王旭科

（蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術(shù)大學，甘肅 蘭州 730021）

0 引言

近年來，由新興測繪科學與技術(shù)發(fā)展而來的數(shù)字孿生、實景三維、元宇宙等成為數(shù)字城市建設(shè)的新興技術(shù)之一。自2021年自然資源部辦公廳印發(fā)《實景三維中國建設(shè)技術(shù)大綱（2021版）》（自然資辦發(fā)〔2021〕56號）以來，越來越多的城市和測繪地理信息行業(yè)上下游企業(yè)參與到“實景三維中國”的建設(shè)中［1］。數(shù)字孿生是指在數(shù)字虛擬化網(wǎng)絡(luò)空間中構(gòu)建與現(xiàn)實物理世界各環(huán)境元素映射相匹配的數(shù)字化、虛擬化鏡像城市，可用于城市治理與運維，其底層數(shù)字基座就是相似度極高、虛擬仿真的實景三維場景。目前，地理信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展與研究的熱點之一便是著力提升城市級實景三維場景的生產(chǎn)建設(shè)效率、面積和精細程度［2］?；诤娇诊w行器搭載多鏡頭傳感器的低空傾斜攝影測量獲取的數(shù)字影像來構(gòu)建實景三維場景在我國被廣泛應(yīng)用，且有代替?zhèn)鹘y(tǒng)人工使用3ds Max手動方法進行實景三維場景建設(shè)的趨勢，其是在同一飛行平臺上搭載多鏡頭可見光數(shù)碼相機，在同一個時刻和位置，從垂直和傾斜等不同角度進行拍攝，來獲取反映地面實際情況的航空影像，在經(jīng)過實景三維建模軟件處理后可形成實景三維場景［3］。機載激光掃描技術(shù)是繼傾斜攝影測量后的一種主動發(fā)射多線程激光信號的非接觸式對地觀測新技術(shù)，不同于獲取的平面影像數(shù)據(jù)，其特點是受薄云薄霧、天氣光照等因素的影響小，具有高穿透性，能夠獲取被攝物體的三維坐標，原始數(shù)據(jù)的精度高，且生產(chǎn)作業(yè)周期短［4］。本研究通過對多種實景數(shù)字化三維建模方法進行對比，探索將機載激光掃描獲取的點云和傾斜攝影獲取的數(shù)字影像兩種異構(gòu)數(shù)據(jù)融合，用來構(gòu)建實景三維場景的方法，并闡述三維數(shù)字化建模的技術(shù)路線和生產(chǎn)流程，以期為相關(guān)工程項目提供技術(shù)參考。

1 數(shù)字化實景三維建模方法

用于生產(chǎn)三維場景的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)一般是擁有準確地理位置信息的元數(shù)據(jù)，其生產(chǎn)流程隨著地理信息行業(yè)升級轉(zhuǎn)型和新技術(shù)、新工藝、新方法的出現(xiàn)而不斷升級更新。數(shù)字化實景三維建模方法有傳統(tǒng)的3ds Max手工建模、基于傾斜攝影測量的半自動人機交互建模、基于機載激光掃描的點云和傾斜攝影獲取的數(shù)字影像融合模型［5-6］。傳統(tǒng)3ds Max手工建模是使用3ds Max軟件來手工構(gòu)建模型，利用大比例數(shù)字線劃圖、低空垂直攝影測量來獲取影像，以及現(xiàn)場實景拍攝建筑物影像，在3ds Max軟件中，通過人工手動的方式來構(gòu)建白模、修飾圖片及紋理映射?；趦A斜攝影測量的半自動人機交互建模是利用低空傾斜攝影測量來獲取影像，并通過人機交互半自動建模軟件來完成建模。其數(shù)據(jù)源主要是機載的多鏡頭可見光相機對地觀測獲取的傾斜攝影影像，大多數(shù)情況下是一個垂直和多個傾斜角度的地表影像，結(jié)合人工布設(shè)的地面像片控制點，在人機交互半自動建模軟件中進行三維建模與修飾?；跈C載激光掃描的點云和傾斜攝影獲取的數(shù)字影像融合模型是通過機載激光掃描的點云與傾斜攝影測量獲取的數(shù)字影像融合模型。通過傾斜攝影測量獲取的影像在人機交互半自動建模時經(jīng)常會出現(xiàn)實景三維場景局部細節(jié)失真、變形或拉花等現(xiàn)象，通過增加機載激光掃描形成的點云數(shù)據(jù)能夠減少或消除上述現(xiàn)象，實現(xiàn)較為準確的全自動或人機交互半自動提取地物（主要是指建筑物和構(gòu)筑物）的三維結(jié)構(gòu)模型，再利用傾斜攝影測量獲取自動提取地物頂部和側(cè)面紋理的影像，個別建筑物自遮蔽或因樹木遮擋的位置要結(jié)合圖形圖像處理軟件，在經(jīng)人工修飾后映射貼合在地物的三維結(jié)構(gòu)模型上。通過上述兩種技術(shù)互補融合，構(gòu)建的實景三維場景（模型）結(jié)構(gòu)更準確、可視化效果更好、后期修復工作量更少。上述三種不同的建模方法特點的對比如表1所示。

表1 三維數(shù)字化建模技術(shù)對比表

2 技術(shù)路線設(shè)計

利用機載激光掃描的點云和傾斜攝影獲取的數(shù)字影像融合建模的技術(shù)路線可分為四個階段，分別是前期準備階段、數(shù)據(jù)獲取和預處理階段、實景三維場景構(gòu)建階段以及實景三維場景質(zhì)檢與驗收階段。

2.1 前期準備階段

前期準備階段包括現(xiàn)場踏勘、收集測區(qū)資料、撰寫與審核技術(shù)設(shè)計書、準備外場航攝。撰寫與審核技術(shù)設(shè)計書是整個項目前期準備階段中非常重要的一項工作，涉及工作計劃、技術(shù)路線、作業(yè)要求、技術(shù)標準等多方面內(nèi)容。外場航攝是為了詳細了解測區(qū)的基本情況，勘定范圍邊界、獲取當?shù)靥鞖忸A報、空域申請與批復等，以及檢查驗證機載、地面設(shè)備是否正常。

2.2 數(shù)據(jù)獲取和預處理階段

數(shù)據(jù)獲取和預處理階段包括低空機載激光點云數(shù)據(jù)處理和傾斜攝影影像數(shù)據(jù)處理。機載激光點云預處理是通過算法對點云進行識別分類，分為表示地面的點云和非地面的點云。地面點是生成數(shù)字高程模型的基礎(chǔ)，非地面點可用來生成建筑體框模型。傾斜攝影影像數(shù)據(jù)處理的核心是從多角度航攝影像里提取建筑物的頂部與側(cè)面紋理，通過編輯紋理數(shù)據(jù)（裁切、校正色彩）來生成建筑物體框模型的紋理貼圖。同時，篩選出變形失真、對焦模糊的不合格紋理對應(yīng)的位置，對這些位置進行二次補攝。

2.3 實景三維場景構(gòu)建階段

實景三維場景構(gòu)建階段是利用第二階段生成的數(shù)字高程模型、建筑體框模型以及修正后的紋理，通過相應(yīng)算法進行互補融合三維建模。

2.4 實景三維場景質(zhì)檢與驗收階段

實景三維場景質(zhì)檢與驗收階段主要是對位置精度、模型結(jié)構(gòu)、模型紋理和場景效果［5］四個方面進行質(zhì)檢與驗收，對數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查元素進行分解，可從以下6個角度進行檢查：①坐標參考系統(tǒng)（平面基準、高程基準和投影）；②位置準確度（平面位置精度、高程精度）；③模型質(zhì)量（模型結(jié)構(gòu)質(zhì)量、圖像紋理質(zhì)量、地形地物質(zhì)量）；④邏輯性（輸出格式是否統(tǒng)一）；⑤場景效果（現(xiàn)狀是否完整，尺度是否協(xié)調(diào)，場景是否美觀）；⑥附件質(zhì)量（文檔是否齊全，元數(shù)據(jù)是否正確完整）。

3 數(shù)字化實景三維建模生產(chǎn)流程

3.1 分類機載激光點云數(shù)據(jù)

機載掃描獲取的點云是制作數(shù)字高程模型和建筑體框模型的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。根據(jù)點云所反映的地物地形的位置與高程屬性，可將點云數(shù)據(jù)分為地面點和非地面點［6］。地面點反映現(xiàn)實世界地表的真實起伏形態(tài)，用來表示裸露地表或貼合在地面的點，如田埂、道路等；非地面點是沒有落在裸露地表的點，如電力線桿塔、路燈、建（構(gòu)）筑物等。機載激光掃描點云分類流程如圖1所示。

圖1 機載激光點云分類流程示意圖

3.2 生產(chǎn)數(shù)字高程模型

數(shù)字高程模型的生產(chǎn)流程可分為4步：機載激光點云分類、生成數(shù)字正射影像圖、找尋空間位置異常點、生成不規(guī)則三角網(wǎng)和生產(chǎn)DEM［7］。首先是預處理機載激光點云，并在分類后選取表示地面的點；其次是利用航攝軌跡、影像時間文件、航攝儀（航攝相機）檢校參數(shù)、定姿定位系統(tǒng)（IMU）數(shù)據(jù)等建立影像索引，生成數(shù)字正射影像圖；再次以數(shù)字地面模型為基礎(chǔ)，參照數(shù)字正射影像圖找尋空間位置異常點，對異常點區(qū)域進行人工修正；最后由預處理后的點云生成不規(guī)則三角網(wǎng)，以內(nèi)插法生成DEM。數(shù)字高程模型生產(chǎn)流程如圖2所示。

圖2 數(shù)字高程模型生產(chǎn)流程示意圖

3.3 生產(chǎn)建筑體框模型

建筑物體框模型是用矢量來表示建筑物的三維立體架構(gòu)，沒有紋理映射，只是建筑物的基礎(chǔ)“骨架”，通常也被稱為“白?！?。首先利用機載激光點云分類后的建筑物類點云、DOM、DLG來自動生成建筑物的粗略模型；其次參考DLG、機載激光點云和傾斜攝影影像，并用TerraSolid軟件的Terrascan模塊對點云濾波后進行模型修正，包括修改部分粗模的位置、輪廓、形態(tài)和拓撲關(guān)系等，使之達到建筑物體框建模要求；最后是在傳統(tǒng)建模軟件3ds Max中優(yōu)化模型質(zhì)量。建筑體框模型成果如圖3所示。

圖3 建筑體框模型成果示意圖

3.4 提取傾斜影像紋理

傾斜影像可獲取建筑物、地面設(shè)施等實物的側(cè)面紋理，可有效彌補傳統(tǒng)地面拍照存在的不足之處［8］。以搭載多鏡頭的索尼全畫幅相機進行傾斜攝影為例，若航向重疊度大于60%，可在同一個地物上獲取8～10張有效的紋理影像；若重疊度在90%以上，可獲取20～25張有效的紋理影像。測區(qū)范圍內(nèi)有高大建筑物自身遮擋或互相遮擋時，仍須手動航拍隱蔽區(qū)域以及地面補拍受遮擋位置的紋理［9］。

3.5 紋理貼圖

為滿足建筑物的側(cè)面紋理映射的需求，首先要微調(diào)建筑物體框模型部分結(jié)構(gòu)細節(jié)，如旋轉(zhuǎn)位置、去除冗余面、縮減模型數(shù)據(jù)量等［10］；其次是根據(jù)建筑物關(guān)鍵點（即標志點），通過人工識別、匹配和裁剪傾斜影像的方式，來建立紋理映射關(guān)系索引；最后將裁剪勻色的紋理映射在三維建筑體框模型對應(yīng)的位置［11］。在批量自動化映射紋理完成后，若仍有變形、失真、拉花等現(xiàn)象或存在缺失的情況，則需要再次人工尋找標志點，并重新匹配貼圖［12］。圖4是數(shù)字化實景三維場景成果示意圖。

圖4 數(shù)字化實景三維場景成果示意圖

4 數(shù)字化實景三維場景質(zhì)量檢查與核驗

4.1 質(zhì)量檢查

質(zhì)量檢查是檢查產(chǎn)品成果是否合格、優(yōu)劣與否的重要環(huán)節(jié)，質(zhì)量檢查要遵循三維地理信息模型成果的驗收規(guī)范［13］。質(zhì)檢內(nèi)容主要包括空中航攝質(zhì)量檢查、點云檢查、DEM高程精度檢查、空中三角測量加密成果檢查、建筑物體框模型位置精度檢查、傾斜影像紋理檢查以及實景三維場景效果檢查等［14］。表2是實景三維場景中建筑物體框模型檢查表。

4.2 內(nèi)外業(yè)核驗

野外實地現(xiàn)場和內(nèi)業(yè)成果的抽樣檢查是目前核驗實景三維場景模型的最普遍方法［15］。其中，外業(yè)檢查以檢查位置精度、模型紋理質(zhì)量和場景效果為主，內(nèi)業(yè)檢查主要對坐標參考系統(tǒng)和邏輯性進行檢查。本研究采用分層隨機抽樣法，抽取10個實景三維建筑物模型單元為樣本，在其中選取檢查點進行檢測。采用樣本標準偏差來計算總體偏差值，計算公式見式（1）。

式中：Δ為標準偏差即中誤差；N為樣本總體數(shù)量；xi為第i個樣本對應(yīng)的平面坐標x y和高程值z；xˉ為所選擇樣本對應(yīng)坐標的均值。內(nèi)外業(yè)核驗包括建筑模型的平面位置和高程精度、道路模型和地面模型的高程精度。在野外作業(yè)時，可利用GNSS-RTK接收機和全站儀來采集檢查點的三維坐標，內(nèi)業(yè)在數(shù)字化實景三維模型上選取特征點作為檢查點來采集xyz坐標。經(jīng)過對比（見表3），建筑模型平面位置和高程的誤差≤±0.6 m，地面模型和道路模型的高程誤差≤±0.5 m，數(shù)字化實景三維場景主要模型中的建筑物、道路和地面模型成果位置精度滿足設(shè)計要求。

表3 實景三維場景建筑物模型精度評定表

在模型質(zhì)量方面，整體情況較好，建筑物模型未出現(xiàn)大面積變形、模糊、扭曲等現(xiàn)象。邏輯性方面也未發(fā)現(xiàn)問題，存儲與命名正確，輸出格式統(tǒng)一為OSGB。場景效果方面，發(fā)現(xiàn)邊緣空曠區(qū)域存在少量模型穿插、局部裂縫、面狀漏洞等問題。

5 結(jié)語

本研究通過將機載激光掃描的點云和傾斜攝影獲取的影像這兩種異構(gòu)數(shù)據(jù)融合來構(gòu)建三維數(shù)字化場景。參照模型質(zhì)量檢查表，可最大限度地還原實景三維數(shù)字化場景與現(xiàn)實物理世界的相似度，這是目前最適合建設(shè)數(shù)字化城市的三維數(shù)字化實景建模方法。但該方法也存在一些不足之處，一是野外航攝作業(yè)需要執(zhí)行兩次飛行任務(wù)。第一次是搭載激光雷達設(shè)備獲取點云，第二次是搭載多鏡頭傾斜相機來獲取多角度影像，因而增加了項目投入和建設(shè)成本；二是用獲取的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)進行融合建模的作業(yè)周期比傳統(tǒng)3ds Max手工建模要節(jié)省約20%～30%，但相比僅用傾斜影像的建模作業(yè)方式，在數(shù)據(jù)預處理、空三成果融合、人機交互等環(huán)節(jié)比較耗時，使得總計建模周期增加約50%。因此，在構(gòu)建數(shù)字化實景三維場景時，需要綜合考慮項目周期、作業(yè)效率和成本投入等因素，來選擇均衡、適合的三維數(shù)字化建模方式。