實景三維模型地理精度檢測與分析

郭林凱

(大連市測繪研究院，遼寧 大連 116011； 2.大連市基礎地理信息中心，遼寧 大連 116011)

實景三維模型地理精度檢測與分析

郭林凱*

(大連市測繪研究院，遼寧 大連 116011； 2.大連市基礎地理信息中心，遼寧 大連 116011)

為研究采用“機載LiDAR+傾斜攝影”技術制作的實景三維模型地理精度，以建筑的點、面、體為地理空間特征，采用內外業檢測對比的方法，結合數據源分析傾斜影像、LiDAR點云數據對實景三維模型地理精度影響的原因以及分布規律，總結出實景三維模型地理精度檢測，可以簡化為對建筑樓頂點、樓側點、樓底點的檢測，來評價實景三維模型的地理空間精度。

傾斜攝影；機載LiDAR；實景三維模型；地理精度；精度檢測

1 引 言

隨著傾斜攝影、機載LiDAR、車載信息采集系統等技術手段不斷應用于測繪生產，由于其能夠獲取全面、豐富、真實的地表覆蓋信息，因而能夠大大提高地表三維測量的可靠性和測量精度，可以快速建立城市實景三維模型，簡化了模型紋理獲取和處理方法[1]。也隨著大數據、大智慧、云計算技術推動，人們利用計算機識別事物空間地理位置的需求從三維模擬地圖上升了到實景三維模型，實景三維模型因其具有精細化、真實化、可量測、可分析的特征，近年來，已成為國內外科技關注的熱點[2]。然而，實景三維模型作為一種新型的測繪產品，有必要研究實景三維模型地理空間位置的準確性，通過研究有利于提高實景三維模型在“智慧城市”應用中準確性、可靠性分析。

2 實景三維模型概況

以大連主城區制作的實景三維模型為研究對象，基本信息以及實現過程如下：

2.1 數據源

(1)建筑物紋理

采用直升機平臺搭載多角度傾斜攝影測量系統SWDC-5獲取 6 cm傾斜航空影像，下視角影像由 50 mm鏡頭獲取，主要用于實景三維模型的頂部紋理；前后左右四個視角影像由呈45°視角 80 mm鏡頭獲取，主要用于實景三維模型的側面紋理[3]。

(2)激光點云

采用運-5飛機平臺搭載ALS70-HP機載LiDAR測量系統，點間距優于0.5 m，點密度大于等于4點/m2。

(3)POS系統

SWDC-5和ALS70-HP集成了POS系統，基于全球定位系統(PGS)和慣性測量裝置(IMU)，直接測定5個視角的每張傾斜影像外方位元素和激光點的外方位元素[4]。

(4)地面控制

以測區內的大連市連續運行基準站綜合服務系統(DLCORS)2個站點作為傾斜攝影和機載LiDAR測量的地面站點；采用GPS精密單點定位，IMU和GPS數據聯合解算的平面位置偏差不大于 0.15 m，高程位置偏差不大于 0.5 m，速度偏差不應大于 0.6 m/s；以DLCORS為基準，進行傾斜像控點的測量、LiDAR檢校場測量和LiDAR參考面檢核，平面精度不大于 0.05 m，高程精度不大于 0.05 m。

2.2 數據處理及精度

(1)傾斜空三加密

將傾斜影像的5個視角導入空三加密軟件中，引入航片的POS元素信息，確定單張航片在空中的大概位置以及航片間相對位置關系，建立核線幾何條件約束下的航帶間影像點位置關系，采用逐級匹配策略自動進行像點連接，并進行無約束平差解算，剔除粗差較大像點后，添加像控點坐標進行約束平差解算，形成空三加密成果[5]，其平面中誤差為 ±0.04 m，高程中誤差為 ±0.09 m。

(2)激光點云處理

聯合機載POS數據和激光測距數據，附加系統檢校數據，對每條航帶進行點云數據解算，生成地面目標點的三維空間坐標(X，Y，Z)數據，即三維點云；分析、剔除異常激光點云；根據每條航帶的實際變化情況進行航帶間平差，完成測區點云數據處理[6]，其點云高程中誤差為 ±0.148 m。

2.3 實景三維模型制作

大連主城區的實景三維模型制作采用“機載LiDAR點云構建三維模型體+傾斜影像配準貼紋理”的建模方式。簡單來說，就利用專業建模軟件對平差后的機載點云數據進行自動或人工處理提取建模物矢量特征線，生成精細化的建筑物三維模型體，將空三加密糾正后多角度影像紋理與建筑物三維模型體進行坐標匹配，實現模型與紋理的自動映射，完成實景三維建筑物模型的制作[7]。

3 實景三維模型地理精度檢測與分析

三維地理信息模型數據產品質量檢查與驗收，國家頒布CH/T 9024-2014標準，從數據組織、空間參考系、幾何精度、模型精細度、紋理精度、時間精度等方面檢查與驗收[8]。但是，實景三維模型的地理位置精度檢測沒有具體的檢查方法，僅從宏觀方面進行約束，對不同等級的三維模型僅從建模物體長、寬、高等任意維度變化上進行區分，如精細等級三維模型(如LOD3、LOD4)要求：大于 0.5 m的屋檐、陽臺應表示，模型的高度精度應優于 1 m，模型的屋頂應反映屋頂結構形式、附屬設施等細節，模型的基底應與所處地形位置處于同一水平面上，并與地形起伏相吻合等[9]。

3.1 檢測思路

地形圖是地物要素投影到地面上符號化，其地理精度檢測一般是在抽樣圖上選取若干檢查點，將圖上坐標與外業實地測量的同名點坐標進行比較，計算中誤差，確定其數學精度[10]。對三維模型的地理精度檢測，不能像檢測地形圖一樣，因為它是一個多維的實體[11]，對其進行地理精度檢測，就必須考慮搭建的三維模型是否產生的形變、位移、扭曲問題[10]。本實驗提出從建筑物的點、面、體三個方面進行模型地理精度檢測，并進行分析。

本實驗實景三維模型地理精度檢測采用高精度檢測[12]，首先，內業測量待檢測建筑物，在專業軟件下直接量取實景三維模型上對應的點位坐標、面積、體積，其次，外業采用全站儀對建筑物進行測量，獲取檢測建筑物的點坐標、面積、體積，最后比較同名檢測點、檢測面、檢測體，統計、分析實景三維模型地理精度[13]，檢查思路如圖1所示。

圖1 實景三維模型地理精度檢測思路

3.2 實景三維模型精度檢測與分析

(1)點位精度檢測與分析

實景三維模型點位精度檢測從建筑物的樓頂點、側面窗戶點、樓底點(如圖2所示)進行檢測，檢測情況如表1所示。

實景三維模型點位精度 表1

從表1看出，實景三維模型樓頂的精度較高，平面精度優于 1∶1 000地形圖(1∶1 000平面中誤差要求小于 0.5 m)的精度要求；實景三維模型樓底部的精度一般，平面精度基本滿足 1∶1 000地形圖的精度要求；側面窗戶精度較差，平面精度達不到 1∶1 000地形圖的精度要求。實景三維模型的高程精度從高到低：樓頂點>樓底點>側面窗戶點。原因分析如下：

①實景三維模型的模型體是由LiDAR點云數據進行建模的，機載LiDAR對于建筑物頂部的點云密度要優于側面和底部，在提取模型矢量邊線時頂部損失的精度要比側面和底部要小[14]，因此，頂部的平面和高程精度較高。

②實景三維模型頂部的紋理來源傾斜攝影的下視角影像，將紋理(正射影像)自動匹配到模型體上時發生變形很小，側面紋理來源于傾斜攝影的左右、前后視角影像，將紋理匹配到模型體上時，以頂部和底部為邊界，對紋理進行了微小拉伸，形成了模型頂部精度最好，底部次之，窗戶精度較差的特點[15]。

(2)面精度檢測與分析

實景三維模型面精度檢測從建筑物的樓頂面、樓側面(如圖3所示)進行檢測，檢測情況如表2所示。

圖3 檢測面示意圖

實景三維模型面精度 表2

從表2看出：實景三維模型樓頂的樓頂面精度比樓側面面積精度略高，樓頂面、樓側面室內測量面積與實際面積相差不大。原因分析如下：

①樓頂點的點位精度優于樓底部的點位精度，因此，以樓頂點構面的樓頂面積精度要高于以樓頂點與樓底部點構面的樓側面面積精度。

②本實驗實景三維模型的頂部面、側面都是通過點云數據構成矢量特征性線生成三維模型體面，由于其空間位置精度較高，因而內業測量面積與實際面積相差不大。

(3)體精度檢測與分析

實景三維模型體精度檢測相對較困難，由于大多數建筑實際包含了女兒墻、房檐、窗戶、陽臺等部件，結構比較復雜，不利于外業實際測量工作的開展，因此，本次檢測為提高效率和說明問題，選擇忽略女兒墻、沒有房檐的建筑(如圖4所示)進行測試，并忽略窗戶、陽臺等建筑物細小部件對體積影響，檢測了11個相對獨立的建筑物，檢測情況如表3所示。

圖4 檢測建筑示意圖

實景三維模型體精度 表3

從表3看出：實景三維模型室內測量體積與外業檢測的實際建筑物體積差值不大，即形變很小，說明采用“機載LiDAR+傾斜攝影”方式構建的實景三維模型真實地反映了建筑物的形態，在實際具有很強的應用價值。

4 結 論

通過本實驗發現，采用機載LiDAR、傾斜攝影等技術，能夠獲取待建建筑物的高精度空間位置信息，經過一系列技術處理后搭建的實景三維模型，地理精度檢測結論如下：

(1)采用高新測量設備和技術手段，搭建的實景三維模型具有真實的空間位置關系，其形變、位移、扭曲等方面誤差較小。

(2)通過對實景三維模型點位、面積、體積的精度檢測，發現建筑物實景三維模型地理精度檢測，主要體現在點位精度上，因此，可以將實景三維模型的檢測簡化為對樓頂點、樓側點、樓底點等建筑物特征區域、特征點的檢測，來評價實景三維模型的質量。

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Detection and Analysis of Real 3D Geographic Accuracy Model

Guo Linkai

(1.Surveying & Mapping Institute of Dalian，Dalian 116011，China； 2.Geomatics Center of Dalian，Dalian 116011，China)

For the study of using “airborne LiDAR+ tilt photography” technology in the production ofreal 3D model of geographical accuracy，building point，area and volume for the geographic features，methods of detection and contrast by inside and outside the industry，combined with the data source analysis of the influence of tilt images of LiDAR point cloud data on the Shi Jingsan dimension model precision and geographic distribution，summary a real 3D model of geographic precision detection can be simplified to the detection of building，building，building the vertex side of the bottom point，to evaluate the real 3D model of geographical space precision.

tilt photography；airborne LiDAR；three-dimensional model；geographic accuracy；accuracy test

1672-8262(2017)02-105-04

P237

B

2016—11—08

郭林凱(1979—)，男，高級工程師，注冊測繪師，主要從事航空攝影測量與遙感、地理空間信息處理、實景三維建模等方面工作。