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、處理計算復雜等問題。文章針對地理場景數據瓦片式建模的特點，綜合模型數據生產組織和時空索引更新處理兩個階段，提出了適用于同類數據增量更新和不同類數據聯動更新的技術策略與方法。實驗驗證表明，文章提出的地理場景更新方法能夠適應地形級和城市級模型的快速更新，在工程應用領域具備良好實用性。

關鍵詞：傾斜攝影模型；地理場景；數據更新；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據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和存儲，具有數據體量大、結構復雜、后處理困難等特征。模型更新工作中被廣泛應用的主流方法包括：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域全量覆蓋的模型數據按圖層獨立組織，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據，以圖層為基本更新單元，數據間耦合度極低，管理簡便。但是該方式不適用于局部數據的更新，當圖層間存在壓蓋關系時，會存在因模型重疊導致的閃面、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據按照街區、院落邊界等進行空間裁切，形成更細粒度的基本數據單元，對于更新數據按照同樣的邊界進行裁切，通過對應數據單元替換的方式實現時序化的數據組織和表達^［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定前提下的有限時間范圍數據更新，但是不能適用于地理邊界的持續變遷和粒度變化，且隨著更新數據的不斷增多，裁剪模型不斷碎片化，數據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覆蓋，上述更新問題尚未凸顯。隨著實景三維中國建設工作的全面推進，高精度數字高程模型、數字正射影像等地形級地理場景建設成果正在實現全國覆蓋，現有技術方法將難以滿足各級地理場景持續更新的需求。

1 方法的設計與實現

1.1 總體思路

全球離散網格將全球范圍按照統一投影方式和剖分規則將全球地理空間劃分為形狀一致、空間連續、無縫無疊、無限遞歸的多層次離散化空間區域單元。在地形級通常采用正方形格網構建數字正射影像和數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建局部金字塔。

本文方法基于全球離散網格思路，統一城市級與地形級地理場景的空間索引結構，優化時空檢索效率，降低大范圍數據更新和接邊處理復雜度，將三維數據更新中的重建計算問題轉化為不同時點同名模型或頂點的替換問題。在數據生產組織層面，結合現有三維模型瓦片生產基礎，形成兼容于全球離散網格的模型生產組織策略；在時空索引更新層面，開展多期數據的時空索引更新處理，在兼容三維地理信息數據服務規范的前提下^［3］，逐瓦片實現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據時序化管理能力與應用效果的目的。本文研究的總體技術路線如圖1所示。

1.2 模型數據生產組織策略

傾斜攝影模型為確保建模計算和成果可視化效率，在生產階段均會將連片的三維場景模型剖分為網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則一般針對測區范圍自適應配置，隨意性較強，不具備直接支撐全局統一網格索引的條件。

本文方法首先參考WebMercatorQuad剖分規則^［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級網格長寬作為分塊大小，以指定網格角點為分塊原點進行分塊建模。

（1）WebMercatorQuad剖分規則現階段是網絡環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、百度地圖等均優先采用該方式對影像和矢量數據進行金字塔建模?；谠撈史植呗陨a的模型可與地形級影像或模型數據瓦片建立一一對應關系，有利于開展地形級實景三維聯動更新。

（2）分塊大小與建模計算硬件水平關系密切，分塊越大，所需內存容量越大。本文選取的第18級網格分塊的大小約為150 m，在地面分辨率為0.03 m時內存占用小于16 GB，符合現階段主流計算平臺的內存配置情況，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據集成的實踐需求，選取第8級網格第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。

基于上述規則，按照本文方法構建的模型瓦片結構如圖2所示，符合“Tile_【列索引號】_【行索引號】”規則，其中【列索引號】=【瓦片所處第8級網格列】-218 112，【行索引號】=105 471-【瓦片所處第8級網格行】。

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，不同數據間還需建立起可直接支撐更新處理操作的顯式關聯關系。本文以開放源代碼的PostGIS數據庫為基礎，進行以下處理操作。

（1）構建時空索引。對每一期分塊瓦片數據，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關系^［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。當有更新傾斜模型數據時，對更新數據中的瓦片按照空間索引順序碼進行遍歷，查詢每一塊更新數據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據優化方法進行頂層節點合并，重建細節層次實現性能優化^［6］。

（3）地形模型聯動更新。與增量更新類似，首先，對更新數據中的瓦片按照空間索引順序碼進行遍歷。對于需要進行聯動更新處理的瓦片，按照指定采樣間隔對模型進行重采樣處理，獲得數字表面模型。接著，利用柵格數據空間分析方法，對數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勢性區域。最后，局部重建更新后的地形模型瓦片。

2 實驗驗證

本文選取江蘇省內某市約60 km²優于3 cm地面分辨率的傾斜攝影模型數據和全域2 m分辨率的地形模型數據作為待更新本底數據，約20 km²優于5 cm地面分辨率的傾斜攝影模型數據作為更新數據，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據具備更優的地面分辨率和明度，若直接將更新數據進行全量替換，會導致無變化區域數據質量的下降。實驗基于本文方法，拓展研發圖形交互式更新規則配置功能，實現了城市模型重點區域的按需更新。對圖3b中的新增建筑樓層、游樂設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量和局部現勢性的平衡（圖3c）。

2.2 聯動更新地形級模型

原始地形級模型為數字高程模型建模形成，分辨率較低，現勢性較差。如圖4a與圖4b所示，在建中的南北向交通樞紐仍記錄為農用地。實驗基于本文方法，利用傾斜攝影模型更新數據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）。進而實現了對地形的聯動更新處理：更新后的地形模型局部分辨率優于亞米級，現勢性達到了2022年（圖4d）。

3 結語

本文在模型生產組織策略階段，依據傾斜攝影模型數據特點，基于全球離散網格剖分思想，實現了模型瓦片數據結構的統一，在保證工程應用可推廣可復制的同時，解決了更新數據的標準化問題。在時空索引更新處理方法階段，在對標準化模型構建統一時空索引的基礎上，分別實現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.基于道路格網的城市三維數據增量更新技術研究［J］.地理信息世界，2018（1）：101-104.

［3］邱天，李佩，呂志慧.三維地理信息數據服務規范研究與實踐［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格劃分的最近鄰查詢算法［J］.計算機科學，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據優化方法［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