城市實景三維模型精度評價分析

◎ 譚盛輝，湯明亮

廣西地圖院，廣西 南寧 530023

2018 年以來廣西自然資源廳持續開展實景三維地理信息數據生產項目，通過無人機和通航飛機，利用傾斜攝影技術對廣西主要城市建成區進行實景三維建模。2021 年自然資源部發布了《實景三維中國建設技術大綱（2021 版）》（以下簡稱《技術大綱》），指出實景三維中國的建設是落實數字中國、平安中國、數字經濟戰略的重要舉措，是落實國家新型基礎設施建設的具體部署，也是服務生態文明建設和經濟社會發展的基礎支撐。2022 年2 月自然資源部印發《全面推進實景三維中國建設》的通知，闡明了建設實景三維中國的具體內容，并為項目建設指明了方向和劃定了步驟。研究小組通過崇左市實景三維模型生產項目的一些幾何精度計算以及紋理效果分析，對比《技術大綱》的要求，分析影響實景三維模型精度的因素和其成果在新型基礎測繪中的實用性。

1 項目基本情況

1.1 項目主要技術參數

崇左市實景三維數據生產項目是利用無人機搭載5 鏡頭傾斜相機對崇左市建成區范圍約60 km2進行傾斜攝影數據獲取、像控點測量、實景三維模型建設和重要建筑物的單體化建模等。坐標系統采用2000 國家大地坐標系，高程采用1985 國家高程基準，其中垂直影像地面分辨率為0.02 m，航飛的重疊度為航向80%，旁向70%，共獲取照片約58 萬張，布設相控點243 個，檢查點70 個。

1.2 項目技術路線

項目建設基于無人機航攝獲取的多視影像，創建真實、完整、高精度的實景三維模型。即以傾斜攝影影像為基礎，經過空三加密處理后，生成測區整體的實景三維場景模型，在此基礎上，通過三維建模軟件對場景模型進行修飾，完成三維模型生產。對于近地面受遮擋或航攝影像無法表現出相應等級模型所需細節等情況的，可通過人工補拍獲取重點建筑物底層清晰紋理，靈活獲取更為詳細的建筑信息[1]。總體技術流程如圖1 所示。

圖1 實景三維數據生產技術流程圖

2 實景三維成果數學精度評價

國家對實景三維模型產品沒有具體的技術規范和驗收的技術方法，由于實景三維模型是一個多維度的產品，所以不能單純采取像地形圖一樣計算地物投影到地面同名點的誤差來確定其數學精度。該項目傾斜攝影三維模型的分辨率達到0.02 m，對照《技術大綱》中“實景三維建設內容指標表”對城市建成區及其他重點區域分辨率＞ 0.05 m、部件級分辨率＞0.03 m 的指標要求，該項目滿足城市級和部件級三維模型的要求。研究小組將檢測點設置在地面、樓頂、墻面等位置，采取了對像控點、檢查點以及地物點實地采集和模型上量測進行對比的方法，評價實景三維模型的數學精度。

2.1 控制點精度計算

該項目共布設控制點243 個，分布均勻，除城區內陡石山體，控制點覆蓋面積約70 km2，平均每平方千米布設3～4 個點，點位設在明顯且相對穩定的地物標志上，小部分控制點選取航飛前布置的地面標靶，實景三維模型有效范圍約60 km2[2]。

像控點按測量坐標展點在生成的實景三維模型上，在實景三維模型上對像控點標志進行測量，并進行誤差計算，得到控制點坐標平面中誤差為0.021 m，高程中誤差為0.031 m。其中平面最大誤差為0.049 m，位于花圃轉角；高程最大誤差為0.099 m，位于人行道轉角。該精度滿足大比例尺測圖以及高精度模型的控制測量指標要求。

2.2 地物點精度計算

研究小組在控制點精度滿足設計要求的基礎上，對地物點進行精度檢測。檢查點為航飛前布置在地面的標志點，地物點選取地面、樓頂房角、墻面標志等多個位置，主要通過RTK和全站儀對布設的地物點進行實地采集與實景三維模型上量測的對應點位進行比較。其中，不同類型的檢測點單獨進行誤差計算，誤差計算結果如表1 所示。

表1 檢查點、地物點誤差統計表

地物點中誤差計算結果顯示，地物點整體精度處于一個比較高的水平，但是把地物點按三維位置重新分類計算后，研究小組發現樓頂房角點的誤差相對較大，墻面標志點精度較地面點有所下降，平面最大誤差為0.206 m，高程最大誤差為0.240 m，是高層建筑的樓頂房角點的同一點。

2.3 單體化模型精度比較

該項目對重點建筑進行了模型單體化，利用建模軟件通過人機交互的方式進行了精細建模。三維模型成果為修飾基礎上踏平相應建筑物并與單體化模型融合的實景三維場景模型。此次研究還對比了同一單體化模型和mesh模型的幾何精度，單體化模型的幾何精度較mesh 模型有一定提高。

2.4 模型數學精度分析

從上述精度檢核結果可知，由于控制點參與了空三加密的平差，所以模型上的點位與實地坐標的誤差較小。控制點最大高程誤差出現在人行道拐角，經檢核，該點實測點位為人行道下方，刺點點位為人行道上，重新量測后高程誤差為0.021 m。由此可見，個別控制點誤差對整個實景三維模型精度影響不大。

檢查點和實測的地物點沒有參與模型生產的平差計算，其誤差更能體現該模型的整體精度水平。對比檢查點和地物點的誤差值，整體中誤差比控制點的誤差結果高。檢測地物點的最大平面誤差和高程誤差出現在一棟高層建筑頂樓房角同一點位，誤差均超過了0.2 m。觀察其他地物點，發現位于地面的標志物無論是平面誤差或是高程誤差都相對較小，位于建筑物上的檢查點誤差相對較大，且高程誤差在同一區域呈線性變化，即建筑越高，其高程誤差相對越大。

單體化模型通過人機交互的方式建成，對mesh 模型中的一些建筑漏洞、殘缺和變形部分進行了修正，故單體化模型較mesh 模型的精度有所提升。此次研究還發現模型中高密度植被覆蓋區域的地面高程較難獲取，如林地、甘蔗地等，研究區以城市為主，計算數學精度時主要選取城市中的主要地物進行計算。

3 實景三維模型紋理精度分析

實景三維模型除了有高精度的位置信息，還具有豐富的輪廓和紋理信息，場景、建筑和真實世界高度一致。高分辨率的實景三維模型能把更多的信息還原到計算機中，供用戶使用。紋理的完整性和清晰度直接影響到模型中要素的豐富程度，該項目模型的分辨率達到0.02 m，研究小組對照《技術大綱》中基礎地理實體和大比例尺地形圖采集規范中的要素要求，分析一些主要地理實體在實景三維模型上的效果。

（1）水系實體。自然河流、湖泊、水庫的邊線明晰；水壩、水閘等大型構筑物結構完整；涵洞等小型位置明顯，走向清晰。各類要素均滿足高精度地理信息數據要素采集的要求。大面積水面建模效果較差，mesh 模型水面不完整或為漏洞。

（2）交通實體。從內部道路到高速鐵路各等級道路的邊線和走向都清晰可見，道路材質也能通過色彩和紋理判別；橋梁結構完整，隧道進出口位置明確，核心要素的各類信息滿足采集的需求；部分區域出現道路路面扭曲、不平整的現象。

（3）建筑物及場地設施實體。實景三維模型完整地展現了各類大小型建筑物和場地的結構、范圍、材質等信息。模型＞0.5 m 的獨立結構呈立體顯示并能滿足采集的要求。高層建筑容易出現結構缺失，弱紋理結構（玻璃幕墻、大面積純色構筑物）容易出現漏洞，建筑物隱蔽部分和底部商鋪結構不完整。

（4）管線實體。模型中絕大部分區域能比較清晰地展示出電桿、路燈、井蓋、消防栓等小體量實體的位置、形狀等信息，但是要素類型和用途信息不夠顯著，如同為圓形的井蓋區分不出用途，管線等線狀要素建模效果較差，不能表示線路走向等。

（5）地名地址實體。該項目模型分辨率達到2 cm，能清晰看到沿街單位或鋪面的招牌，方便各類地名地址數據的采集。但存在遮擋導致航拍不能獲取數據的部分會造成數據丟失的情況。

（6）院落實體、行政區劃單元、自然地理單元和農用地土質單元等面狀實體。在模型上為面積較大的實體，要素邊界在模型上可以比較完整準確采集。

4 解決方案

通過對實景三維模型幾何精度和紋理效果的分析，研究小組提出了一些在應用過程中碰到的問題。研究小組在測區中選取部分區域通過調整方案重新航飛建模實驗，在提高精度和改善建模效果上提出以下幾點建議。

（1）合理布設控制點。實景三維模型在建模過程中會匹配大量的同名點，模型結構緊湊，連接強度大。采用具有RTK 等導航系統的無人機航拍儀獲取的照片具有高精度的POS 信息，在控制點滿足要求的情況下，控制點數量和數學精度不成正比，大量控制點的刺點工作容易導致錯刺和誤刺，從而影響整個模型的精度。研究小組選取測區中5 km2的數據進行重新加密建模，精度結果如表2 所示，發現每平方千米布設2～3 個控制點較為合適[3]。

表2 控制點數量與幾何精度比較表

（2）調整控制點設置。研究小組在對地物點誤差分析時發現，貼近地面的地物數學精度優于高層建筑，其原因是觀測誤差和全站儀大仰角、長距離引起的儀器誤差，后經過RTK 復核發現高程誤差有所降低，但還是遠超地面檢查點高程精度。考慮到控制點都設置在地面，模型局部缺少垂直方向的約束。因此，研究小組在誤差最大區域中最高的建筑樓頂布設了一個控制點，重新加密建模，發現該區域模型的高程精度明顯提升。由此可見，在高層建筑上布設控制點的方式有利于提高整個模型的三維精度。

（3）優化航拍路線方案。按照航飛地區的整體情況設置航飛區塊，對于重點區域或高層建筑區需提高航拍的重疊度，保證建筑物頂部的重疊度滿足精細建模的要求。一些超高層建筑區，需在原來航飛的基礎上，提高航拍的高度再次拍攝，把不同高度航拍的照片一起加密建模，以獲得較好的實景三維模型效果，對一些超高層建筑的頂部結構還原較好。實驗發現，對一些重點建筑采取環繞飛行航拍的方式進行建模可以得到較好的模型效果。

（4）場景修飾和建筑單體化。加密后計算機生成的mesh 模型中的地形要素、建筑要素、交通要素等地表要素相互聯結，以多級不規則三角網的形式按照一定的數據結構進行數據組織。原始模型存在失真、變形、漏洞、紋理拉花等缺陷。許多無用三角網也造成了大量數據冗余，要提高實景三維模型的精度和實用性，需對場景進行修飾以及對重點建筑單體化。

5 結 語

研究小組通過此次研究發現，實景三維模型作為一種計算機技術和攝影測量技術相結合的產品，不但能真實還原現實世界，還具有較高的數學精度和紋理精度。項目成果滿足《技術大綱》中城市級實景三維建設內容中數據精度和地理實體的采集要求。對照《GBT 15967—2008 1 ∶500 1 ∶1 000 1 ∶2 000地形圖航空攝影測量數字化測圖規范》，該模型精度滿足1 ∶500 地形圖的采集要求。由此可見，從最新的實景三維建設方案到傳統的地形圖測量，實景三維模型是一種全要素、高精度、可量測的三維數字化產品，作為一種基礎地理信息資源，為各行各業的應用提供了一個良好的基礎地理框架[4]。研究小組提出的一些影響模型成果精度的因素和解決方案，可為今后實景三維建設項目的開展提供參考。