張成校

（臨沂市國土資源局測繪院，山東 臨沂 276000）

實(shí)景三維是遙感攝影測繪、大數(shù)據(jù)、云計算、智能感知等新技術(shù)催生的新型地理空間數(shù)據(jù)，其效果逼真，要素全面，具有極強(qiáng)的展示效果，而且具有測量精度，可以還原真實(shí)世界的完整面貌，是人們對自然地理環(huán)境的認(rèn)知從二維走向三維。當(dāng)前，我國城市化建設(shè)速度不斷加快，城市建設(shè)從地面向地下和空中延伸發(fā)展，城市國土空間的多層次、立體三維建設(shè)和利用已成為趨勢，人們對居住的環(huán)境狀況、生活便利、舒適程度、交通出行等方面提出更高的要求。傳統(tǒng)規(guī)劃技術(shù)已不能滿足城市化快速發(fā)展的需求，實(shí)景三維建模技術(shù)已實(shí)現(xiàn)軟件自動化，提高了三維建模效率，縮短了生產(chǎn)時間，節(jié)省了成本，實(shí)景三維已廣泛應(yīng)用于城市規(guī)劃、智慧城市建設(shè)、自然資源管理、不動產(chǎn)登記等領(lǐng)域。

1 傾斜攝影測量簡介

當(dāng)前傾斜攝影是實(shí)景三維建模主要技術(shù)手段之一。無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)通過在飛行平臺上搭載一個垂直攝影相機(jī)和四個傾斜攝影相機(jī)，分別從垂直以及四個傾斜不同角度獲取正射影像以及四個方向的影像，航攝過程中記錄航高、曝光時間，相機(jī)曝光點(diǎn)的外方位元素，影像的空間位置以及瞬時姿態(tài)信息等信息，結(jié)合獲取的建筑物的高分辨率紋理，通過后期數(shù)據(jù)處理，獲得真實(shí)的三維模型。傾斜攝影獲取的影像不僅可以反映地物、地貌、建筑物的真實(shí)情況，還能提供豐富的建筑物紋理信息和地理屬性信息，增強(qiáng)用戶視覺直觀體驗(yàn)，猶如身臨其境。傾斜攝影測量優(yōu)點(diǎn)主要有以下方面：可以獲得五個方向的影像、數(shù)據(jù)精度高、單張影像可量測、可批量量取和貼紋理、可快速進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)發(fā)布。

2 實(shí)景三維建模主要關(guān)鍵技術(shù)

實(shí)景三維是現(xiàn)實(shí)世界的數(shù)字孿生，具有實(shí)體化、三維化、全空間、可視化等特點(diǎn)?；趦A斜攝影測量技術(shù)的實(shí)景三維建模關(guān)鍵技術(shù)主要包括區(qū)域網(wǎng)聯(lián)合平差、多視影像匹配、DSM 生成及紋理映射等，實(shí)景三維建模技術(shù)路線如圖1 所示。

2.1 多視影像聯(lián)合平差

圖1 實(shí)景三維建模技術(shù)路線

傾斜攝影獲取的影像不僅包含正攝影像，還包含大量四個方向的側(cè)視影像，空中三角測量對于傾斜影像還不能較好地處理，因此，在進(jìn)行多視影像聯(lián)合平差時要充分考慮傾斜影像引起的幾何變形和遮擋問題。根據(jù)傾斜攝影時POS 系統(tǒng)提供的多視影像的外方位元素，采用構(gòu)建由粗到細(xì)的金字塔匹配策略，在每一等級的影像上進(jìn)行同名點(diǎn)自動匹配提取，再通過自由網(wǎng)光束法平差，可以得到比較好的同名點(diǎn)匹配效果。同時加入控制點(diǎn)坐標(biāo)、GPS/IMU 輔助數(shù)據(jù)等信息，建立多視影像間的區(qū)域網(wǎng)平差方程，進(jìn)行聯(lián)合解算后可以保證平差結(jié)果的精度。

2.2 多視影像匹配

傳統(tǒng)方法一般是單獨(dú)使用一種匹配基元或者匹配策略，這種方法很難快速準(zhǔn)確地獲取同名點(diǎn)，匹配精度和可靠性不高。傾斜攝影從多個方向進(jìn)行拍攝，影像覆蓋范圍大、分辨率高，可同時獲取同一地物的多個視角影像，在多視影像匹配過程中，充分利用上述信息，采取密集匹配模型快速提取多視影像同名點(diǎn)坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)同名點(diǎn)的自動匹配，進(jìn)而獲取地物的三維信息。隨著計算機(jī)視覺技術(shù)迅猛發(fā)展，多基元、多視影像匹配是未來發(fā)展的趨勢。

2.3 DSM 生成

利用空中三角測量和聯(lián)合區(qū)域網(wǎng)平差解算出每張影像的外方位元素，選擇合適的多視影像匹配單元進(jìn)行逐像素和特征的密集匹配，生成高密度點(diǎn)云，通過點(diǎn)云構(gòu)網(wǎng)可以生成高密度DSM。

2.4 紋理映射

為使構(gòu)建的三維模型具有真實(shí)的紋理信息，需要進(jìn)行紋理映射。紋理映射就是建立二維紋理空間與三維模型空間一一對應(yīng)的關(guān)系。經(jīng)過空中三角測量可解算出每張影像精確的外方位元素，確定影的空間位置，建立二維影像空間點(diǎn)與對應(yīng)的模型空間點(diǎn)之間的對應(yīng)關(guān)系。由OBJ 模型文件，可以確定三維模型空間點(diǎn)與二維紋理空間點(diǎn)之間的對應(yīng)關(guān)系。將影像空間點(diǎn)的像素值賦予紋理空間點(diǎn)，然后再由二維紋理空間點(diǎn)映射到三維模型空間點(diǎn)。

3 實(shí)景三維在城市規(guī)劃中的應(yīng)用

以前城市規(guī)劃都是在二維平面圖紙上進(jìn)行，缺乏對空間的分析，規(guī)劃效果不明顯。實(shí)景三維作為現(xiàn)實(shí)世界的“數(shù)字孿生”，通過實(shí)景三維模型可以直觀立體展示規(guī)劃區(qū)域及其周邊的自然環(huán)境和人工建筑，規(guī)劃設(shè)計人員不用直接去現(xiàn)場就可以進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計，同時利用軟件還可以進(jìn)行模擬分析，使城市規(guī)劃更加合理。實(shí)景三維在城市規(guī)劃中的功能主要有以下幾方面。

3.1 空間量測

實(shí)景三維模型具有三維坐標(biāo)，可以通過點(diǎn)取模型上的點(diǎn)進(jìn)行空間量測，例如進(jìn)行建筑物長寬高等尺寸測量，建筑物占地面積量測等。

3.2 環(huán)境協(xié)調(diào)性分析

在規(guī)劃過程中模擬規(guī)劃建筑物與現(xiàn)實(shí)周邊環(huán)境、建筑物進(jìn)行紋理、風(fēng)格等方面模擬分析，保證區(qū)域風(fēng)格協(xié)調(diào)一致性，總體環(huán)境和諧統(tǒng)一，提高人們感官舒適度。

3.3 日照分析

建筑物內(nèi)部自然采光與自然采暖等方面因素，日照分析主要是綜合考慮建筑物高度、間距、容積率等因素符合規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求，盡量保證建筑物自然光照不受影響，例如遮擋、光污染等情況，確保建筑物內(nèi)部在不同季節(jié)能夠自然采光與自然采暖，保證建筑物內(nèi)部亮度與溫度，最大限度利用太陽能，減少建筑物能源消耗。日照分析內(nèi)容主要包括遮擋、窗洞、單點(diǎn)等方面。

3.4 通視性分析

建筑物要具有開闊的視野，這樣住戶才不會覺得壓抑，通過實(shí)景三維，通過不斷調(diào)整建筑物群的高度、位置，使建筑物之間有充足的空間和視野，同時兼顧土地資源有效利用，保證了建筑物通視性與土地資源的最大化利用。

3.5 天際線分析

天際線又稱城市輪廓或全景，是由城市中的高樓大廈構(gòu)成的整體結(jié)構(gòu)。部分建筑物單獨(dú)看很美觀，但是與周圍建筑物和環(huán)境不協(xié)調(diào)，天際線是整個城市所有建筑物宏觀景象，利用實(shí)景三維模型可以分析規(guī)劃城市天際線，使城市整體空間科學(xué)規(guī)劃使用，避免視線污染，保證城市整體視覺美觀性。

3.6 淹沒分析

城市排水防洪是城市規(guī)劃的一項重要工作，利用實(shí)景三維模型可以進(jìn)行城市暴雨內(nèi)澇淹沒區(qū)域和深度進(jìn)行模擬分析預(yù)測，對城市雨水管網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)和排洪防重要作用。

3.7 拆遷區(qū)評估

城市規(guī)劃往往伴隨著城市拆遷，利用實(shí)景三維可以對拆遷區(qū)域的房屋進(jìn)行測量、統(tǒng)計、評估等工作，對整個拆遷工作有一個初步估計，供政府進(jìn)行決策部署。

3.8 規(guī)劃監(jiān)督

以前的規(guī)劃監(jiān)督基本上都是建筑物竣工以后規(guī)劃管理部門委托測量機(jī)構(gòu)對建筑物進(jìn)行竣工測繪，與設(shè)計數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，確定是否違建，時效性相對延遲。對在建建筑物或者已建成建筑物建立實(shí)景三維模型，與建筑物規(guī)劃設(shè)計數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，確定建筑物是否違建，利用實(shí)景三維模型不用去現(xiàn)場測量就可以進(jìn)行規(guī)劃監(jiān)督，還可以監(jiān)督在建工程，進(jìn)行時時監(jiān)督，提高了規(guī)劃監(jiān)督的便捷程度和工作效率。

4 實(shí)景三維模型的不足

實(shí)景三維模型具有許多優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，但是作為新興數(shù)據(jù)產(chǎn)品，還存在一定的缺陷和不足，主要表現(xiàn)在以下幾方面：

4.1 部分區(qū)域需要人工補(bǔ)測或者調(diào)繪

在植被茂密或者遮擋嚴(yán)重的區(qū)域傾斜攝影測量還需要進(jìn)行人工補(bǔ)測或者調(diào)繪。

4.2 數(shù)據(jù)通用性有待改善

目前實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)還缺乏統(tǒng)一的格式、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，不同軟件處理的數(shù)據(jù)通用性還有所有待改善。

4.3 實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)更新成本比較高

實(shí)景三維模型的數(shù)據(jù)時效性知識截止到數(shù)據(jù)采集時間點(diǎn)，數(shù)據(jù)采集之后的自然地貌與人工建筑變化的情況就無法顯示出來，要保證實(shí)景三維模型的現(xiàn)勢性就需要對變化的數(shù)據(jù)進(jìn)行更新?，F(xiàn)在城市發(fā)展迅速，建設(shè)范圍不斷擴(kuò)大，城市拆遷與新增建設(shè)地點(diǎn)非常多，建設(shè)速度非?？?，要保證數(shù)據(jù)現(xiàn)勢性和有效性，需要投入非常多的人力物力進(jìn)行數(shù)據(jù)采集處理三維建模。

4.4 實(shí)景三維可視化還有待改善

當(dāng)前實(shí)景三維主要以網(wǎng)絡(luò)在線發(fā)布服務(wù)為主，相對于二維數(shù)據(jù)，實(shí)景三維數(shù)據(jù)量非常大，要保證高效的加載速度和流暢的渲染效果對硬件和軟件要求較高。

5 結(jié)語

城市規(guī)劃作為城市發(fā)展的藍(lán)圖、總體謀劃，決定城市未來發(fā)展的方向、布局等，在城市規(guī)劃前期需要對眾多的規(guī)劃設(shè)計方案進(jìn)行的大量比較、論證及分析，同時還要對城市發(fā)展趨勢和環(huán)境狀況進(jìn)行合理預(yù)測和評價。利用實(shí)景三維模型可使規(guī)劃設(shè)計方案在真實(shí)世界的虛擬環(huán)境下進(jìn)行模擬分析評價，及時對方案進(jìn)行調(diào)整修改，使方案更加貼合實(shí)際情況，更適合城市發(fā)展。實(shí)景三維在城市規(guī)劃領(lǐng)域已成為發(fā)展趨勢，提高了城市規(guī)劃的科學(xué)性和合理性。