基于傳統(tǒng)航空影像構(gòu)建城市三維模型（LOD1.3級(jí)）技術(shù)方法研究

摘"要：實(shí)景三維作為重要的新型基礎(chǔ)設(shè)施，是數(shù)字空間與現(xiàn)實(shí)空間的相互映射，是數(shù)字中國整體框架構(gòu)建的核心要素和重要內(nèi)容。城市三維模型（LOD1.3級(jí)）作為實(shí)景三維的建設(shè)任務(wù)，是實(shí)景三維建設(shè)的核心內(nèi)容。為快速推進(jìn)實(shí)景三維貴州建設(shè)，加快城市三維模型（LOD1.3級(jí)）構(gòu)建，結(jié)合貴州實(shí)際情況，探索符合貴州實(shí)際的城市三維模型（LOD1.3級(jí)）快速構(gòu)建技術(shù)方法。本文以赤水河流域白酒產(chǎn)業(yè)聚集區(qū)為研究區(qū)域，開展基于傳統(tǒng)航空影像構(gòu)建城市三維模型（LOD1.3級(jí)）技術(shù)方法的研究。

關(guān)鍵詞：傳統(tǒng)航空影像；Mesh三維模型；城市三維模型（LOD1.3級(jí)）

城市三維模型反映了城市人工建筑物的幾何空間位置、范圍、形態(tài)、紋理特征和屬性信息，以三維形式對(duì)城市人工建筑物進(jìn)行細(xì)化表達(dá)，可實(shí)現(xiàn)國土空間規(guī)劃、智慧社區(qū)、不動(dòng)產(chǎn)登記等的精細(xì)化管理，為社會(huì)民生、人口經(jīng)濟(jì)、城市規(guī)劃等政府治理和政府決策及其他各行業(yè)領(lǐng)域提供統(tǒng)一的城市建筑物三維數(shù)據(jù)底盤。目前，隨著實(shí)景三維建設(shè)持續(xù)推進(jìn)，構(gòu)建城市三維模型（DOD1.3級(jí)）生產(chǎn)技術(shù)方法繁多，但對(duì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源要求越來越高，貴州省存量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)較少、時(shí)效性較差，大部分城市三維模型（LOD1.3級(jí)）構(gòu)建方法不適合貴州。本文通過對(duì)貴州省現(xiàn)有基礎(chǔ)資料情況和現(xiàn)有技術(shù)方法分析，探索基于傳統(tǒng)航空影像構(gòu)建城市三維模型（LOD1.3級(jí)）的技術(shù)方法，找到符合貴州生產(chǎn)實(shí)際的技術(shù)方法，為實(shí)景三維貴州建設(shè)提供技術(shù)支撐。

1"前期分析

1.1"技術(shù)方法分析

城市三維模型（LOD1.3級(jí)）構(gòu)建的技術(shù)方法可根據(jù)不同數(shù)據(jù)源進(jìn)行選取，主要的技術(shù)方法包括基于高分辨率衛(wèi)星立體影像構(gòu)建三維模型、基于大比例尺地形圖構(gòu)建三維模型、基于高精細(xì)度建筑模型構(gòu)建三維模型、基于傾斜攝影數(shù)據(jù)構(gòu)建三維模型、基于LiDAR數(shù)據(jù)構(gòu)建三維模型等技術(shù)方法。根據(jù)可利用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源確定城市三維模型（LOD1.3級(jí)）的構(gòu)建技術(shù)方法，也可同時(shí)利用多種數(shù)據(jù)源，采用多種技術(shù)方法結(jié)合使用，提高生產(chǎn)效率，也可相互補(bǔ)充，使成果達(dá)到相關(guān)技術(shù)要求。

1.2"基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源分析

1.2.1"高分辨率衛(wèi)星立體影像

貴州省位于云貴高原，地形地貌復(fù)雜，高原和山地居多，全域有92.5%的面積為山地和丘陵，有“九山半水半分田”之說。貴州氣候資源豐富，長時(shí)間屬于雨季，云霧覆蓋率高。因此，高分辨率衛(wèi)星立體影像獲取相對(duì)困難。

1.2.2"大比例尺地形圖

貴州省大比例尺地形圖極少，且時(shí)效性較差，數(shù)據(jù)分布于各個(gè)領(lǐng)域，收集和匯總困難，只能滿足小范圍的生產(chǎn)需求。

1.2.3"高精細(xì)建筑模型

貴州省基本無高精細(xì)的建筑模型，只有住建部門有部分高精細(xì)建筑模型，數(shù)據(jù)范圍小，現(xiàn)勢性較差，無法滿足全省范圍生產(chǎn)需求。

1.2.4"傾斜三維模型和LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)

傾斜三維模型和LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)只有覆蓋少部分中心城市區(qū)域，大部分現(xiàn)勢性也不滿足要求，且生產(chǎn)成本較高，軟硬件需求較高。

1.3"綜合分析

貴州省基礎(chǔ)存量數(shù)據(jù)極少，現(xiàn)勢性較差，且地形地貌復(fù)雜，氣候多變，導(dǎo)致獲取數(shù)據(jù)源困難。根據(jù)目前主要技術(shù)方法對(duì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源選取要求，以主要技術(shù)方法開展大面積城市三維模型（LOD1.3級(jí)）生產(chǎn)，需投入大量的人力、物力、財(cái)力，以貴州省目前財(cái)政狀況分析，難以支撐其生產(chǎn)和實(shí)施。所以，目前主要的城市三維模型（LOD1.3級(jí)）構(gòu)建技術(shù)方法不適合貴州生產(chǎn)實(shí)際。

2"研究思路

為全面推進(jìn)實(shí)景三維貴州建設(shè)，以提高貴州省城市三維模型（LOD1.3級(jí)）生產(chǎn)效率，整合全省基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資源，有效利用現(xiàn)有存量數(shù)據(jù)，以最大化地節(jié)約資源投入為基本原則，根據(jù)全省已有基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料情況，開展城市三維模型（LOD1.3級(jí)）快速構(gòu)建技術(shù)方法研究。

3"研究方向

目前，貴州省已建立遙感影像“1+5”統(tǒng)籌體系，通過事權(quán)財(cái)權(quán)集中統(tǒng)一、建立統(tǒng)籌服務(wù)平臺(tái)、多項(xiàng)機(jī)制協(xié)同運(yùn)行等舉措，為全省遙感影像獲取、生產(chǎn)、實(shí)施、管理等方面提供了有效支撐。可基于全省遙感影像統(tǒng)籌機(jī)制，獲取高分辨率航空遙感影像數(shù)據(jù)，作為城市三維模型（LOD1.3級(jí)）構(gòu)建的主要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源。

本研究結(jié)合貴州省實(shí)際情況，探索基于傳統(tǒng)航空遙感影像構(gòu)建城市三維模型（LOD1.3級(jí)）的技術(shù)方法，為全省城市三維模型（LOD1.3級(jí)）快速構(gòu)建提供有效的解決方案，為實(shí)景三維貴州建設(shè)提供基礎(chǔ)支撐。

4"區(qū)域選取與資料情況

4.1"研究區(qū)域選取

本次研究區(qū)域選取貴州省赤水河流域白酒產(chǎn)業(yè)園聚集區(qū)，面積約188km2。研究區(qū)域具有貴州特色，地形地貌特征與全省相似，且數(shù)據(jù)資源齊全，參考資料豐富，能滿足研究需求。

4.2"資料收集情況

依托貴州省遙感影像統(tǒng)籌機(jī)制，收集到研究區(qū)域范圍內(nèi)航空攝影成果，分辨率優(yōu)于0.05m，現(xiàn)勢性為2022年，包含原始航片、外方位元素及像控點(diǎn)成果。資料滿足1∶500航空影像生產(chǎn)技術(shù)要求。

5"總體技術(shù)路線

基于收集的航空攝影數(shù)據(jù)和控制資料，通過空三加密、密集點(diǎn)云匹配、紋理貼附等生產(chǎn)Mesh三維模型，點(diǎn)云降噪生產(chǎn)數(shù)字表面模型（DSM），濾波、特征點(diǎn)線編輯等處理生產(chǎn)數(shù)字高程模型（DEM），利用生產(chǎn)的Mesh模型進(jìn)行建筑物矢量邊界立體采集，基于數(shù)字表面模型（DSM）和數(shù)字高程模型（DEM）獲取建筑物頂部高程和底部高程信息提取、體塊模型構(gòu)建、紋理貼附等構(gòu)建城市三維模型（LOD1.3級(jí)）。流程圖見圖1。

5.1"Mesh三維模型生產(chǎn)

基于傳統(tǒng)航空影像數(shù)據(jù)，結(jié)合相關(guān)控制資料，進(jìn)行空中三角測量及定向建模，匹配像素級(jí)高精度密集點(diǎn)云；基于密集點(diǎn)云成果，通過構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)，構(gòu)建白模；通過模型人工編輯、修飾及紋理映射，生產(chǎn)Mesh三維模型。

（1）影像預(yù)處理。對(duì)原始航空影像進(jìn)行色彩、亮度和對(duì)比度的調(diào)整和勻色處理，為空中三角測量做準(zhǔn)備。

（2）空中三角測量。根據(jù)研究區(qū)域地形地貌特征，對(duì)研究區(qū)域進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)劃分，在區(qū)域網(wǎng)內(nèi)量測一定數(shù)量的連接點(diǎn)和像控點(diǎn)，結(jié)合區(qū)域網(wǎng)平差模型開展空中三角測量區(qū)域網(wǎng)平差計(jì)算，得到影像的精確內(nèi)外方位元素。

（3）密集點(diǎn)云匹配。利用空中三角測量成果及影像內(nèi)外方位元素進(jìn)行影像匹配獲取同名點(diǎn)，提取像素級(jí)密集點(diǎn)云，通過構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)，得到三維白模成果。

（4）紋理貼附。利用航空影像的內(nèi)、外方位元素與三維白模進(jìn)行特征提取和匹配，進(jìn)行紋理貼附，得到Mesh三維模型數(shù)據(jù)。

5.2"數(shù)字表面模型（DSM）生產(chǎn)

基于空三解算后提取的像素級(jí)密集點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過點(diǎn)云降噪，構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)等處理，生產(chǎn)數(shù)字表面模型（DSM）。

5.3"數(shù)字高程模型（DEM）生產(chǎn)

通過對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)中非地面點(diǎn)進(jìn)行濾波，疊加在Mesh三維模型上，按照裸眼三維立體采集編輯的方式，采集必要特征點(diǎn)線，通過少量人工編輯，生產(chǎn)數(shù)字高程模型（DEM）。

5.4"建筑物矢量邊界采集

基于生產(chǎn)的Mesh三維模型，通過立體測圖的方式對(duì)建筑物邊界進(jìn)行細(xì)化采集。

5.5"建筑物底部高程信息提取

基于采集細(xì)化的建筑物矢量邊界范圍，通過疊加DEM，提取建筑物底部高程信息。將建筑物矢量邊界范圍內(nèi)的平均高程值信息賦予建筑物，完成建筑物底部高程信息提取。

5.6"建筑物頂部高程信息提取

建筑物頂部高程信息主要是基于建筑物矢量邊界范圍，通過疊加DSM或疊加Mesh三維模型，獲取建筑物矢量邊界范圍內(nèi)平均高程值信息并賦予建筑物，完成建筑物頂部高程信息提取。

5.7"體塊模型構(gòu)建

基于建筑物矢量邊界范圍，通過建筑物頂部高程減去底部高程，得到建筑物的高度信息，結(jié)合建筑物頂部高程信息和建筑物高度信息，進(jìn)行三維拉伸，構(gòu)建建筑物三維體塊模型。

5.8"紋理貼附

根據(jù)建筑物特征、結(jié)構(gòu)、色彩等特征，選取紋理庫中相對(duì)應(yīng)的紋理類型，對(duì)建筑物體塊模型進(jìn)行紋理貼附。根據(jù)貴州省城市三維模型（LOD1.3級(jí)）生產(chǎn)要求，普通建筑物采用通用紋理，標(biāo)志性建筑物采用真實(shí)紋理。效果圖如下：

6"成果質(zhì)量情況

經(jīng)具有測繪質(zhì)量檢驗(yàn)資質(zhì)的第三方機(jī)構(gòu)進(jìn)行質(zhì)量檢查評(píng)定，研究區(qū)域城市三維模型（LOD1.3級(jí)）成果質(zhì)量為：平面中誤差統(tǒng)計(jì)值最大為±0.87m，未超過平面位置中誤差限差±2.5m；高程中誤差統(tǒng)計(jì)值最大為±0.59m，未超過高程中誤差限差±1.2m；建筑物高度精度統(tǒng)計(jì)中誤差為±0.7m，未超過高度精度中誤差限差±3.0m，成果滿足城市三維模型（LOD1.3級(jí)）精度要求。

7"論證分析

7.1"可靠性分析

按照《測繪成果質(zhì)量監(jiān)督抽查與數(shù)據(jù)認(rèn)定規(guī)定》和《實(shí)景三維中國建設(shè)總體實(shí)施方案》要求，經(jīng)質(zhì)量驗(yàn)證，采用基于傳統(tǒng)航空影像構(gòu)建城市三維模型（LOD1.3級(jí)）技術(shù)方法生產(chǎn)成果滿足精度要求，研究的技術(shù)方法具備可靠性。

7.2"可行性分析

根據(jù)貴州省存量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)情況，采用主流技術(shù)方法生產(chǎn)城市三維模型（LOD1.3級(jí)），需先生產(chǎn)基礎(chǔ)資料，增加了工作量，加大了成本投入。本技術(shù)方法研究結(jié)合了貴州省遙感影像統(tǒng)籌機(jī)制，在滿足成果生產(chǎn)技術(shù)要求的條件下，充分利用省內(nèi)已有資源，避免了重復(fù)投資、重復(fù)建設(shè)，實(shí)現(xiàn)資源有效整合利用，節(jié)約了成本投入，具備經(jīng)濟(jì)可行性。同時(shí)，在可利用基礎(chǔ)資料前提下，本技術(shù)方法簡化了技術(shù)流程，降低了實(shí)施難度，具備技術(shù)可行性。

7.3"可推廣性分析

研究區(qū)域位于貴州省遵義市仁懷市，高差大、地形較為破碎，地貌有山地、丘陵、谷地等地貌類型，地形地貌豐富，研究區(qū)域地形地貌特征具備代表性，與貴州地形地貌特點(diǎn)相吻合，可在全省范圍內(nèi)進(jìn)行推廣。

結(jié)語

本文研究了基于傳統(tǒng)航空影像構(gòu)建城市三維模型（LOD1.3級(jí)）的技術(shù)方法，該技術(shù)方法整合了貴州省可利用資源，在充分利用已有基礎(chǔ)資料情況下，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)方式的創(chuàng)新，簡化了技術(shù)流程，降低了生產(chǎn)難度，降低了生產(chǎn)成本。本文為全省城市三維模型（LOD1.3級(jí)）快速構(gòu)建提供了有效的解決方案，為全面實(shí)施實(shí)景三維貴州建設(shè)提供了技術(shù)保障和支撐。

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作者簡介：朱啟雄（1992—"），男，漢族，貴州貴陽人，本科，測繪工程師，研究方向：實(shí)景三維、航空攝影、調(diào)查監(jiān)測、遙感信息與地理信息系統(tǒng)。

*通信作者：黃芳（1988—"），女，土家族，貴州銅仁人，碩士研究生，測繪高級(jí)工程師，研究方向：新型基礎(chǔ)測繪與實(shí)景三維、航空攝影測量與遙感。