王 斌，李朋龍，羅 鼎 ，林 娜

（1．重慶市地理信息中心，重慶 401121；2．重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院， 重慶 400074）

重慶市實景三維地理信息服務(wù)平臺建設(shè)及應(yīng)用

王 斌1，李朋龍1，羅 鼎1，林 娜2

（1．重慶市地理信息中心，重慶 401121；2．重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院， 重慶 400074）

為解決傳統(tǒng)三維仿真模型支撐城鄉(xiāng)規(guī)劃建設(shè)管理時存在的真實感不強、模型高度不準確等問題，提高三維地理信息服務(wù)的質(zhì)量水平，研究引入傾斜攝影等新型技術(shù)手段，快速構(gòu)建三維實景模型，搭建實景三維地理信息服務(wù)平臺，并在重慶市城鄉(xiāng)規(guī)劃管理中進行應(yīng)用實踐。探索了全新的三維地理信息服務(wù)模式，能為類似三維平臺建設(shè)與應(yīng)用提供借鑒。

傾斜攝影；實景三維模型；服務(wù)平臺；重慶

近年來，在城鄉(xiāng)規(guī)劃建設(shè)管理過程中，用戶逐漸要求三維地理信息平臺信息更全面、表達更真實、更易于共享，能夠支撐管理者在客觀真實、角度多樣的三維可視化環(huán)境中進行分析和判斷，從而提高管理決策的合理性和準確性。相對傳統(tǒng)的三維仿真而言，實景三維地理信息具有紋理色彩更真實、更客觀的優(yōu)點，用戶體驗也更加貼近真實世界，越來越受到廣大用戶的歡迎。

重慶有著復(fù)雜的山地城市地貌，使得傳統(tǒng)三維仿真建模工作量巨大，并且在建筑模型和地形模型匹配等方面需要投入大量的時間和精力，應(yīng)用效果欠佳。因此，如何為城市管理者提供更直觀、可靠的三維地理信息技術(shù)支撐，成為一項新的研究課題。在現(xiàn)有的數(shù)字高程模型、三維建筑模型等基礎(chǔ)上，引入傾斜攝影等新型技術(shù)手段，構(gòu)建了一個具有真實視覺體驗的實景三維環(huán)境。通過搭建三維地理信息平臺，向用戶提供便捷、詳實的信息查詢服務(wù)，并成功在重慶市城鄉(xiāng)規(guī)劃領(lǐng)域開展了應(yīng)用示范，取得了預(yù)期效果。

1 傾斜攝影數(shù)據(jù)采集與實景三維快速重建

1.1 傾斜攝影數(shù)據(jù)的快速采集

傾斜攝影技術(shù)是在同一飛行平臺上搭載多臺傳感器，同時從1個垂直、4個傾斜等5個不同的角度采集影像。傾斜攝影技術(shù)可以在較相似的攝影條件和現(xiàn)勢性條件下獲取建筑物頂部和側(cè)面的特征和紋理信息，使數(shù)據(jù)的相關(guān)性加強，能為基于圖像的自動化模型構(gòu)建創(chuàng)造條件[1]。通過傾斜攝影獲取的影像不僅能真實反映地物特性，而且每張影像都有較高精度，多角度影像也能滿足生成建筑物表面紋理需要，因而提高影像處理的速度，降低三維建模成本[2]。

本文數(shù)據(jù)采集使用相機為DM5-3600航攝儀，相機焦距為下視35 mm、側(cè)視50 mm。在航飛作業(yè)中遵循以下準則和技術(shù)指標：①地面分辨率優(yōu)于0．07 m；②航線旁向重疊70%、航向重疊80%；③足夠短的曝光時間，滿足像點位移限制；④適當縮小光圈以減小漸暈和增加景深；⑤影像不應(yīng)有云影、光斑及其他非地面景物斑點、臟點、污跡等非正常像素，有效使用范圍內(nèi)不得有明顯的“顆粒”效果。

1.2 實景三維快速建模

傳統(tǒng)城市三維建模不僅成本昂貴、效率低，其建成模型也存在紋理和色彩失真、模型高度精度差等問題。而基于傾斜影像的快速三維建模技術(shù)，是通過測區(qū)影像多視角匹配、整體聯(lián)合平差、統(tǒng)一空三解算得到測區(qū)所有影像的外參數(shù)，平面和高程都能達到很高的精度。其技術(shù)流程如圖1所示。

圖1 基于傾斜攝影的實景三維模型快速構(gòu)建技術(shù)流程

基于傾斜攝影的實景三維模型快速構(gòu)建主要包括影像預(yù)處理、多視影像匹配、區(qū)域網(wǎng)聯(lián)合平差、DSM生成、三維建模及自動紋理映射、模型整飾和編輯等關(guān)鍵內(nèi)容。傾斜攝影數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)可以通過對獲得的傾斜影像、街景數(shù)據(jù)、拍攝照片等不同來源數(shù)據(jù)進行同名點選取、多視匹配、三角網(wǎng)（TIN）構(gòu)建、自動賦予紋理等步驟，實現(xiàn)山地城市精細化實景三維模型的快速生產(chǎn)和獲取，解決了由于數(shù)據(jù)源單一造成的實景三維模型紋理拉花、結(jié)構(gòu)扭曲、破面缺面等問題。該方法僅依靠簡單連續(xù)的二維圖像，就能還原出最真實的真三維模型，完全無需人工干預(yù)便可以完成海量城市模型的批量處理，大大減少了人工成本和建模時間，提高了模型精度和擬真度，是一種全新的三維模型構(gòu)建技術(shù)路線。

圖2給出了利用傾斜攝影數(shù)據(jù)經(jīng)自動紋理映射之后得到的實景三維模型?？梢钥闯觯脙A斜攝影技術(shù)得到的三維模型在紋理和色彩上更加真實，是對現(xiàn)實世界的高保真度模型還原。

圖2 自動紋理映射后的三維模型

2 實景三維地理信息服務(wù)平臺總體架構(gòu)設(shè)計

重慶市城鄉(xiāng)實景三維地理信息服務(wù)平臺總體框架設(shè)計采用層次化理念，層與層之間充分考慮系統(tǒng)之間的接口，同時采用組件技術(shù)實現(xiàn)基礎(chǔ)模塊復(fù)用，以保證后續(xù)系統(tǒng)集成和升級的穩(wěn)定性、擴展性。平臺分層主要包括硬件支撐環(huán)境、多源實景數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)、多源實景數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、三維實景信息服務(wù)平臺以及應(yīng)用示范等5個部分，各組成部分在統(tǒng)一的標準規(guī)范體系和安全保障體系下協(xié)同工作，如圖3所示。

1）支撐環(huán)境：利用云計算技術(shù)實現(xiàn)對基礎(chǔ)設(shè)施的云管理，建成包括CPU、內(nèi)存、存儲在內(nèi)的計算資源池，實現(xiàn)按需分配的彈性服務(wù)能力。

2）多源實景數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)：包括傾斜航空攝影數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)、無人機遙感影像數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)、衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)、地面全景數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)。4個系統(tǒng)覆蓋“天-空-地”3種采集模式，實現(xiàn)各類實景數(shù)據(jù)的全覆蓋采集。其中，傾斜航空攝影是主要獲取方式。

3）多源實景數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)：包括海量多源數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)和三維實景數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，主要涉及到海量數(shù)據(jù)存儲管理、傾斜攝影數(shù)據(jù)處理、DSM數(shù)據(jù)單體化處理等。

4）三維實景信息服務(wù)平臺：在整合基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、傾斜攝影數(shù)據(jù)、專題數(shù)據(jù)等內(nèi)容的基礎(chǔ)上，提供數(shù)據(jù)接口、功能接口、信息查詢、統(tǒng)計分析等應(yīng)用功能。服務(wù)平臺采用B/ S 架構(gòu)，實現(xiàn)各種數(shù)據(jù)的一體化集成管理、三維瀏覽和移動全景展示[3]。

5）應(yīng)用示范：選擇規(guī)劃、應(yīng)急等領(lǐng)域開展應(yīng)用示范，其中城鄉(xiāng)規(guī)劃是主要應(yīng)用示范領(lǐng)域，以長壽區(qū)為案例進行模型構(gòu)建及系統(tǒng)應(yīng)用。

圖3 項目總體技術(shù)框架圖

3 規(guī)劃管理應(yīng)用示范系統(tǒng)功能設(shè)計

將三維實景影像應(yīng)用于城鄉(xiāng)規(guī)劃管理，可以促使地面信息轉(zhuǎn)換成能讓管理者清晰、可視的直觀數(shù)據(jù)，并將城市的歷史線、現(xiàn)狀線、文化線、發(fā)展線貫穿起來，提高規(guī)劃管理的科學(xué)性和準確性[4]。本文選擇重慶市長壽區(qū)的城區(qū)為示范區(qū)，將基于傾斜攝影技術(shù)獲得的實景三維模型數(shù)據(jù)和總規(guī)數(shù)據(jù)、控規(guī)數(shù)據(jù)、路網(wǎng)地名等地理空間數(shù)據(jù)整合部署在實景三維地理信息服務(wù)平臺中，建立重慶市城鄉(xiāng)規(guī)劃實景三維應(yīng)用系統(tǒng)，其功能模塊主要包括基礎(chǔ)功能、城市規(guī)劃一張圖、規(guī)劃選址、規(guī)劃審批、規(guī)劃監(jiān)察等。

3.1 基礎(chǔ)功能

基礎(chǔ)功能模塊包括地圖瀏覽、三維漫游、圖層控制、視點設(shè)置、空間量測、搜索查詢等。

3.2 城鄉(xiāng)規(guī)劃一張圖

城鄉(xiāng)規(guī)劃一張圖功能模塊是多規(guī)合一的具體體現(xiàn)，將總規(guī)、控規(guī)、路網(wǎng)、地名等地理空間數(shù)據(jù)和傾斜攝影實景三維模型數(shù)據(jù)在平臺中進行高度集成，實現(xiàn)疊加應(yīng)用。具體功能包括總規(guī)控規(guī)數(shù)據(jù)疊加分析、已有三維模型導(dǎo)入、天際線分析、在線與離線視頻導(dǎo)入等，如圖4所示。

圖4 多規(guī)數(shù)據(jù)疊加分析

3.3 規(guī)劃選址

規(guī)劃選址模塊包括地形分析、土石方量分析、輔助設(shè)計、設(shè)施覆蓋率統(tǒng)計等功能，其中，地形分析可以基于實景三維模型來對大面積區(qū)域進行坡度、坡向統(tǒng)計分析；土石方量分析可準確計算工程土石方的開挖量；輔助設(shè)計則可以在三維場景下輔助分析建筑物模型與周邊環(huán)境的適配度、協(xié)調(diào)度；設(shè)施覆蓋率統(tǒng)計功能可以統(tǒng)計指定范圍內(nèi)各種設(shè)施的數(shù)量及分布，如圖5。

圖5 坡度坡向分析功能

3.4 規(guī)劃審批

規(guī)劃審批模塊主要支撐規(guī)劃管理者對各種方案進行指標測算和評價比選，具體功能包括方案對比、容積率分析、控高分析、日照分析、可視分析等功能，如圖6所示。

圖6 控高測算功能

3.5 規(guī)劃監(jiān)察

該模塊主要輔助城鄉(xiāng)規(guī)劃監(jiān)察執(zhí)法部門對違法建筑進行快速發(fā)現(xiàn)和動態(tài)管理，包括違法建筑調(diào)查、拆違分析等功能。其中，違法建筑調(diào)查可通過實景三維模型與規(guī)劃方案的疊加分析，快速、直觀地發(fā)現(xiàn)可疑違法建筑，并對可疑違法建筑進行標注、量測及信息提??；拆違跟蹤分析可以通過多期實景三維模型對比分析違法建筑拆除進展，方便進行動態(tài)監(jiān)督管理，如圖7。

圖7 違法建筑標記和量測

4 結(jié) 語

通過引入傾斜攝影等新型技術(shù)手段，探索了實景三維模型快速構(gòu)建方法，研究搭建了城鄉(xiāng)實景三維地理信息服務(wù)平臺，并在城鄉(xiāng)規(guī)劃管理等領(lǐng)域進行應(yīng)用示范，形成了一整套技術(shù)路線，可以為類似工作提供參考與借鑒。實景三維空間信息因時效性強、信息表達全面、空間特征普遍等優(yōu)點，能夠為智慧城市建設(shè)提供支撐[5-8]，將在應(yīng)急救援、虛擬旅游、智能交通、電子商務(wù)、社區(qū)管理、噪聲分析、地質(zhì)與地下管線、城市微氣候和大氣污染模擬等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景，值得進一步深入研究和實踐。

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P208

B

1672-4623（2017）10-0021-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2017.10.006

2017-03-02。

項目來源：重慶市教委科技資助項目（kj1400325）。

王斌，碩士，高級工程師，研究方向為地理信息系統(tǒng)與遙感。