實景三維模型在大比例尺測圖中的應用研究

任江峰 穆志杰

（自然資源部第二地形測量隊，陜西 西安 710054）

0.引言

近年來，自然資源部持續推進實景三維中國建設，并在北京、上海、武漢、西安等開展了一系列的項目試點和技術攻關工作，為多源數據采集和三維模型數據生產等方面積累了寶貴的技術經驗。同時，各級地方政府也在全面響應實景三維中國建設的各項政策和要求，積極擁抱新技術，探索新的應用場景。其中，深圳基于傾斜攝影和激光雷達等技術[1]，初步建成了城市級實景三維模型，有力支撐了地方社會經濟發展和自然資源管理等工作。2022年，山東青島作為全國典范，全面實現了面向大范圍復雜城市場景的優視航測多機協同實景三維數據采集實施驗證[2]。

目前，各行各業對傳統基礎測繪地圖產品的需求仍然巨大，特別是大比例尺地圖。在城市級實景三維建設過程中，可以基于基礎地理實體數據派生出大比例尺地圖產品，相應的技術路線和生產工藝處于研究和探索之中，基于地理實體圖元無法完全派生出大比例尺地圖，還需要使用高程點、注記和等高線等其他傳統測繪成果來參與大比例尺地圖測圖和生產過程。由于整個過程費用高、生產周期長、效率低，亟需基于實景三維中國建設過程中積累的全息測繪和實景三維建模等手段，開展1∶500—1∶2 000大比例尺測圖，以滿足城市規劃、建設和精細化治理等過程中不斷出現的需求，服務于城市管理、水利水務、生態保護、應急指揮、交通出行、文化旅游、疫情防控等應用場景，實現社會治理智能化、交通出行便捷化、生態文明可持續化，助力國家高質量發展。

1.總體技術路線

本文采用全息測繪等手段，采集高精度傾斜實景三維模型，并基于實景模型和裸眼3D觀測等技術進行大比例尺測圖，從而生產1∶500—1∶2 000范圍的大比例尺DLG矢量。基于實景三維模型的大比例尺測圖技術路線如圖1所示。

圖1 基于實景三維模型的大比例尺測圖技術路線圖

1.1 實景三維建模

實景三維模型構建包含數據源采集和實景三維模型自動化生產兩部分內容：

首先，相對于傳統RTK+全站儀數據采集方式，大比例尺測圖對數據采集效率和數據源地面分辨率提出了較高的要求。為了方便后續輸出1∶500—1∶2 000大比例尺地圖成果，此階段可以通過載人飛機或者無人機搭載傾斜航攝儀或者五鏡頭相機等設備并低空飛行，對地面進行全息測繪，從而高效地獲取地面的高精度傾斜影像。

其次，基于上述低空傾斜航飛獲取的五鏡頭影像，利用實景三維建模工具，基于集群算力和AI自動化算法，快速提取地面景物的Mesh格網模型數據，數據格式通常為.osgb。

1.2 大比例尺測圖

傳統測圖是基于帶有外方位元素的立體像對來開展的，需要采購昂貴的數字攝影測量工作站或航空立體采編平臺，如武漢大學的VirtuoZo和美國鷹圖公司的ImageStation等，對人員技能要求也較高，采集效率普遍不高；而基于實景三維模型的大比例尺測圖主要是基于傾斜或者點云等三維地理場景進行“所見即所得”方式的地圖采編，上手門檻較低，大幅度降低了項目成本，提升了大比例尺測圖的生產效率。

2.實景三維模型構建

本文基于外業航空攝影來獲取影像和GPS/IMU數據，并在業內通過攝影測量工具生產實景三維模型，具體內容包括：原始航飛、數據分析和預處理、區域網空中三角測量、三維重建等。實景三維模型數據生產的主要技術路線如圖2所示。

圖2 實景三維模型構建技術流程圖

為了進行大比例尺測圖，需要首先獲取實景三維模型。

2.1 外業數據采集

利用機載航攝儀或者無人機搭載五鏡頭相機傾斜攝影系統進行中低空航攝，獲取地面分辨率優于6 cm的航空數碼像片，同時采集少量像片控制點。

2.1.1 傾斜航飛

采用五目相機，在航線規劃軟件中進行合理的航飛任務和航線規劃，并提前人工布設靜態GPS基站或者采用連續運行參考站（CORS），然后按照規劃的航線進行航攝作業。

2.1.2 像控點采集

為了保證后續傾斜空中三角測量順利開展，需要提前進行像控點采集，包括采集一定數量的平高點和高程點，采集的點均應滿足1∶500大比例尺測圖國家規范要求，同時需充分考慮后續分區空三和測區合并工作的順利開展。在分區的外邊界和內部邊界應設置合理數量的像控點，每平方千米布設3～5個控制點。應選擇地面上固定且清晰可見的目標來標記像控點，如房屋的四角、斑馬線的端點、井蓋的中心點等。

2.2 內業模型生產

利用全自動三維建模軟件進行空中三角測量并自動重建三維模型，在傾斜模型基礎上提取實景三維模型。

2.2.1 數據分析和預處理

對提交的航攝成果進行二次檢查分析，確保數據完整、元數據信息完備。保證POS記錄信息與影像成果對應一致，無缺漏和不匹配現象；保證圖像質量和文件格式正確無誤，并且相機參數信息齊全。

2.2.2 空中三角測量

為了確定項目中每個圖像在照片或圖像曝光時的位置和方向正確，需要開展空中三角測量[3]，得到的參數稱為外方位元素。為了精確估計外方位元素，無論項目中包含多少圖像，整個區塊至少有三個地面控制點。

為了進行空中三角測量，首先需要提前收集傾斜航飛的影像數據、POS數據，以及像控點數據[4]。其次，采用改進SIFT的傾斜無人機影像匹配方法生產可靠的同名點[5]。一旦生成大量的地面同名點，則可以使用插值算法加密出大量的地面控制點，從而大大減少空中三角測量對外業像控點的依賴，間接降低項目成本。目前用于空中三角測量的商業軟件有Bently旗下的Context Capture、海克斯康IMAGINE Photogrammetry、街景工廠Street Factory等。

2.2.3 自動化建模

空中三角測量為傾斜影像數據生成了精確的外方位元素，這樣每張像片就具有了精確的位置。可以基于此開展自動化建模工作，通過人工智能和遙感圖像智能化識別技術來提取地物實景三維模型，主要過程包含點云匹配、TIN三角網構建和優化、自動紋理映射、質檢和編輯、坐標轉換等步驟。常用的自動化建模工具：大勢智慧重建大師、Skyline PhotoMesh、大疆智圖、天際航DP-Smart全自動建模平臺、瞰景Smart3D等。

（1）點云匹配：根據空中三角測量所計算出的精確的外方位元素，對傾斜影像進行密集點云匹配，生成海量的DSM數據。

（2）TIN三角網構建和優化：基于DSM中的密集點，采用內插算法，全自動構建TIN三角網，并對三角網進行平滑等處理。

（3）自動紋理映射：經過點云匹配和三角網構建，已經生成了實景三維白模，需要利用紋理匹配算法從海量圖像中選取質量最優的影像進行紋理映射處理，從而生成具備紋理色彩的實景三維模型。

（4）質檢和編輯：由于高樓和樹木之間存在遮擋、實景三維模型在水域存在破洞等問題，需要進行人工質檢，標記出問題區域并手工編輯、修復。

（5）坐標轉換：為了滿足后續大比例尺測圖對坐標系的個性化需求，需要對傾斜實景三維模型進行坐標轉換，如，從WGS84坐標系轉換到2 000地方坐標系。

3.大比例尺測圖

在構建完實景三維模型后，在實景三維智能測圖工具中，導入高精度的實景三維模型數據，便可正式開展大比例尺測圖。與傳統的基于立體像對的測圖模式有所不同，由于此處加載的是實景三維模型，所以無需佩戴3D眼鏡，而直接采用裸眼3D方式進行觀測，大大提高了測圖的便捷性，節約了成本。大比例尺測圖的主要流程如圖3所示。

圖3 大比例尺測圖技術流程圖

基于裸眼3D方式，可以采集1∶500—1∶2 000大比例尺下的各種地物矢量要素，包括房屋、道路、水系、植被、行政區界線、高程點、等高線等。在人工作業的過程中，可以結合包含直角繪制、直線繪制、智能繪制等在內的智能化手段來輔助3D采集，從而大大提高生產效率。

4.實驗流程與精度評價

為了論證本文提出的實景三維模型在大比例尺測圖工作中的可行性，精心設計以下實驗并通過實驗數據對精度進行檢驗。

4.1 測區概況

測區位于陜西省西安市某區域，測區總面積約為0.2 km2。測區主要以農房為主，房屋和樹木比較密集，對GNSS衛星信號具有一定影響且通視條件一般。

4.2 實驗設備

本項目采用國產軟硬件，主要包括：

（1）智航SF700A四旋翼無人機：最大續航約80 min，起飛重量為5.7 kg，支持仿地飛行／斷點續飛。

（2）五鏡頭T53P傾斜相機：傳感器尺寸為23.5×15.6 mm，下視焦距為25 mm，側視焦距為35 mm，圖像分辨率為6 000×4 000。

（3）南方銀河6 RTK測量系統：獲取檢查點的三維坐標。

（4）天云三維一體機：用于運行傾斜空三和實景三維重建。

（5）Ufeature3D：三維立體測圖平臺。

（6）實景三維GIS平臺：用于檢驗大比例尺DLG效果和精度。

4.3 實驗過程

根據1∶500大比例尺測圖要求，本次測區高差約20 m，滿足無人機低空攝影測量技術規范。因此決定采取無人機低空傾斜攝影測量的技術手段獲取測區的實景三維模型，并基于實景模型采集1∶500的DLG數字線劃圖，詳細步驟如下：

（1）采用智航SF700A四旋翼無人機+T53P傾斜相機獲取測區的傾斜影像。相機最優拍照間隔為0.9 s，保證航測航向重疊度80%，旁向重疊度75%，設置飛行速度為9m/s，飛行高度300 m，飛行時間46 min，共拍照9280張，場地內共布設像控點8個，布設房角檢查點12個。

（2）基于天云三維一體機對測區進行區域網空中三角測量，導出空三加密成果，精度較好，具體為：平面中誤差為0.015 m，高程中誤差為0.021 m。

（3）在天云三維一體機中導入空三加密成果，進行自動化三維重建，構建實景三維模型。

（4）將實景三維模型導入Ufeature3D軟件中，進行智能化三維立體測圖，并采集房屋要素，以滿足房地一體的應用需求。

4.4 結果分析

將1∶500房屋DLG數據導入實景三維GIS平臺：

（1）效果評估：房屋DLG數據與正射影像底圖套合完美，效果較好如圖4所示。

圖4 大比例尺測圖效果圖

（2）精度評估

利用南方銀河6 RTK測量系統隨機采集DLG矢量對應的屋頂檢查點20個，并將檢查點坐標導入實景三維GIS平臺，然后軟件自動計算檢查點與對應DLG相同位置坐標的限差：平面最大限差為0.048 m、0.032 m；平均平面中誤差為0.037 m，平均高程中誤差為0.025 m，優于1∶500地形圖（1∶500地形圖平面中誤差應不超過0.25 m，高程中誤差應不大于0.17 m）。

5.結束語

基于以上研究得出以下結論：

以全息測繪等智能化方式快速構建的實景三維模型為基礎，進行1∶500—1∶2 000大比例尺裸眼3D測圖的技術路線完全可行。該技術手段可以充分利用各地實景三維項目中積累的存量實景三維模型數據，有效地降低了項目成本，成圖效果較好，同時也滿足大比例尺地形圖成圖精度要求，具有較高的應用價值。