劉鋒

（沈陽鑫藍圖科技有限公司，遼寧 沈陽 110000）

1 引言

近年來，黨中央、國務院圍繞數(shù)字中國建設制定了一系列戰(zhàn)略規(guī)劃，黨的二十大報告提出，要加快建設網(wǎng)絡強國、數(shù)字中國建設。2022 年2 月，自然資源部辦公廳印發(fā)《關于全面推進實景三維中國建設的通知》，明確到2025 年，5 米格網(wǎng)的地形級實景三維實現(xiàn)對全國陸地及主要島嶼覆蓋，5 厘米分辨率的城市級實景三維初步實現(xiàn)對地級以上城市覆蓋。實景三維是真實、立體、時序化反映人類生產(chǎn)、生活和生態(tài)空間的時空信息，是國家重要的新型基礎設施，通過“人機兼容、物聯(lián)感知、泛在服務”實現(xiàn)數(shù)字空間與現(xiàn)實空間的實時關聯(lián)互通，為數(shù)字中國提供統(tǒng)一的空間定位框架和分析基礎，是數(shù)字政府、數(shù)字經(jīng)濟重要的戰(zhàn)略性數(shù)據(jù)資源和生產(chǎn)要素[1]。隨著新一代無人機技術、攝影測量技術與計算機圖像處理能力的發(fā)展，實景三維建模軟硬件處理體系有了較大突破，通過傾斜攝影方式構建實景三維模型，開展大比例尺成圖的技術日趨成熟[2,3]。本文結合工程應用，闡述實景三維大比例尺成圖技術的生產(chǎn)流程，重點介紹基于實景三維數(shù)據(jù)開展地形圖生產(chǎn)與制作方法，分析實景三維成圖與傳統(tǒng)攝影技術成圖的區(qū)別，以期為相關工程提供參考。

2 實景三維及傾斜攝影

依據(jù)《實景三維中國建設技術大綱》[2]，廣義上的實景三維數(shù)據(jù)包括數(shù)字高程模型（DEM）、數(shù)字表面模型（DSM）、數(shù)字正射影像（DOM）、數(shù)字真正射影像（TDOM）、傾斜攝影三維模型、激光點云等。其中，傾斜攝影三維模型是現(xiàn)實世界在可視化方面最直觀、真實的數(shù)字化映射，能準確豐富、高質(zhì)量地反映地物地貌、建（構）筑物等空間地物的幾何形態(tài)、特征紋理特點，高精度表達各類地物設施的位置姿態(tài)、拓撲關系、尺寸大小，是城市級、部件級實景三維建設的主力和核心，也是新型基礎測繪體系建設的典型產(chǎn)品[4,5]。

近年來，測繪領域使用無人機來采集數(shù)據(jù)已成常態(tài)[6]。傾斜攝影測量時，使用無人機搭載多個傾斜攝影裝置采集數(shù)據(jù)，下視相機為垂直攝影，用于制作DEM、DOM。前視相機、后視相機、左視相機和右視相機都為傾斜攝影，用于獲取地物側面紋理影像，傾斜角度在15°～45°。它同時從一個垂直、四個傾斜等五個不同的角度采集影像，飛行一次即可獲取各角度原片。在傾斜攝影三維模型生產(chǎn)過程中，通過在飛行平臺搭載傾斜航攝儀從空中對地面采集正視、側視等不同角度的航空影像數(shù)據(jù)，然后進行影像數(shù)據(jù)預處理、空三加密與處理、傾斜影像匹配等過程，生成點云數(shù)據(jù)，構建不規(guī)則三角網(wǎng)。實際的數(shù)據(jù)生產(chǎn)過程中可采用混合航攝儀或同區(qū)域激光點云數(shù)據(jù)，將生成的密集點云與激光點云規(guī)劃到統(tǒng)一坐標系下，融合處理以提高建模精細度，從而生成高精度三維模型，傾斜三維實際上是一個Mesh 形式的實景三維模型[7,8]。

3 數(shù)據(jù)采集

根據(jù)數(shù)據(jù)采集區(qū)范圍，選擇合適的傾斜相機和搭載平臺采集數(shù)據(jù)。通常小范圍區(qū)域采用無人機方式，大范圍區(qū)域采用有人機或多架次無人機。結合實景三維的精度要求和測區(qū)特點，選擇不同性能的傾斜相機。數(shù)據(jù)采集流程如圖1 所示。通常采用傾斜航空攝影測量技術即可完成數(shù)據(jù)采集，但如果數(shù)據(jù)采集區(qū)植被茂密，存在大量植被遮擋導致植被模型與地形難以匹配等問題，可補充運用無人機搭載激光雷達測量系統(tǒng)[9]，開展激光LidAR 數(shù)據(jù)采集，獲取三維激光點云數(shù)據(jù)。

圖1 數(shù)據(jù)采集流程

數(shù)據(jù)采集包括準備工作、航空攝影、控制測量等。其中準備工作主要包括資料收集、現(xiàn)場踏勘、技術設計、資料準備、儀器檢校、技術培訓等；航空攝影主要包括空域申請、航線規(guī)劃、航攝實施、質(zhì)量檢查、生成影像數(shù)據(jù)等；激光LidAR 點云可采用無人機航飛方式采集數(shù)據(jù)，主要包括空域申請、航線規(guī)劃、航攝實施、質(zhì)量檢查、生成點云數(shù)據(jù)等；控制測量主要包括像控布設、像控點測量、像控點檢查、生成像控數(shù)據(jù)等。

4 數(shù)據(jù)處理

在數(shù)據(jù)處理與生產(chǎn)之前需檢查數(shù)據(jù)的完整性，例如航線是否漏拍，影像畫面是否清晰，影像數(shù)據(jù)和點云數(shù)據(jù)是否滿足要求、是否存在大范圍遮擋等。將影像、POS、點云等數(shù)據(jù)成果轉(zhuǎn)換到統(tǒng)一坐標系下，例如CGCS2000 坐標系。對于數(shù)據(jù)檢查存在問題的，應返工修改。數(shù)據(jù)處理與生產(chǎn)具體流程包含空三加密、三維模型構建、數(shù)字產(chǎn)品生產(chǎn)等，如圖2 所示。

圖2 數(shù)據(jù)處理與生產(chǎn)流程

4.1 空三加密

首先，開展相對定向和絕對定向，進行平差解算、誤差分析處理，使得像控點中誤差、檢查點中誤差、單點多影像量測值中誤差滿足大比例尺成圖精度要求。然后，運用PhotoScan、INPHO、ORIMA、Street Factory 等專業(yè)軟件開展自動或者半自動空中三角測量[10,11]。再結合野外觀測的檢查點，對空中三角測量的模型成果進行精度檢查，以確保滿足大比例尺成圖產(chǎn)品的精度要求，最后生成像片外方位元素成果。

4.2 實景三維模型構建

利用Mirauge3D、Context Capture 等實景三維建模軟件，輸入合格的空三加密成果，自動化構建傾斜攝影三維模型。傾斜攝影三維數(shù)據(jù)一般采用osgb 格式，osgb 格式數(shù)據(jù)具有多細節(jié)層次和分層優(yōu)化等特點。同時，為便于三維模型數(shù)據(jù)的調(diào)度和可視化應用，可依據(jù)數(shù)據(jù)精度或單位面積內(nèi)的數(shù)據(jù)粒度，將osgb 格式的三維模型按塊生產(chǎn)（如64m×64m、128m×128m、256m×256m 等塊尺寸）[12]。傾斜攝影三維模型塊之間應保證色彩均衡，并對缺失的洞進行填充操作，最后根據(jù)測區(qū)范圍對傾斜三維模型數(shù)據(jù)進行裁切。

4.3 數(shù)字產(chǎn)品生產(chǎn)

運用Mirauge3D、Context Capture 等傾斜三維建模軟件，輸入合格的空三加密成果，生產(chǎn)DOM、TDOM?；诜诸悶V波檢查合格后的激光點云數(shù)據(jù)，選擇除噪聲點、錯點、孤立點外的圖層，創(chuàng)建Las 數(shù)據(jù)集，制作DSM 成果。在Las 數(shù)據(jù)集基礎上，通過不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN）轉(zhuǎn)換為格網(wǎng)間距合理的柵格數(shù)據(jù)，然后人工開展漏洞和接邊檢查工作，并根據(jù)情況進行編輯修改，最后運用TerraSolid 軟件自動化生產(chǎn)DEM 成果。

5 地形圖制作

基于傾斜三維模型、TDOM 等成果進行地形要素采集的測圖工作，可采用“先內(nèi)后外再內(nèi)”的模式。

5.1 要素采集

選用清華山維EPS 等輔助軟件，導入傾斜三維模型、TDOM 等成果，交互式進行數(shù)據(jù)采集。采集內(nèi)容包括居民地及附屬設施、水系及附屬設施、交通及附屬設施、管線及附屬設施、人工地貌以及植被等要素，如圖3 所示。

圖3 要素采集

5.2 外業(yè)調(diào)繪及數(shù)據(jù)編輯

針對地形要素采集中不能定性的地物、遮擋的地物等，先重點標記，然后開展外業(yè)調(diào)繪，完成名稱、注記等調(diào)查，以及地物的定性。根據(jù)外業(yè)調(diào)繪成果，選擇AutoCAD、ArcGIS、CASS、SuperMap 等地圖編輯軟件，開展地形圖編輯工作，最后形成*.dwg 格式文件。

5.3 成果質(zhì)量檢查

對紙質(zhì)成果、數(shù)字成果進行質(zhì)量檢查。其中，針對紙質(zhì)成果重點檢查字體大小、注記位置、符號疏密、要素間關系等。針對數(shù)據(jù)成果重點檢查房角、道路拐角、井蓋、墻角、溝渠、噴涂靶標等明顯地物特征點，可輔助運用全站儀、GPS-RTK 進行復核，確保數(shù)據(jù)成果精度滿足成圖要求。

6 技術特點分析

相比于傳統(tǒng)攝影測量方式，基于實景三維的大比例尺成圖技術改變了作業(yè)流程，提高了數(shù)字產(chǎn)品生產(chǎn)速度，提升了作業(yè)效率，具體表現(xiàn)在如下幾個方面：

（1）裸眼測量。傾斜攝影三維數(shù)據(jù)提供了完整立體的三維場景，作業(yè)員運用三維數(shù)據(jù)加載與編輯軟件，可直接看到三維效果的數(shù)據(jù)，無需基于立體眼鏡的視角差來構建三維場景，還可采用二三維聯(lián)動方式，在三維場景中查看數(shù)據(jù)，在二維場景中采集編輯數(shù)據(jù)。

（2）精細采集。基于傾斜攝影三維數(shù)據(jù)，作業(yè)員可直接采集房屋地面角點等微觀要素，電桿、路牌、路燈等垂直面或體要素，以及建筑物中間或下面的附屬構筑物要素。這些微觀要素在傳統(tǒng)方式下，往往根據(jù)作業(yè)員的經(jīng)驗標繪位置信息，或通過大量外業(yè)調(diào)繪進行標定。

（3）效率提高。建立實景三維模型和三維測量均可由軟件自動解算完成，還可以采用聯(lián)機運算縮短數(shù)據(jù)處理時間，繪制地圖過程需作業(yè)員手動完成，以三維模型和點云作參照，速度大大提升。

（4）節(jié)約成本。充分發(fā)揮無人機傾斜攝影測量技術靈活高效的特點，工作時長以小時為單位，不同以往大比例尺地形圖外業(yè)測繪按天數(shù)計算，縮短了項目周期；測繪人員只需無人機飛手和少量作業(yè)員，與傳統(tǒng)測圖方法按測區(qū)面積配備一定比例的外業(yè)人員相比，人員數(shù)量減少，節(jié)約項目成本。

7 結語

實景三維中國建設是測繪行業(yè)貫徹新發(fā)展理念、構建新發(fā)展格局的一項重要工作，與國家新型基礎測繪體系建設、時空大數(shù)據(jù)云平臺建設緊密關聯(lián)，是測繪地理信息供給側結構性改革的重要之舉[13]。開展基于實景三維數(shù)據(jù)的科學研究，既能充分運用實景三維等多源數(shù)據(jù)優(yōu)勢，促進技術變革和工程流程優(yōu)化，又能降低勞動復雜度，提高工作效率。本文闡述了基于實景三維模型的數(shù)字產(chǎn)品生產(chǎn)流程，分析了新數(shù)據(jù)生產(chǎn)方式的優(yōu)點，得出基于實景三維模型開展大比例尺成圖的可行性、便捷性?；趯嵕叭S模型進行地形圖數(shù)據(jù)生產(chǎn)減少了外業(yè)人員的工作量，降低了人力和時間成本，將逐漸成為大比例尺地形圖生產(chǎn)的主流方式。