數(shù)字績(jī)溪地理空間框架建設(shè)三維實(shí)景建模分析

戴錫花

（安徽省第三測(cè)繪院，合肥230601）

1 引言

地理空間框架主要通過(guò)對(duì)資源分布、人口、礦產(chǎn)、土地、水系、交通、地貌、地形、城市設(shè)施以及行政區(qū)劃等信息進(jìn)行全面采集，進(jìn)而為民眾生活、企業(yè)電商、政府宏觀管理等提供有效的地理數(shù)據(jù)保障。傳統(tǒng)地理信息體系主要以二維地理數(shù)據(jù)處理為主，無(wú)法使用三維空間進(jìn)行充分表達(dá)，無(wú)法滿足民眾對(duì)三維空間的分析與查詢需求。在信息技術(shù)快速發(fā)展的過(guò)程中，三維地理空間建模已成為地理數(shù)據(jù)系統(tǒng)的重要組成部分，可以有效促進(jìn)城市建設(shè)發(fā)展，提升城市服務(wù)水平[1]。

2 3D地理空間模型構(gòu)建關(guān)鍵問(wèn)題

1）DEM，即數(shù)字高程模型。DEM 數(shù)據(jù)能夠形成3D 地理空間模型地形框架，建筑物模型以及DOM（數(shù)字高程模型）數(shù)據(jù)等均是在DEM 表面進(jìn)行粘貼辨識(shí)。另外，對(duì)于立交橋、河流以及其他地貌復(fù)雜的圖像數(shù)據(jù)，常規(guī)DEM 數(shù)據(jù)在3D 地理空間情況表達(dá)方面準(zhǔn)確性不夠，所以，應(yīng)結(jié)合具體情況，科學(xué)修改DEM 數(shù)據(jù)。

2）確定模型層次和細(xì)節(jié)程度。人類視覺(jué)規(guī)律中，目標(biāo)物越近，其清晰度也會(huì)越高，在視點(diǎn)不斷靠近的過(guò)程中，模型與紋理逼真程度也會(huì)不斷增加。然而，隨著模型與紋理逼真程度的不斷增加，數(shù)據(jù)量也會(huì)大幅度增加，所以，需要科學(xué)取舍與地物要素相關(guān)的外部特征，合理確定系統(tǒng)工作效率和真實(shí)效果的平衡點(diǎn)。要保證系統(tǒng)工作效率得到充分提升，應(yīng)針對(duì)建筑物進(jìn)行模型層次劃分。3D 地理空間模型劃分方法多種多樣，從整個(gè)場(chǎng)景的角度進(jìn)行分析，細(xì)節(jié)層次能夠劃分為3 個(gè)；從目標(biāo)個(gè)體角度分析，節(jié)點(diǎn)層次能夠劃分為7 種以上[1]。

3）場(chǎng)景模擬以及分析。健全的場(chǎng)景模擬功能在模型建設(shè)中具有重要地位，同時(shí)，也是保證3D 城市生命力的基礎(chǔ)內(nèi)容。該功能需要以2D 分析功能為基礎(chǔ)，不斷進(jìn)行拓展，實(shí)現(xiàn)物體體積、表面積與空間距離等數(shù)據(jù)的計(jì)算，建立光照分析等模型，并分析應(yīng)急防暴、自然災(zāi)害疏散等專題項(xiàng)目。

3 數(shù)據(jù)源與實(shí)景3D模型數(shù)據(jù)構(gòu)建

3.1 數(shù)據(jù)源

數(shù)字績(jī)溪地理空間框架構(gòu)建項(xiàng)目中，實(shí)景3D 模型數(shù)據(jù)的采集是關(guān)鍵內(nèi)容，其能夠真實(shí)地呈現(xiàn)績(jī)溪縣的地理空間，為數(shù)字城市的發(fā)展提供良好的數(shù)據(jù)保障。3D 模型構(gòu)建范圍主要以績(jī)溪縣城區(qū)為主，構(gòu)建范圍面積為11.26 km2，利用SWDC-5航攝儀與B-8055 飛機(jī)按照航線前后左右以及正視方向進(jìn)行攝像，絕對(duì)航高約為750 m，圖像數(shù)據(jù)地面分辨率比優(yōu)于0.1 m。航線設(shè)計(jì)為39 條，總計(jì)獲得2 712 張圖像資料，下視鏡頭的航向與旁向重疊度始終保持在70%以上。因?yàn)槲覈?guó)對(duì)實(shí)景3D 模型并未制定明確的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，因此，該項(xiàng)目主要在滿足績(jī)溪縣數(shù)字化建設(shè)需要的前提下對(duì)精度指標(biāo)進(jìn)行確定，高程及平面精度與最近控制點(diǎn)之間的誤差應(yīng)在0.5 m 以內(nèi)[2]。

3.2 3D模型構(gòu)建

選擇傾斜測(cè)繪攝影、紋理映射、3D 紋理TIN 構(gòu)建等技術(shù)，能夠進(jìn)行全自動(dòng)3D 模型構(gòu)建。實(shí)景3D 模型構(gòu)建總體工藝流程如圖1 所示。

圖1 實(shí)景3D模型構(gòu)建總體工藝流程圖

1）布設(shè)像控點(diǎn)。目標(biāo)影像需要具備良好的清晰性，便于判斷，例如，明顯的地物角點(diǎn)以及交角明顯的線狀地物交點(diǎn)。另外，像控點(diǎn)目標(biāo)的高程變化情況應(yīng)始終保持在規(guī)定范圍內(nèi)，以保證測(cè)量與定位的準(zhǔn)確性。另外，能夠長(zhǎng)期保持相對(duì)固定的狀態(tài)。像片條件為控制點(diǎn)一般布設(shè)在航向旁向6 片或5 片重疊范圍內(nèi)，盡量達(dá)到公用。選擇GPS-TTK 方法開(kāi)展采集工作。績(jī)溪縣3D 地理空間的像控點(diǎn)數(shù)量設(shè)計(jì)為50 個(gè)。

2）空三加密。數(shù)據(jù)處理內(nèi)容主要涵蓋提取平差點(diǎn)、處理平差點(diǎn)、建設(shè)3D 模型、轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)格式等。其中，處理平差點(diǎn)的目的主要是促使各個(gè)圖像數(shù)據(jù)能夠?qū)崿F(xiàn)絕對(duì)定向，形成絕對(duì)位置，進(jìn)而保證3D 建模工作能夠獲得絕對(duì)定向依據(jù)。在實(shí)際工作中，并不會(huì)直接將控制點(diǎn)數(shù)據(jù)引入，基于外方位保證條件下，開(kāi)展自由網(wǎng)平差處理，確保各個(gè)視角圖像、相鄰圖像的連接關(guān)系更加緊密，進(jìn)而確保測(cè)區(qū)數(shù)據(jù)絕對(duì)位置具有良好的精準(zhǔn)度。

3）3D 建模。完成空三加密處理之后，能夠獲得數(shù)量充足的云數(shù)據(jù)，之后進(jìn)行數(shù)據(jù)分割，以分割區(qū)塊中的密集點(diǎn)為基礎(chǔ)進(jìn)行不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN）構(gòu)建的工作，同時(shí)，構(gòu)建白模，即無(wú)紋理地理空間3D 模型。借助3D 建模軟件中紋理映射功能與算法，可以自動(dòng)賦予所有模型三角面紋理。各個(gè)圖像的位置信息均非常精確，軟件能夠快速在大量圖像數(shù)據(jù)中選擇清晰度最高的紋理并在相應(yīng)位置模型面進(jìn)行粘貼，最后形成紋理非常真實(shí)的地理空間3D 模型[3]。

4 問(wèn)題處理

1） 軟件使用。工作過(guò)程中使用CC 軟件（Context Capture）來(lái)完成3D 建模工作。在工作期間，由于工作需求，還使用了航天遠(yuǎn)景軟件協(xié)助我們完成工作。在無(wú)約束空中三角測(cè)量（以下簡(jiǎn)稱“無(wú)約束空三”）加密時(shí)，由于數(shù)據(jù)量較大，將測(cè)區(qū)分成7 塊完成，6 塊使用CC 軟件完成無(wú)約束空三，有一塊無(wú)法通過(guò)CC 軟件完成無(wú)約束空三，后來(lái)通過(guò)航天遠(yuǎn)景軟件完成了這一塊的無(wú)約束空三。在生產(chǎn)過(guò)程中為了滿足模型修飾的需要，還使用了DP-Modeler 傾斜攝影建模、測(cè)量系統(tǒng)。

2）生成的模型主要存在以下問(wèn)題：部分水面出現(xiàn)凹凸不平、空洞的情況；個(gè)別模型出現(xiàn)破碎車輛的情況；植被、路燈、垃圾桶、廣告牌等細(xì)小、結(jié)構(gòu)單薄的物體，容易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)不完整，漂浮空中等現(xiàn)象。

根據(jù)生產(chǎn)過(guò)程中的需求，通過(guò)DP-Modeler 傾斜攝影建模、測(cè)量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)三維模型局部幾何紋理的修改。通過(guò)obj、osgb 水面修飾工具、刪除漂浮物、建筑局部修飾等功能菜單解決遇見(jiàn)的問(wèn)題[4]。

5 模型數(shù)據(jù)分析

模型數(shù)據(jù)分析主要是借助實(shí)測(cè)檢查點(diǎn)，并通過(guò)對(duì)系統(tǒng)相對(duì)位置相關(guān)模型數(shù)據(jù)點(diǎn)的采集，開(kāi)展模型精度檢核工作，隨機(jī)選擇樣本區(qū)，數(shù)量為3 個(gè)，樣本區(qū)均對(duì)模型構(gòu)建區(qū)域進(jìn)行均勻覆蓋，各個(gè)樣本區(qū)隨機(jī)選擇20 多個(gè)單位，總計(jì)67 個(gè)檢查點(diǎn)。計(jì)算高程中誤差和平面中誤差，具體公式為：

高程中誤差計(jì)算：

式中，Δxi、Δyi、Δhi為對(duì)應(yīng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)圖面坐標(biāo)與檢測(cè)坐標(biāo)分別在Ⅹ，Y，Z 三個(gè)方向上的差值；n 為監(jiān)測(cè)點(diǎn)個(gè)數(shù)，n=67。

結(jié)合上述公式進(jìn)行計(jì)算，最終得出：Mh=0.19 m，Ms=0.39 m，均在0.5 m 以內(nèi)，符合項(xiàng)目設(shè)計(jì)要求。通過(guò)精度檢測(cè)分析，實(shí)景三維模型一般情況下高程精度比傳統(tǒng)方法生產(chǎn)的模型更高，兩者的平面精度并無(wú)較大差異。

6 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，通過(guò)建立數(shù)字績(jī)溪地理空間框架3D 模型，實(shí)現(xiàn)了通過(guò)利用無(wú)人機(jī)傾斜攝影、計(jì)算機(jī)技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)實(shí)景展現(xiàn)當(dāng)?shù)氐孛蔡卣髋c地物特征，促進(jìn)地理信息數(shù)據(jù)共享發(fā)展，從而使相關(guān)用戶能夠產(chǎn)生身臨其境的感受。3D 數(shù)字城市項(xiàng)目屬于高新技術(shù)，借助3D 建模技術(shù)能夠有效構(gòu)建建筑物、地形等綜合模型，將數(shù)字城市的價(jià)值充分發(fā)揮出來(lái)。