鮑秀武，張春敏，梁文彪，嚴(yán)明

(1.常州市測繪院，江蘇 常州 213000； 2.常州市地理信息智能技術(shù)中心，江蘇 常州 213000；3.飛燕航空遙感技術(shù)有限公司，江蘇 南京 210001)

1 引 言

實景三維數(shù)據(jù)是大數(shù)據(jù)、云計算等新技術(shù)催生的新型地理空間數(shù)據(jù)，具有效果逼真、要素全面、精度高的特點，因此逐步應(yīng)用于自然資源和規(guī)劃等領(lǐng)域，同時也是數(shù)字城市的重要底板和支撐[1～3]?！秾嵕叭S中國建設(shè)技術(shù)大綱(2021版)》對實景三維建設(shè)內(nèi)容提出了明確要求，規(guī)定實景三維建設(shè)內(nèi)容應(yīng)包括地形級、城市級和部件級三個層級[4]。地形級、城市級和部件級實景三維模型建設(shè)精度和精細(xì)度逐層增加。

在此背景下，重慶市、武漢市、深圳市和上海市等城市先后開展了實景三維模型建設(shè)[5～7]，在數(shù)據(jù)建設(shè)方面仍存在以下問題：注重數(shù)據(jù)建設(shè)，未將數(shù)據(jù)建設(shè)與應(yīng)用拓展結(jié)合起來；停留在單一層級的實景三維模型建設(shè)，未考慮不同層級實景三維模型間的關(guān)系。在多源數(shù)據(jù)獲取方面，當(dāng)前利用無人機搭載傾斜相機的數(shù)據(jù)獲取方式效率較低，投入成本較高，數(shù)據(jù)獲取設(shè)備集成度不高，靈活性不足，設(shè)備類型不夠全面[8]。AIMS多傳感器集成航攝儀，是目前國內(nèi)唯一實現(xiàn)了真彩色正射影像航攝儀、激光雷達(dá)航攝儀、傾斜攝影航攝儀、高光譜航攝儀等航攝傳感器高度集成于一體的設(shè)備，可一次性同步獲取大幅面正視影像(2.8億像素)、傾斜影像(1.5億像素×4)、激光點云數(shù)據(jù)(200萬點/秒)、高光譜數(shù)據(jù)(光譜分辨率 5.5 nm)等多源數(shù)據(jù)，可服務(wù)于智慧城市、數(shù)字孿生城市等新型地理信息產(chǎn)品建設(shè)。

為滿足自然資源和規(guī)劃管理、智慧城市建設(shè)等領(lǐng)域的應(yīng)用需求，為實景三維中國建設(shè)提供地級市參考樣板，本文結(jié)合實景三維常州數(shù)據(jù)建設(shè)項目實施過程中的經(jīng)驗，對項目建設(shè)過程中的關(guān)鍵技術(shù)做了全面總結(jié)，內(nèi)容如下：

(1)多源數(shù)據(jù)同步獲取。在國內(nèi)首次采用集成真彩色正射影像航攝儀、激光雷達(dá)航攝儀、傾斜攝影航攝儀、高光譜航攝儀等設(shè)備的AIMS航攝儀，進行數(shù)據(jù)同步獲取，大大提高數(shù)據(jù)采集效率。

(2)多源數(shù)據(jù)融合建模。對傳統(tǒng)單一建模方式進行改進，利用機載激光點云、地面激光點云、傾斜影像進行融合建模，提高了建筑物模型結(jié)構(gòu)完整性和紋理清晰度。

(3)實景三維數(shù)據(jù)應(yīng)用研究。融合實景三維數(shù)據(jù)、多源地理空間數(shù)據(jù)和專題業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，自主研發(fā)了面向自然資源和規(guī)劃管理的多應(yīng)用集成平臺。

2 實景三維數(shù)據(jù)建設(shè)

2.1 多源數(shù)據(jù)同步獲取

實景三維常州數(shù)據(jù)建設(shè)包含地形級、城市級和部件級三個層級，采用“由大到小、由粗到精、層層涵蓋”的建設(shè)方式，實景三維模型建設(shè)精細(xì)度逐層級增加。項目共采集了 900 km2地形級實景三維試驗區(qū)內(nèi) 0.1 m分辨率的傾斜影像數(shù)據(jù)和機載LiDAR數(shù)據(jù)(點云密度4點/m2)；380 km2城市級實景三維試驗區(qū)內(nèi) 0.05 m分辨率傾斜影像數(shù)據(jù)和高密度機載LiDAR數(shù)據(jù)(16點/m2)；5 km2部件級試驗區(qū)內(nèi) 0.03 m分辨率傾斜影像數(shù)據(jù)、高密度機載LiDAR數(shù)據(jù)(30點/m2)和地面車載激光點云數(shù)據(jù)等多層級多源數(shù)據(jù)。為常州市實景三維數(shù)據(jù)建設(shè)和應(yīng)用研究提供了豐富的數(shù)據(jù)資料。

圖1是實景三維常州數(shù)據(jù)建設(shè)中涉及的主要傳感器設(shè)備。

圖1 硬件設(shè)備

圖1(a、b、c、d)分別為AIMS多傳感器集成航攝儀、五鏡頭傾斜相機、設(shè)站式激光掃描儀和車載移動掃描系統(tǒng)。

2.2 總體技術(shù)路線

地形級、城市級和部件級實景三維模型建設(shè)總體技術(shù)路線如圖2所示。

此后，2004年齊魯醫(yī)院成為山東省住院醫(yī)師規(guī)范化培訓(xùn)中心掛靠單位，2007年成為原衛(wèi)生部首批?？漆t(yī)師培訓(xùn)試點單位，2014年獲批國家首批住培試點單位，2015年榮膺國家首批住培示范基地。一直以來，齊魯醫(yī)院勇做山東省乃至全國的“住培試驗田”，先行先試，開拓創(chuàng)新，取得了不少成績，也從中收獲了很多。

圖2 總體技術(shù)路線

實景三維常州數(shù)據(jù)建設(shè)總體思路如下：

(1)針對地形級實景三維建設(shè)試驗區(qū)，利用試驗區(qū)內(nèi)傾斜影像，制作實景三維模型，進行整體模型場景簡單語義化。

(2)針對城市級實景三維建設(shè)試驗區(qū)，融合傾斜影像和激光點云數(shù)據(jù)制作實景三維模型，對地理實體、重點建筑物及其部件進行結(jié)構(gòu)化及語義化。相較于地形級實景三維模型，城市級實景三維模型語義化對象更加廣泛和精細(xì)。

(3)針對部件級實景三維建設(shè)試驗區(qū)，融合傾斜影像和激光點云數(shù)據(jù)(機載和車載LiDAR)制作實景三維模型，對建筑物及其部件進行結(jié)構(gòu)化和語義化，并將實景三維模型與BIM模型進行空間耦合。

2.3 多源數(shù)據(jù)融合建模

地形級實景三維模型采用傾斜攝影測量建模方式獲得，基本思想是利用加密點云，構(gòu)建TIN三角格網(wǎng)，進行紋理映射。

通過SIFT特征提取等算法[9]，進行影像匹配，通過空中三角測量，生成加密點云，構(gòu)建三維格網(wǎng)模型，借助ContextCapture軟件，實現(xiàn)三維格網(wǎng)模型與影像紋理信息自動匹配，生成實景三維模型。

城市級實景三維模型采用傾斜影像與激光點云進行融合建模獲得，部件級實景三維模型采用傾斜影像與激光點云進行融合建模，然后將建模結(jié)果與BIM模型進行空間耦合得到。激光點云數(shù)據(jù)精度高，采集方式靈活，融合建模能有效解決傾斜攝影過程中的遮擋問題，保證建筑物近地表部分結(jié)構(gòu)的完整性，融合建模流程如圖3所示。

圖3 傾斜影像與激光點云融合建模流程圖

傳統(tǒng)的融合建模方法是直接將傾斜點云和激光點云進行配準(zhǔn)之后建模[10]，重建的三維模型仍然會存在一些建筑物紋理扭曲、幾何變形的現(xiàn)象。本文對傳統(tǒng)的融合建模方法進行了改進，利用點云數(shù)據(jù)生成不規(guī)則三角網(wǎng)模型，作為三維重建過程中的約束，相比于傳統(tǒng)方法，這種改進方法的優(yōu)勢在于能更好保留建筑物結(jié)構(gòu)的完整性。

圖4是改進后和傳統(tǒng)的多源數(shù)據(jù)融合建模方法建模效果對比圖，可以看出，傳統(tǒng)融合建模方法房屋紋理扭曲的現(xiàn)象得到了改善，建筑物結(jié)構(gòu)的完整性和模型外觀精細(xì)度得到了提升。

圖4 改進的多源數(shù)據(jù)融合建模效果對比圖

2.4 實景三維模型精細(xì)化編輯

全自動建模生成的實景三維模型仍有一些不足，如模型的邊緣細(xì)節(jié)需要進一步細(xì)化、側(cè)面紋理的缺失等，需要采用三維模型編輯軟件對實景三維模型進行編輯。采用DP-Modeler軟件進行實景三維模型編輯，刪除碎片及懸浮物，進行水面和道路修整，對建筑物立面扭曲模糊的紋理進行人工替換和編輯，經(jīng)修飾的實景三維模型如圖5、圖6所示。

圖5 地形級和城市級實景三維模型

圖6 部件級實景三維模型

2.5 實景三維模型結(jié)構(gòu)化及語義化

城市級、部件級實景三維模型精細(xì)度較高，主要用于后期服務(wù)于自然資源和規(guī)劃等領(lǐng)域的應(yīng)用，需要對建筑物及其部件進行結(jié)構(gòu)化。

實景三維常州數(shù)據(jù)建設(shè)項目中引入了具備LOD構(gòu)建、智能貼圖等集群處理能力的分布式計算引擎DP-Firefly，優(yōu)化單體化模型外觀效果，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)化單體模型智能紋理映射。DP-Firefly智能紋理映射的核心在于通過智能圖像提取和融合方法，提取多視影像上的紋理信息，并去除遮擋部分，融合得到單體建筑完整、無遮擋紋理，并映射至單體建筑立面。

DP-Firefly在單體建筑紋理映射方面做了極大提升，從傳統(tǒng)的人工紋理映射方式轉(zhuǎn)變?yōu)橹悄芗y理映射方式，將城市級大范圍單體模型結(jié)構(gòu)化效率提高了60%以上。除解決遮擋問題外，DP-Firefly還具有局部紋理色彩調(diào)整、全自動影像曝光糾正等功能，DP-Firefly和傳統(tǒng)建模效果如圖7所示。

圖7 DP-Firefly與傳統(tǒng)建模效果對比圖

實景三維模型應(yīng)用于自然資源和規(guī)劃等領(lǐng)域，需要對其進行語義化，賦予地理實體和建筑物語義信息。實景三維模型語義化主要包含以下兩部分內(nèi)容：

(1)地理實體語義化。將地理實體對應(yīng)的二維矢量面與實景三維模型加載到同一場景中，借助矢量數(shù)據(jù)語義信息，建立地理實體與實景三維模型間的語義映射關(guān)系。

(2)單體建筑語義化。對于城市級、部件級實景三維模型中結(jié)構(gòu)化單體建筑，通過ID查詢的方式實現(xiàn)單體建筑語義化。

模型結(jié)構(gòu)化及語義化成果如圖8、圖9所示。

圖8 單體建筑物結(jié)構(gòu)化

圖9 語義化效果

3 實景三維數(shù)據(jù)管理與應(yīng)用

3.1 數(shù)據(jù)管理

實景三維數(shù)據(jù)應(yīng)用還涉及人工建模數(shù)據(jù)、點云數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)和矢量數(shù)據(jù)等多源數(shù)據(jù)，本文通過自研的空間地理信息基礎(chǔ)平臺實現(xiàn)了上述多源數(shù)據(jù)發(fā)布和集成?？臻g地理信息基礎(chǔ)平臺如圖10所示。平臺基于開源三維GIS框架Cesium和高效、輕量級、跨平臺運行環(huán)境NodeJS深度定制、自主開發(fā)，以Docker云容器架構(gòu)進行多源異構(gòu)數(shù)據(jù)大數(shù)據(jù)可視化、實時流數(shù)據(jù)可視化、二三維空間分析等功能接口的微服務(wù)封裝，對外可獨立開發(fā)、發(fā)布和部署。

圖10 空間地理信息基礎(chǔ)平臺

實景三維數(shù)據(jù)綜合應(yīng)用涉及數(shù)據(jù)量達(dá)到PB級別，傳統(tǒng)的單一存儲模式已經(jīng)無法滿足需求[12～14]。本文利用PostgreSQL數(shù)據(jù)庫進行分布式存儲，對外提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)訪問和服務(wù)接口，實現(xiàn)多源異構(gòu)海量數(shù)據(jù)的一體化和全生命周期管理。

3.2 應(yīng)用案例

在平臺建設(shè)和數(shù)據(jù)存儲的研究基礎(chǔ)上，融合實景三維數(shù)據(jù)、多源地理空間數(shù)據(jù)和專題業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，打造了面向城市規(guī)劃和管理的多應(yīng)用集成模塊，包括三維輔助規(guī)劃審批、自然資源調(diào)查監(jiān)測、確權(quán)登記和國土空間用途管制等應(yīng)用。以三維輔助規(guī)劃審批應(yīng)用為例，介紹實景三維模型在城市規(guī)劃和管理領(lǐng)域的具體應(yīng)用形式，通過研發(fā)數(shù)據(jù)瀏覽、圖層控制、項目管理等功能模塊，支持三維實體模型與專題業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)查詢、規(guī)劃設(shè)計方案比對和瀏覽，為自然資源和規(guī)劃部門提供有效的三維應(yīng)用場景。三維規(guī)劃輔助決策模塊界面如圖11所示。

圖11 三維規(guī)劃輔助決策應(yīng)用

4 總 結(jié)

本文以實景三維中國建設(shè)要求出發(fā)，分析了當(dāng)前實景三維建設(shè)的問題，結(jié)合實景三維常州數(shù)據(jù)建設(shè)工作，研究了實景三維建設(shè)中的關(guān)鍵技術(shù)難點。通過引入新型多源傳感器集成設(shè)備，研究大尺度實景三維建設(shè)多源數(shù)據(jù)同步獲取方式，形成常州市大范圍、多層級多源數(shù)據(jù)的同步獲取新模式。在多源數(shù)據(jù)融合建模方法上開展了創(chuàng)新性研究，在傳統(tǒng)建模過程中引入格網(wǎng)模型約束，以改善實景三維模型結(jié)構(gòu)的完整性，探索常州市精細(xì)化實景三維模型構(gòu)建新方法。結(jié)合實景三維數(shù)據(jù)、多源地理空間和專題業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，對實景三維模型結(jié)構(gòu)化和語義化的方式和內(nèi)容進行研究，并開發(fā)了面向城市規(guī)劃和管理的多應(yīng)用集成模塊。

地市級大范圍實景三維數(shù)據(jù)建設(shè)涉及地理實體眾多，數(shù)量龐大，在地理實體編碼和管理方面還沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，此外，實景三維數(shù)據(jù)更新機制與更新方式仍不明確，仍需要開展深入研究。