基于實(shí)景三維技術(shù)的城市國土空間監(jiān)測(cè)理論與應(yīng)用

王小英

（甘肅大禹九洲空間信息科技有限公司，甘肅蘭州 730000）

0 引言

城市國土空間監(jiān)測(cè)作為今后年度常態(tài)化例行開展的一項(xiàng)工作，監(jiān)測(cè)相關(guān)成果將持續(xù)為國土空間規(guī)劃編制及實(shí)施監(jiān)督、城市體檢評(píng)估和用途管制等自然資源管理和國土空間治理等工作提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

1 實(shí)景三維技術(shù)的主要理論

實(shí)景三維技術(shù)是我國近些年來所發(fā)展出來的一種比較新型的地理空間信息采集技術(shù)，在人工制造的基礎(chǔ)之上增加了航空航天實(shí)景紋理，對(duì)于我國的國土規(guī)劃以及監(jiān)測(cè)包括管理方面提供了非常大的幫助。實(shí)景三維技術(shù)能夠?qū)⒌孛娓ㄖ镞M(jìn)行同時(shí)定位以及掃描，可以直接把土地的形狀包括紋理以及結(jié)構(gòu)直觀地展現(xiàn)在工作人員的面前，跟傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集進(jìn)行比較，可以發(fā)現(xiàn)，其效率提升了將近3～5 倍，使用多種原理來對(duì)于土地信息進(jìn)行采集，其中最為凸顯的是多目視覺原理以及快速分布式中的并行三維數(shù)據(jù)處理技術(shù)。在對(duì)于數(shù)據(jù)處理以及收集的過程當(dāng)中會(huì)變得更加的精準(zhǔn)，同時(shí)也能夠?yàn)橥恋刭Y源管理部門對(duì)其進(jìn)行未來規(guī)劃打下更加堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。除此之外，實(shí)景三維技術(shù)在對(duì)于數(shù)據(jù)進(jìn)行采集的時(shí)候其點(diǎn)云密度也是之前傳統(tǒng)技術(shù)的上千倍，可以說隨著實(shí)景三維技術(shù)的不斷發(fā)展，我國國土的規(guī)劃以及建設(shè)工作也會(huì)不斷的成熟[1]。

自然資源部印發(fā)了相關(guān)通知，要求必須要全面地推進(jìn)實(shí)景三維中國的建設(shè)，實(shí)景三維作為一種真實(shí)且立體，能夠反映出人類在生產(chǎn)以及生活過程當(dāng)中的時(shí)空信息，現(xiàn)在已經(jīng)成為國家在發(fā)展過程當(dāng)中的一個(gè)新的重要基礎(chǔ)設(shè)施。實(shí)景三維中國也是為數(shù)字中國發(fā)展提供統(tǒng)一的空間框架以及分析基礎(chǔ)，同時(shí)也是數(shù)字政府以及數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展過程當(dāng)中的重要生產(chǎn)要素。

隨著我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，對(duì)于空間信息的需求也提出了新的要求，原有的以二維作為基礎(chǔ)的空間信息體系開始無法跟得上社會(huì)的發(fā)展需求，需要通過實(shí)體化以及語義化的實(shí)景三維方法來對(duì)于實(shí)體空間進(jìn)行表達(dá)，以此來滿足經(jīng)濟(jì)建設(shè)對(duì)于空間信息的具體需求。

在社會(huì)發(fā)展過程中，必須要以統(tǒng)一的空間底座當(dāng)作是發(fā)展的載體，連接好人、車、物以及水、電、氣等一系列的感知數(shù)據(jù)，這就是將物理空間延伸到網(wǎng)絡(luò)空間一體化當(dāng)中，使其進(jìn)入一個(gè)萬物互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代當(dāng)中，這也就是我們所說的數(shù)字孿生時(shí)代。實(shí)景三維本身是數(shù)字孿生時(shí)代的一種產(chǎn)物，作為新基建能夠供更加具有完整性以及精準(zhǔn)度的時(shí)空數(shù)據(jù)，可以在新基建的3 個(gè)方面同時(shí)發(fā)力，包括信息基礎(chǔ)設(shè)施、融合基礎(chǔ)設(shè)施以及創(chuàng)新技術(shù)設(shè)施等，有效地推動(dòng)我國數(shù)字化產(chǎn)業(yè)以及數(shù)字經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展[2]。

2 項(xiàng)目概況

根據(jù)《自然資源部辦公廳關(guān)于開展2022 年上半年自然資源監(jiān)測(cè)工作的通知》，按照2022 年甘肅省自然資源廳關(guān)于城市國土空間監(jiān)測(cè)的工作具體安排，為了能夠確保慶陽市華池縣城市國土空間監(jiān)測(cè)任務(wù)可以順利地展開，必須要對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)分析，并且編制好整體的監(jiān)測(cè)技術(shù)方案。以2021 年的國土變更調(diào)查作為底圖來展開2022 年的慶陽市華池縣城市國土空間監(jiān)測(cè)工作對(duì)其所有的內(nèi)容進(jìn)行細(xì)化及補(bǔ)充，利用實(shí)景三維技術(shù)來掌握自然資源，包括人文地理要素等類型以及面積和范圍的具體分布情況。

華池縣境內(nèi)南北長為37～110km，東西寬度為27～84km，地形屬于北高南低，海拔控制在1100～1780m，地形主要是以山地為主的，華池縣現(xiàn)有的公路里程為1734.647km，同時(shí)當(dāng)?shù)氐乃Y源是比較貧乏的，每年的年降水量大約為19.49 億m3，境內(nèi)主要包含6 條河流，其總長度為280.3km，以子午嶺為界，分屬于兩大水系。全縣一共包含6 個(gè)鎮(zhèn)，9 個(gè)鄉(xiāng)以及111 個(gè)行政村，646個(gè)村民小組和9 個(gè)國有林場(chǎng)以及2 個(gè)良種場(chǎng)，常住人口為13.95 萬人，縣內(nèi)共包含13 個(gè)民族。

3 實(shí)景三維技術(shù)在城市國土空間監(jiān)測(cè)中的具體應(yīng)用

3.1 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)的采集

在細(xì)化空間信息的時(shí)候，主要以2021 年度國土變更調(diào)查作為底圖，并且以收集到的各種行業(yè)專題資料作為指引，套用最新的遙感影像，使用多種技術(shù)手段結(jié)合實(shí)地調(diào)查來確定好監(jiān)測(cè)對(duì)象的具體位置以及范圍，對(duì)于有獨(dú)立用地的監(jiān)測(cè)對(duì)象，矢量化相應(yīng)位置和范圍，并標(biāo)注相關(guān)屬性：對(duì)于沒有獨(dú)立用地的監(jiān)測(cè)對(duì)象，以單獨(dú)圖層表示其矢量位置，并標(biāo)注相關(guān)屬性。而對(duì)于相關(guān)部門的權(quán)威資料可以直接表明屬性的則可以直接對(duì)其進(jìn)行使用，對(duì)于監(jiān)測(cè)時(shí)實(shí)地跟2021 年度國土變更調(diào)查成果出現(xiàn)變化的，例如需要細(xì)化和補(bǔ)充相關(guān)的信息，將其細(xì)化為三級(jí)類，現(xiàn)地類則不需要細(xì)化跟補(bǔ)充，需要對(duì)其范圍進(jìn)行標(biāo)注[3]。

（1）空間信息細(xì)化的主要內(nèi)容。①在城區(qū)監(jiān)測(cè)的范圍當(dāng)中，需要對(duì)于商品住房包括保障性住房等進(jìn)行細(xì)化，同時(shí)不能夠受國土變更調(diào)查圖斑地類所產(chǎn)生的限定。②在采集存在變更等監(jiān)測(cè)對(duì)象的時(shí)候，必須要充分使用傾斜攝影模型，該數(shù)據(jù)在經(jīng)過論證之后，可以從中獲取監(jiān)測(cè)對(duì)象的具體定位以及名稱，包括各種類型，結(jié)合監(jiān)測(cè)的影像以及其他的調(diào)查成果來確定監(jiān)測(cè)對(duì)象的具體空間范圍，以此形成最終的監(jiān)測(cè)成果。在本次項(xiàng)目當(dāng)中所主要投入的傾斜攝影方面的一些設(shè)備包含GPS接收機(jī)以及圖形工作站和數(shù)據(jù)處理集群系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)服務(wù)器等一系列的內(nèi)容。本項(xiàng)目可以基于測(cè)繪地理信息新技術(shù)的攝影技術(shù)來完成數(shù)據(jù)方面的采集，有效地實(shí)現(xiàn)了實(shí)景三維建模。在對(duì)其進(jìn)行應(yīng)用的過程當(dāng)中，能夠?qū)τ诠ぷ鬟M(jìn)行協(xié)調(diào)，并且完成資料的收集，需要注意的是，在進(jìn)行正式航飛任務(wù)之前，還需要進(jìn)行空域報(bào)備審批，通過了相關(guān)部門審批之后再進(jìn)行航線的規(guī)劃以及設(shè)計(jì)，控制好航攝影片的測(cè)量。完成之后，將檢測(cè)的數(shù)據(jù)交由內(nèi)業(yè)檢查整理。需要在內(nèi)業(yè)進(jìn)行空三加密以及三維模型的重建，對(duì)于所生成的成果進(jìn)行檢查，并且需要挑選好需要修飾的模型。③對(duì)于沒有明確行業(yè)主管部門的數(shù)據(jù)，需要充分的使用城市基礎(chǔ)地理信息以及城市地級(jí)信息等數(shù)據(jù)，結(jié)合高分辨率的航空航天遙感以及低空傾斜攝影，包括地面測(cè)量等多種方法進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集以及更新，以此來獲取相應(yīng)的數(shù)據(jù)。實(shí)景三維技術(shù)解析如圖1 所示[4]。

（2）空間信息的補(bǔ)充內(nèi)容。①在城區(qū)監(jiān)測(cè)范圍當(dāng)中，需要根據(jù)專題資料以及基礎(chǔ)資料，按照單體建筑的形式對(duì)于房屋的占地面積進(jìn)行記錄，同時(shí)在占地面積達(dá)到了200m2以上的房屋建筑記錄的過程當(dāng)中，一定要標(biāo)注好其要素屬性，例如占地面積和建筑高度包括建筑總面積等。②在城區(qū)監(jiān)測(cè)范圍當(dāng)中，需要根據(jù)專題資料來采集城市的內(nèi)澇積水點(diǎn)，同時(shí)還需要對(duì)于城市的應(yīng)急避難場(chǎng)所的具體空間范圍等進(jìn)行采集，標(biāo)明其要素屬性。③對(duì)于空間信息進(jìn)行細(xì)化的時(shí)候，一定要充分地使用地級(jí)調(diào)查以及不動(dòng)產(chǎn)登記成果，把地級(jí)調(diào)查跟不動(dòng)產(chǎn)登記成果當(dāng)中的宗地具體用途的類型進(jìn)行轉(zhuǎn)換，這樣做能夠?qū)τ谟卸喾N用途的宗地按照其具體的使用途徑進(jìn)行分析。同時(shí)在采集學(xué)校包括醫(yī)院等監(jiān)測(cè)對(duì)象的時(shí)候，需要從行業(yè)主管部門來收集整理對(duì)象名錄包括屬性信息，并且按照監(jiān)測(cè)要求對(duì)其逐一地進(jìn)行位置更新，以此來達(dá)到修改屬性信息，形成監(jiān)測(cè)成果的目標(biāo)[5]。④利用實(shí)景三維技術(shù)來對(duì)于城市國土空間進(jìn)行航空測(cè)量，并且根據(jù)下發(fā)的影像來確定好地物邊界或者是定位點(diǎn)時(shí)，如果界限非常分明，采集精度一般來說應(yīng)該控制在5 個(gè)像素當(dāng)中，如果存在特殊的情況，采集精度需要控制在10 個(gè)像素當(dāng)中。⑤在對(duì)于城市道路信息進(jìn)行采集的時(shí)候，應(yīng)該只采集已建成的道路要素，采集道路的實(shí)況信息，確保路網(wǎng)的連通性，同時(shí)如果遇到了橋梁和隧道等要素的時(shí)候，也需要確保其中心線的連通性，并且還需要確保道路的中心線和橋梁以及隧道等要素之間的中心線的重合。

3.2 外業(yè)工作的編制

在進(jìn)行外業(yè)調(diào)查的時(shí)候，依托的是大數(shù)據(jù)引領(lǐng)下的國土調(diào)查云平臺(tái)，在平臺(tái)當(dāng)中有最新的天地圖像當(dāng)做是底圖，將內(nèi)業(yè)沒有辦法確定而需要外業(yè)進(jìn)行調(diào)查的圖層添加字段進(jìn)行標(biāo)注并且將其上傳到國土調(diào)查云當(dāng)中。為了能夠方便于外業(yè)工作，對(duì)需要外業(yè)調(diào)查的各種信息進(jìn)行標(biāo)注，需要使用軟件疊加規(guī)劃的路線以及監(jiān)測(cè)影像，制作好外業(yè)調(diào)查的電子版指引圖，以此來為外業(yè)調(diào)查提供相應(yīng)的指引。

3.2.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

提取需要進(jìn)行外業(yè)調(diào)查的所有數(shù)據(jù)，主要包含細(xì)化以及需要補(bǔ)充的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、變化的鐵路包括道路以及相關(guān)沿線的交通設(shè)施等需要外業(yè)調(diào)查的內(nèi)容。

3.2.2 制作步驟

步驟如下：①制作國土調(diào)查云的數(shù)據(jù)模板，并且按照相關(guān)的要求添加字段，對(duì)其屬性進(jìn)行完善。②制作好的數(shù)據(jù)模板需要上傳舉證圖斑。③根據(jù)制定的路線圖，按照調(diào)查云的指引，對(duì)于疑問圖斑在調(diào)查云平臺(tái)進(jìn)行實(shí)地舉證，并且在舉證之前對(duì)調(diào)查的結(jié)果進(jìn)行標(biāo)注，主要包含面層、線層以及點(diǎn)層等。

3.2.3 三維全景3D 實(shí)景地圖核心技術(shù)

（1）實(shí)景還原。將要生成3D 電子實(shí)景地圖的場(chǎng)景數(shù)字化，利用三維軟件（3DMx 和Multigen 等）建立720°三維虛擬地圖模型。對(duì)場(chǎng)景中所需要建立的建筑與景觀將三維場(chǎng)景和三維模型進(jìn)行集成，并建立三維實(shí)體的屬性庫。

（2）3D 圖形可視化。三維實(shí)景3D 電子地圖的可視化是利用三維立體圖形學(xué)的知識(shí)來實(shí)現(xiàn)三維全景地圖的六大要素（水系、地貌、居民地、交通、境界等）來實(shí)現(xiàn)3D 實(shí)景電子地圖可視化展示，三維全景3D 實(shí)景地圖的三維可視化，是根據(jù)航空拍攝來進(jìn)行坐標(biāo)定位，根據(jù)地圖實(shí)景選取相關(guān)材質(zhì)，對(duì)三維立體地圖模型進(jìn)行材質(zhì)貼圖，三維全景3D 實(shí)景地圖三維模型細(xì)節(jié)的修改與處理，角度和細(xì)節(jié)調(diào)整，最終生成三維實(shí)景地圖3D 圖形可視化。

（3）場(chǎng)景漫游。在地圖應(yīng)用中自定義Content Provider接口，將地圖軟件.獲取到的定位信息進(jìn)行三維場(chǎng)景可視化，在三維可視化三維模型場(chǎng)景中漫游，根據(jù)3D 大數(shù)據(jù)可視化獲取到的定位信息選擇場(chǎng)景中指定的Camera，進(jìn)行實(shí)時(shí)渲染[6]。

3.3 基于實(shí)景三維技術(shù)對(duì)內(nèi)外業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯以及整理形成空間監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

在進(jìn)行內(nèi)業(yè)編輯整理的過程當(dāng)中，主要是以任務(wù)區(qū)作為單位來匯集前面所有工序的成果以及相關(guān)資料，在這樣的基礎(chǔ)之上，通過綜合判斷以及編輯整理形成完整的數(shù)據(jù)成果，具體的工作主要包含根據(jù)內(nèi)業(yè)的調(diào)查成果，對(duì)于之前所有采集的信息進(jìn)行編輯，使其能夠跟外業(yè)調(diào)查的結(jié)果進(jìn)行匹配，匯集外業(yè)拍攝并且經(jīng)過整理之后所有合格的照片，形成實(shí)地照片成果表。利用所收集到的最新專題信息數(shù)據(jù)主要針對(duì)反映社會(huì)管理現(xiàn)狀的具體屬性進(jìn)行分析以及判斷，對(duì)于變化的屬性進(jìn)行更新，完成跟其他的任務(wù)區(qū)之間的接邊工作，完成內(nèi)業(yè)編輯整理階段的所有數(shù)據(jù)的記錄。

4 結(jié)語

綜上所述，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，對(duì)于國土空間進(jìn)行監(jiān)測(cè)以及規(guī)劃已然成為未來空間保護(hù)以及開發(fā)的總體藍(lán)圖，在國家以及經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展當(dāng)中發(fā)揮非常的作用。因此將實(shí)景三維技術(shù)使用于其中，能夠有效地促進(jìn)對(duì)于空間進(jìn)行智能化以及動(dòng)態(tài)化的規(guī)劃，使我國以更加堅(jiān)實(shí)的步伐向數(shù)字孿生時(shí)代邁進(jìn)，更加有利于國家實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略目標(biāo)。