更新對全量覆蓋的模型數(shù)據(jù)按照街區(qū)、院落邊界等進行空間裁切，形成更細粒度的基本數(shù)據(jù)單元，對于更新數(shù)據(jù)按照同樣的邊界進行裁切，通過對應(yīng)數(shù)據(jù)單元替換的方式實現(xiàn)時序化的數(shù)據(jù)組織和表達^［2］。這種方式緩解了圖層式管理對于局部更新存在的問題，適用于地理邊界相對穩(wěn)定前提下的有限時間范圍數(shù)據(jù)更新，但是不能適用于地理邊界的持續(xù)變遷和粒度變化，且隨著更新數(shù)據(jù)的不斷增多，裁剪模型不斷碎片化，數(shù)據(jù)管理和渲染效率瓶頸問題會不斷凸顯。

此外，上述方法僅考慮了傾斜攝影模型內(nèi)部的更新問題，并未全面考慮地理場景的整體更新。目前，傾斜攝影模型的覆蓋比例還相對較低，往往僅涉及市縣范圍有限次數(shù)覆蓋，上述更新問題尚未凸顯。隨著實景三維中國建設(shè)工作的全面推進，高精度數(shù)字高程模型、數(shù)字正射影像等地形級地理場景建設(shè)成果正在實現(xiàn)全國覆蓋，現(xiàn)有技術(shù)方法將難以滿足各級地理場景持續(xù)更新的需求。

1 方法的設(shè)計與實現(xiàn)

1.1 總體思路

全球離散網(wǎng)格將全球范圍按照統(tǒng)一投影方式和剖分規(guī)則將全球地理空間劃分為形狀一致、空間連續(xù)、無縫無疊、無限遞歸的多層次離散化空間區(qū)域單元。在地形級通常采用正方形格網(wǎng)構(gòu)建數(shù)字正射影像和數(shù)字高程模型瓦片金字塔，而在城市級則一般僅基于有限地理范圍構(gòu)建局部金字塔。

本文方法基于全球離散網(wǎng)格思路，統(tǒng)一城市級與地形級地理場景的空間索引結(jié)構(gòu)，優(yōu)化時空檢索效率，降低大范圍數(shù)據(jù)更新和接邊處理復(fù)雜度，將三維數(shù)據(jù)更新中的重建計算問題轉(zhuǎn)化為不同時點同名模型或頂點的替換問題。在數(shù)據(jù)生產(chǎn)組織層面，結(jié)合現(xiàn)有三維模型瓦片生產(chǎn)基礎(chǔ)，形成兼容于全球離散網(wǎng)格的模型生產(chǎn)組織策略；在時空索引更新層面，開展多期數(shù)據(jù)的時空索引更新處理，在兼容三維地理信息數(shù)據(jù)服務(wù)規(guī)范的前提下^［3］，逐瓦片實現(xiàn)對城市級和地形級地理場景的更新，從而達到提升對于海量實景三維數(shù)據(jù)時序化管理能力與應(yīng)用效果的目的。本文研究的總體技術(shù)路線如圖1所示。

1.2 模型數(shù)據(jù)生產(chǎn)組織策略

傾斜攝影模型為確保建模計算和成果可視化效率，在生產(chǎn)階段均會將連片的三維場景模型剖分為網(wǎng)格形式的分塊模型分別建模。在具體實踐中，這些分塊模型的剖分規(guī)則一般針對測區(qū)范圍自適應(yīng)配置，隨意性較強，不具備直接支撐全局統(tǒng)一網(wǎng)格索引的條件。

本文方法首先參考WebMercatorQuad剖分規(guī)則^［4］，在分塊建模階段，以球面墨卡托為分塊空間參考系，以第18級網(wǎng)格長寬作為分塊大小，以指定網(wǎng)格角點為分塊原點進行分塊建模。

（1）WebMercatorQuad剖分規(guī)則現(xiàn)階段是網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下影像地圖瓦片的主流剖分形式，包括國家天地圖、高德地圖、百度地圖等均優(yōu)先采用該方式對影像和矢量數(shù)據(jù)進行金字塔建模?；谠撈史植呗陨a(chǎn)的模型可與地形級影像或模型數(shù)據(jù)瓦片建立一一對應(yīng)關(guān)系，有利于開展地形級實景三維聯(lián)動更新。

（2）分塊大小與建模計算硬件水平關(guān)系密切，分塊越大，所需內(nèi)存容量越大。本文選取的第18級網(wǎng)格分塊的大小約為150 m，在地面分辨率為0.03 m時內(nèi)存占用小于16 GB，符合現(xiàn)階段主流計算平臺的內(nèi)存配置情況，最大限度保證了本文方法推廣的普適性。

（3）建模處理的理想分塊原點為分塊坐標系原點，但是受限于如ContextCapture等傾斜攝影建模軟件分塊尺寸的數(shù)值精度限制，距離模型過遠的原點會造成累計誤差。本文針對江蘇省級數(shù)據(jù)集成的實踐需求，選取第8級網(wǎng)格第213列第103行左上角點作為分塊原點。該點處于全省幾何中心附近，可以有效減少各個方向上的累計誤差。

基于上述規(guī)則，按照本文方法構(gòu)建的模型瓦片結(jié)構(gòu)如圖2所示，符合“Tile_【列索引號】_【行索引號】”規(guī)則，其中【列索引號】=【瓦片所處第8級網(wǎng)格列】-218 112，【行索引號】=105 471-【瓦片所處第8級網(wǎng)格行】。

1.3 時空索引更新處理方法

前述方法獲取了以文件形式松散組織的模型瓦片，不同數(shù)據(jù)間還需建立起可直接支撐更新處理操作的顯式關(guān)聯(lián)關(guān)系。本文以開放源代碼的PostGIS數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，進行以下處理操作。

（1）構(gòu)建時空索引。對每一期分塊瓦片數(shù)據(jù)，采用由左至右、由上至下順序的Z填充曲線記錄瓦片間的空間串聯(lián)關(guān)系^［5］，管理瓦片的空間索引順序編碼，同時采用B樹索引管理瓦片的時間戳信息。通過該步驟，可以快速獲取指定瓦片的空間臨近瓦片和時間臨近瓦片。

（2）傾斜模型增量更新。當(dāng)有更新傾斜模型數(shù)據(jù)時，對更新數(shù)據(jù)中的瓦片按照空間索引順序碼進行遍歷，查詢每一塊更新數(shù)據(jù)瓦片的時間臨近瓦片信息。若存在需進行更新的舊傾斜模型瓦片，則進行替換處理，否則直接進行新增處理。在替換或更新處理完畢后，利用面向Web的城市級表面三維模型數(shù)據(jù)優(yōu)化方法進行頂層節(jié)點合并，重建細節(jié)層次實現(xiàn)性能優(yōu)化^［6］。

（3）地形模型聯(lián)動更新。與增量更新類似，首先，對更新數(shù)據(jù)中的瓦片按照空間索引順序碼進行遍歷。對于需要進行聯(lián)動更新處理的瓦片，按照指定采樣間隔對模型進行重采樣處理，獲得數(shù)字表面模型。接著，利用柵格數(shù)據(jù)空間分析方法，對數(shù)字表面模型瓦片與原始地形模型進行沖突判斷和處理，更新原始地形中的低現(xiàn)勢性區(qū)域。最后，局部重建更新后的地形模型瓦片。

2 實驗驗證

本文選取江蘇省內(nèi)某市約60 km²優(yōu)于3 cm地面分辨率的傾斜攝影模型數(shù)據(jù)和全域2 m分辨率的地形模型數(shù)據(jù)作為待更新本底數(shù)據(jù)，約20 km²優(yōu)于5 cm地面分辨率的傾斜攝影模型數(shù)據(jù)作為更新數(shù)據(jù)，驗證方法的可行性。

2.1 增量更新城市級模型

如圖3a與圖3b所示，待更新原始傾斜攝影模型數(shù)據(jù)具備更優(yōu)的地面分辨率和明度，若直接將更新數(shù)據(jù)進行全量替換，會導(dǎo)致無變化區(qū)域數(shù)據(jù)質(zhì)量的下降。實驗基于本文方法，拓展研發(fā)圖形交互式更新規(guī)則配置功能，實現(xiàn)了城市模型重點區(qū)域的按需更新。對圖3b中的新增建筑樓層、游樂設(shè)施等進行了局部更新，最終更新成果兼顧了模型整體精度質(zhì)量和局部現(xiàn)勢性的平衡（圖3c）。

2.2 聯(lián)動更新地形級模型

原始地形級模型為數(shù)字高程模型建模形成，分辨率較低，現(xiàn)勢性較差。如圖4a與圖4b所示，在建中的南北向交通樞紐仍記錄為農(nóng)用地。實驗基于本文方法，利用傾斜攝影模型更新數(shù)據(jù)自動判斷獲取了新增下沉隧道與更新前地形的幾何沖突情況（見圖4c）。進而實現(xiàn)了對地形的聯(lián)動更新處理：更新后的地形模型局部分辨率優(yōu)于亞米級，現(xiàn)勢性達到了2022年（圖4d）。

3 結(jié)語

本文在模型生產(chǎn)組織策略階段，依據(jù)傾斜攝影模型數(shù)據(jù)特點，基于全球離散網(wǎng)格剖分思想，實現(xiàn)了模型瓦片數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一，在保證工程應(yīng)用可推廣可復(fù)制的同時，解決了更新數(shù)據(jù)的標準化問題。在時空索引更新處理方法階段，在對標準化模型構(gòu)建統(tǒng)一時空索引的基礎(chǔ)上，分別實現(xiàn)了傾斜攝影模型對城市級和地形級地理場景的更新策略，解決了多級別地理場景如何高效持續(xù)更新的問題。最后，以地形級和城市級地理場景更新為實驗對象，驗證了方法的可行性，為省級及以上級別的大范圍地理場景更新工作提供了方法參照，實用性顯著。

參考文獻

［1］楊榮幫.無人機傾斜攝影測量在城市更新中的應(yīng)用［J］.測繪與空間地理信息，2021（7）：217-220.

［2］鮑鵬，霍亮，王銳，等.基于道路格網(wǎng)的城市三維數(shù)據(jù)增量更新技術(shù)研究［J］.地理信息世界，2018（1）：101-104.

［3］邱天，李佩，呂志慧.三維地理信息數(shù)據(jù)服務(wù)規(guī)范研究與實踐［J］.地理空間信息，2020（9）：28-31.

［4］Open Geospatial Consortium.OGC two dimensional tile matrix set［EB/OL］.（2019-10-06）［2022-05-11］.http：//docs.opengeospatial.org/is/17-083r2/17-083r2.html.

［5］徐紅波，郝忠孝.基于空間填充曲線網(wǎng)格劃分的最近鄰查詢算法［J］.計算機科學(xué)，2010（1）：184-188.

［6］赫春曉，呂志慧，邱天，等.面向Web的城市級表面三維模型數(shù)據(jù)優(yōu)化方法［J］.江蘇科技信息，2020（31）：47-51.

（編輯 何 琳編輯）

3D real scene updating method based on oblique photogrammetry model

Qiu Tian， He Chunxiao， Zhu Zhouhua， Lyu Zhihui

（Jiangsu Provincial Research Institute of Surveying amp; Mapping， Nanjing 210013， China）

Abstract：" When using oblique photogrammetry model to update the 3D real scene models， there are some problems such as the limitation of updating mode and the complexity of data processing and calculation. Being directed against the tile structure of 3D scene data， this paper proposes the technical strategies and methods suitable for the incremental updating and the linkage updating by integrating the two stages of data product organization and spatiotemporal index based processing. Experimental results show that the method proposed in this paper can adapt to the rapid updating of terrain-level as well as city-level scene models， and has good practicability.

Key words： oblique photogrammetry model; 3D real scene; data update; spatiotemporal index