江浩

（安徽省第三測繪院）

1 實(shí)景三維的相關(guān)概述

實(shí)景三維是建設(shè)數(shù)字中國的核心內(nèi)容，能為數(shù)字中國建設(shè)提供空間定位框架和分析基礎(chǔ)，是數(shù)字政府、數(shù)字經(jīng)濟(jì)的戰(zhàn)略性數(shù)據(jù)資源和生產(chǎn)要素。實(shí)景三維立體地形數(shù)據(jù)體系建設(shè)的本質(zhì)是通過基礎(chǔ)測繪、數(shù)據(jù)采集等手段，將地理信息資源體系中的數(shù)字高程模型、矢量數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，全方位展現(xiàn)地理信息資源、地形特征、地物分布等信息的可視化數(shù)據(jù)庫[1]。

2 實(shí)景三維立體地形數(shù)據(jù)體系建設(shè)思路

實(shí)景三維立體地形數(shù)據(jù)體系是基于數(shù)字高程模型，同時(shí)按照各省市的實(shí)際情況，構(gòu)建的三維立體地形數(shù)據(jù)庫、實(shí)景三維產(chǎn)品，具體內(nèi)容包括：①制定實(shí)景三維生產(chǎn)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系；②探索存量基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)實(shí)體化改造和地形級地理場景構(gòu)建的技術(shù)路徑；③采用傾斜航空攝影測量和激光雷達(dá)測量獲取數(shù)據(jù)，試點(diǎn)生產(chǎn)城市級和部件級實(shí)景三維產(chǎn)品；④建設(shè)實(shí)景三維數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)和應(yīng)用服務(wù)平臺。

以某省實(shí)景三維項(xiàng)目為例。該項(xiàng)目以該省市的1:10000 基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)更新工程數(shù)據(jù)成果為主要數(shù)據(jù)源，以最新的地理國情監(jiān)測數(shù)據(jù)、第三次國土調(diào)查及其他存量數(shù)據(jù)為輔，對現(xiàn)有的地理信息資源庫內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)體化改造，完成作業(yè)區(qū)域內(nèi)地形級基礎(chǔ)地理實(shí)體數(shù)據(jù)生產(chǎn)，完成DOM、DEM等場景數(shù)據(jù)的整理及建庫生成地形級實(shí)景三維產(chǎn)品等。

3 實(shí)景三維立體地形數(shù)據(jù)體系的技術(shù)指標(biāo)設(shè)計(jì)

1）時(shí)空基準(zhǔn)包括實(shí)景三維立體地形數(shù)據(jù)的平面坐標(biāo)系統(tǒng)、高程基準(zhǔn)、時(shí)間基準(zhǔn)。其中平面坐標(biāo)系統(tǒng)采用2000國家大地坐標(biāo)系，分區(qū)域數(shù)據(jù)采用地理坐標(biāo)，以“度”為單位，雙精度浮點(diǎn)數(shù)表示，保留9 位小數(shù)（0.000000001 度）；高程基準(zhǔn)為1985 國家高程基準(zhǔn)，高程系統(tǒng)為正常高；時(shí)間基準(zhǔn)為公元紀(jì)年和北京時(shí)間（UTC+08：00）。

2）精度要求基于現(xiàn)有源數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換生產(chǎn)基礎(chǔ)地理實(shí)體數(shù)據(jù)的幾何精度（含平面位置精度和高程精度）誤差來衡量，最大誤差不大于2倍中誤差，具體見表1，特別困難地區(qū)，可按地形類別放寬0.5倍。

表1 實(shí)景三維中地形級新采集基礎(chǔ)地理實(shí)體數(shù)據(jù)平面位置及高程中誤差

3）粒度要求是基于現(xiàn)有源數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換生產(chǎn)該省基礎(chǔ)地理實(shí)體數(shù)據(jù)，使其粒度與轉(zhuǎn)換源數(shù)據(jù)保持一致。

4）生產(chǎn)要求包括：①源數(shù)據(jù)的幾何圖形和屬性數(shù)據(jù)在轉(zhuǎn)換生產(chǎn)基礎(chǔ)地理實(shí)體的圖元和基本屬性數(shù)據(jù)時(shí)，應(yīng)保證轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無誤，無遺漏、多余或重復(fù)；②轉(zhuǎn)換生產(chǎn)后的基礎(chǔ)地理實(shí)體數(shù)據(jù)，其分類、實(shí)體屬性和實(shí)體關(guān)系應(yīng)符合《XX省基礎(chǔ)地理實(shí)體數(shù)據(jù)技術(shù)規(guī)范》（試行）相關(guān)要求；③現(xiàn)有源數(shù)據(jù)應(yīng)轉(zhuǎn)盡轉(zhuǎn)，不能轉(zhuǎn)換的要素，參照《基礎(chǔ)地理實(shí)體數(shù)據(jù)采集生產(chǎn)技術(shù)規(guī)程》采集生產(chǎn)。

4 實(shí)景三維立體地形數(shù)據(jù)體系的關(guān)鍵技術(shù)分析

4.1 數(shù)據(jù)獲取與處理技術(shù)

數(shù)據(jù)獲取和預(yù)處理是實(shí)景三維立體地形數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)內(nèi)容，技術(shù)方案的核心包括采集源數(shù)據(jù)、預(yù)處理多源數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)語義化處理等[2]。

1）采用城市級地理場景數(shù)據(jù)生產(chǎn)中生產(chǎn)的Mesh 三維模型、數(shù)字高程模型（DEM）、數(shù)字正射影像圖（DOM）、數(shù)字真正射影像圖（TDOM）等多源數(shù)據(jù)，作為基礎(chǔ)地理實(shí)體采集的源數(shù)據(jù)。

2）預(yù)處理實(shí)景三維中的源數(shù)據(jù)、實(shí)體數(shù)據(jù)，包括坐標(biāo)格式轉(zhuǎn)換、語義化、結(jié)構(gòu)化等預(yù)處理工作。數(shù)據(jù)獲取方式是根據(jù)數(shù)據(jù)模型、共享網(wǎng)絡(luò)，獲取實(shí)景三維地形信息，并對地形地理自然信息進(jìn)行數(shù)據(jù)抽取、清洗、壓縮等預(yù)處理。

3）語義化處理地形數(shù)據(jù)的關(guān)鍵是以基礎(chǔ)地理實(shí)體的空間身份編碼為索引，對同一基礎(chǔ)地理實(shí)體不同表現(xiàn)形式的數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)。例如，同一個(gè)實(shí)體的點(diǎn)圖元、線圖元、面圖元和體標(biāo)識為同一實(shí)體。通過“三元組”形式對基礎(chǔ)地理實(shí)體屬性、實(shí)體關(guān)系進(jìn)行規(guī)范化描述，如基礎(chǔ)地理實(shí)體基本屬性的“三元組”描述規(guī)則為：“<實(shí)體，實(shí)體屬性項(xiàng)，屬性值>”，基礎(chǔ)地理實(shí)體的實(shí)體關(guān)系“三元組”描述規(guī)則為：“<實(shí)體，實(shí)體關(guān)系，實(shí)體>”。

4.2 實(shí)體數(shù)據(jù)生產(chǎn)技術(shù)

實(shí)景三維立體地形數(shù)據(jù)體系中，實(shí)體數(shù)據(jù)生產(chǎn)技術(shù)的應(yīng)用場景包括“基礎(chǔ)地理實(shí)體數(shù)據(jù)”、“地理場景數(shù)據(jù)”、“數(shù)據(jù)體系三維模型數(shù)據(jù)”等，以“地理場景數(shù)據(jù)”的生產(chǎn)為例，如圖1所示。

圖1 實(shí)景三維中地理場景數(shù)據(jù)生產(chǎn)技術(shù)路線圖

1）通過傾斜航空攝影測量獲取數(shù)據(jù)集，隨后應(yīng)用像片控制測量、影像預(yù)處理、多視傾斜影像匹配、多視傾斜影像空中三角解算、稠密點(diǎn)云構(gòu)建、噪聲信息去除等技術(shù)構(gòu)建三維模型。在此基礎(chǔ)上，運(yùn)用機(jī)載式激光雷達(dá)根據(jù)實(shí)景三維立體地形數(shù)據(jù)的采集需求，采集地形數(shù)據(jù)，獲取高密度點(diǎn)云數(shù)據(jù)，生產(chǎn)高精度DEM（數(shù)字高程模型）。

2）應(yīng)用車載式激光雷達(dá)測量，對主要道路路面及兩側(cè)交通設(shè)施、市政設(shè)施地理形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜、材質(zhì)紋理豐富的建筑物、地下空間含遮擋區(qū)域進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，獲取高精度激光點(diǎn)云和高清全景影像數(shù)據(jù)[3]。

3）將機(jī)載、車載、架站式激光雷達(dá)測量方式獲取的激光點(diǎn)云，與傾斜攝影密集點(diǎn)云進(jìn)行配準(zhǔn)融合，從而得到高精度融合后的點(diǎn)云。

4）利用融合得到的點(diǎn)云構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN），由TIN 構(gòu)建白模；根據(jù)空三關(guān)系從傾斜攝影影像和激光雷達(dá)測量同步獲取的影像中計(jì)算對應(yīng)的紋理，并自動將紋理映射到對應(yīng)的白模上，形成逼真的Mesh 三維模型，隨后對三維模型進(jìn)行補(bǔ)充修飾，經(jīng)檢查修補(bǔ)合格后，作為城市級地理場景?；诔鞘屑壍乩韴鼍皵?shù)據(jù)，相關(guān)人員在實(shí)景三維立體數(shù)據(jù)體系中直接獲取數(shù)字正射影像圖（DOM）、數(shù)字真正射影像圖（TDOM）、數(shù)字高程模型（DEM）和數(shù)字表面模型（DSM），直觀地了解可視化的地理地形信息。

4.3 區(qū)域網(wǎng)平差技術(shù)

區(qū)域網(wǎng)平差技術(shù)可分為“稀少控制”、“足量控制”條件下的區(qū)域網(wǎng)平差，在實(shí)景三維立體地形數(shù)據(jù)體系中能夠依據(jù)各區(qū)域的地理特征、地形數(shù)據(jù)高精度控制需求、衛(wèi)星影像覆蓋情況，消除實(shí)景三維數(shù)據(jù)采集時(shí)的誤差，同時(shí)起到提升衛(wèi)星影像幾何定位精度的作用。此外，建設(shè)實(shí)景三維地形數(shù)據(jù)體系時(shí)，基于區(qū)域平差技術(shù)，數(shù)據(jù)系統(tǒng)可自動校驗(yàn)區(qū)域內(nèi)的所有衛(wèi)星影像，獲取特定時(shí)段的影像參數(shù)、精密軌道等數(shù)據(jù)。同時(shí)按照區(qū)域網(wǎng)內(nèi)衛(wèi)星影像誤差特性、分布規(guī)律，消除區(qū)域網(wǎng)在平差時(shí)的影像誤差。或根據(jù)實(shí)景三維地形數(shù)據(jù)的供應(yīng)需求，充分利用各類公眾地理信息數(shù)據(jù)，使其作為可視化地形數(shù)據(jù)模型的參考資料，生產(chǎn)更可靠的實(shí)景三維影像產(chǎn)品。

4.4 實(shí)景三維數(shù)據(jù)建庫技術(shù)

4.4.1 技術(shù)方案

以建設(shè)基礎(chǔ)地理實(shí)體數(shù)據(jù)庫為核心，以“一庫多能、按需組裝”為目標(biāo)，將生產(chǎn)完成的基礎(chǔ)地理實(shí)體數(shù)據(jù)進(jìn)行賦碼、數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)組織、建立實(shí)體間關(guān)系、生成庫結(jié)構(gòu)文件。初步構(gòu)建融合動態(tài)時(shí)空信息數(shù)據(jù)和語義數(shù)據(jù)，具有時(shí)空數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、語義數(shù)據(jù)挖掘系統(tǒng)和語義融合分析系統(tǒng)，涵蓋多層級、多模態(tài)基礎(chǔ)地理實(shí)體和地理場景的實(shí)景三維數(shù)據(jù)庫。

實(shí)景三維數(shù)據(jù)可以有多種表達(dá)形式，如二維矢量數(shù)據(jù)、遙感影像數(shù)據(jù)、傾斜攝影三維模型數(shù)據(jù)、精細(xì)化三維模型數(shù)據(jù)、激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)等。不論抽象表達(dá)為何種形式，其唯一標(biāo)識碼相同。數(shù)據(jù)庫中基于地理實(shí)體的唯一標(biāo)識碼對多維、多源異構(gòu)的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一組織管理，便于在進(jìn)行地理實(shí)體查詢時(shí)，能夠同時(shí)查詢到該實(shí)體的二維數(shù)據(jù)、三維數(shù)據(jù)及影像數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)形式，為信息判讀和空間分析提供更好的途徑，提供更直觀的輔助決策支持[4]。

4.4.2 技術(shù)要點(diǎn)

完成DEM、DOM 中的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)生產(chǎn)后。在實(shí)景三維地形數(shù)據(jù)庫建設(shè)中，相關(guān)人員應(yīng)將生成的DEM、DOM 模型數(shù)據(jù)和其他地形數(shù)據(jù)資源進(jìn)行整合，建設(shè)多節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)庫。建庫的核心是將地形數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為統(tǒng)一形式和分辨率后集中管理，讓實(shí)景三維立體地形數(shù)據(jù)體系能夠支持?jǐn)?shù)據(jù)動態(tài)增加、刪除、修改、動態(tài)應(yīng)用、數(shù)據(jù)分析處理等信息服務(wù)。

在建設(shè)實(shí)景三維立體地形數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上，還應(yīng)進(jìn)一步完善實(shí)景三維服務(wù)管理系統(tǒng)。具體是在數(shù)據(jù)庫建設(shè)中，運(yùn)用“世界級3D映射Cesium”等開源庫可視化呈現(xiàn)地形數(shù)據(jù)，使實(shí)景三維地形數(shù)據(jù)體系在運(yùn)行期間，具有矢量數(shù)據(jù)、柵格數(shù)據(jù)疊加和統(tǒng)計(jì)分析作用。應(yīng)用數(shù)據(jù)建庫技術(shù)后，實(shí)景三維立體地形數(shù)據(jù)體系將相關(guān)地理信息、地形數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)化、一體化顯示，包含二、三維地形數(shù)據(jù)，且數(shù)據(jù)顯示具有跨平臺、高精度、自主添加等特點(diǎn)。對于遠(yuǎn)距離的實(shí)景三維立體地形數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)庫內(nèi)的信息模型可根據(jù)距離遠(yuǎn)近靈活的設(shè)定可視化呈現(xiàn)細(xì)節(jié)，確保地形數(shù)據(jù)、地理影像的顯示效果，為社會經(jīng)濟(jì)建設(shè)中地理信息資源的管理和應(yīng)用創(chuàng)造良好條件。

5 結(jié)語

綜上所述，在基礎(chǔ)測繪技術(shù)、大數(shù)據(jù)、GIS 等技術(shù)的支持下，實(shí)景三維立體地形數(shù)據(jù)體系的建設(shè)成為可能，可以對所有地理信息進(jìn)行立體、可視化呈現(xiàn)，讓各主體清晰、輕松地了解相關(guān)地形數(shù)據(jù)、自然資源分布信息、人文環(huán)境，實(shí)現(xiàn)地理自然資源的高效管理，為城市規(guī)劃建設(shè)、國家治理提供可靠依據(jù)。