劉冬枝

（1. 自然資源部重慶測繪院，重慶 401120）

實景三維數(shù)據(jù)作為真實、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(chǔ)設(shè)施，通過“人機兼容、物聯(lián)感知、泛在服務(wù)”實現(xiàn)數(shù)字空間與現(xiàn)實空間的實時關(guān)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(chǔ)，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。實景三維中國建設(shè)是面向新時期測繪地理信息事業(yè)服務(wù)經(jīng)濟社會發(fā)展和生態(tài)文明建設(shè)的新定位、新需求，對傳統(tǒng)基礎(chǔ)測繪業(yè)務(wù)的轉(zhuǎn)型升級，是測繪地理信息服務(wù)的發(fā)展方向和基本模式，已納入“十四五”自然資源保護和利用規(guī)劃。《實景三維中國建設(shè)總體實施方案（2022—2025年）》[1]中提出，在城市級實景三維建設(shè)時，國家層面開展基礎(chǔ)三維模型（建筑白模）建設(shè)，覆蓋地級以上城市的城鎮(zhèn)開發(fā)邊界范圍；地方層面基于國家層面建設(shè)的基礎(chǔ)三維模型，開展紋理構(gòu)建、屬性補充，覆蓋地級以上城市的城鎮(zhèn)開發(fā)邊界范圍。

1 基于高分七號衛(wèi)星的DSM、DEM、DOM生產(chǎn)

高分七號（GF-7）衛(wèi)星采用兩線陣立體成像模式，分辨率為后視0.65 m、前視0.8 m，立體成像效率較高；但相機安裝角為后視5°、前視26°，兩臺相機夾角達到31°，在建筑物密集地區(qū)或地形起伏較大的山區(qū)易發(fā)生遮擋，出現(xiàn)一定范圍的匹配盲區(qū)。資源三號（ZY-3）衛(wèi)星采用三線陣立體成像模式，分辨率最高為正視2.1 m，但3臺相機能實現(xiàn)視角互補，至少有兩個相機能觀測到簡單形狀建筑物的所有區(qū)域，可作為GF-7 衛(wèi)星生產(chǎn)DSM 的重要輔助數(shù)據(jù)，更好地保障DSM的精度和連續(xù)性[2]。

根據(jù)GF-7、ZY-3衛(wèi)星的特點，首先利用SRTM數(shù)據(jù)輔助ZY-3 衛(wèi)星三線陣影像進行數(shù)據(jù)處理，得到DSM、DOM 數(shù)據(jù)；再將DSM、DOM 數(shù)據(jù)作為控制資料，對GF-7衛(wèi)星兩線陣影像進行控制點采集、區(qū)域網(wǎng)平差；最后對更新RPC后的GF-7和ZY-3衛(wèi)星影像進行多視準核線影像匹配，GF-7與ZY-3衛(wèi)星的分辨率差異達到3倍以上，可將GF-7與ZY-3衛(wèi)星多視立體影像通過RPC實現(xiàn)多視坐標映射，在視差層級進行融合處理，以GF-7衛(wèi)星影像為主，通過全局優(yōu)化遮擋檢測剔除錯誤匹配，對遮擋區(qū)域進行視差空洞修補，實現(xiàn)無遮擋視差圖，生成連續(xù)性良好的高精度DSM數(shù)據(jù)。首先對高精度DSM數(shù)據(jù)進行水域置平、異常值編輯、建筑物高度核查反演，得到高精度DSM 成果；再將建筑、橋梁、林地等非地面高程降至地面，編輯后的區(qū)域需與周圍合理過渡，消除局部高程異常，得到高精度DEM成果；最后對GF-7衛(wèi)星影像進行正射糾正、影像融合、影像降位、波段重組、勻光勻色等處理，得到DOM成果。

2 建筑白模的生產(chǎn)

生產(chǎn)建筑白模的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括GF-7 衛(wèi)星生產(chǎn)的高精度DSM、DEM、DOM成果[3-5]和建筑數(shù)據(jù)。

1）建筑數(shù)據(jù)的獲取。建筑數(shù)據(jù)的獲取途徑主要包括：①收集城市大比例尺地形圖，按照圖層、屬性等提取建筑數(shù)據(jù)；②收集高分辨率衛(wèi)星影像或航空影像，通過影像自動分類解譯和人工后期處理獲得建筑數(shù)據(jù)；③向正規(guī)渠道的圖商采購或借助網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)抓取手段獲取建筑數(shù)據(jù)[6]。

2）建筑高程、高度的提取。按照建筑白模生產(chǎn)的模型精細度要求，先對收集的建筑數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)規(guī)整；再以規(guī)整后的建筑數(shù)據(jù)為輪廓基底數(shù)據(jù)，以GF-7衛(wèi)星后視DOM成果為基礎(chǔ)，參考前視DOM成果綜合判定建筑底座范圍。需建筑白模的建筑按照應(yīng)采盡采的原則，在影像上能獨立分辨的建筑應(yīng)按外輪廓線逐幢獨立采集。基于建筑底座范圍、高精度DSM成果，利用ArcGIS軟件的分區(qū)統(tǒng)計工具求取建筑底座范圍內(nèi)高精度DSM成果格網(wǎng)高程值的最大值，并作為建筑頂部高程。基于建筑底座范圍、高精度DEM成果，利用ArcGIS軟件的分區(qū)統(tǒng)計工具求取建筑底座范圍內(nèi)高精度DEM成果格網(wǎng)高程值的平均值，并作為建筑基底高程。對建筑頂部和建筑基底高程進行高程求差，獲取建筑高度[7]。

3）實景三維場景的構(gòu)建。利用ArcGIS 軟件將GF-7衛(wèi)星生產(chǎn)的后視DOM成果和高精度DEM成果構(gòu)建三維地理模型，為建筑白模自動生成與可視化提供實景三維場景。打開ArcScene 軟件，加載高精度DEM、DOM成果，右鍵打開圖層屬性；在Base Heights屬性項中，選擇高精度DEM成果設(shè)置曲面高程，通過設(shè)置分辨率來調(diào)整實景三維場景顯示的精細度。

4）建筑白模的自動生成與可視化。在構(gòu)建的實景三維場景下，利用ArcGIS軟件根據(jù)建筑基底高程屬性值調(diào)整建筑基底到實景三維場景的地形高程，根據(jù)建筑高度屬性值進行拉伸自動生成建筑白模。打開ArcScene軟件，加載建筑數(shù)據(jù)矢量文件，右鍵打開圖層屬性；在Base Heights 屬性項中，選擇建筑基底高程設(shè)置要素高程，調(diào)整建筑基底到實景三維場景的地形高程；在Extrusion屬性項中，選擇建筑高度設(shè)置拉伸值，生成建筑白模[8]。

3 建筑白模實驗與分析

本文在重慶市主城區(qū)選取建筑物密集區(qū)域進行建筑白模生產(chǎn)實驗，共收集4景GF-7衛(wèi)星立體影像，拍攝時間集中在2021年5—10 月；兩景ZY-3 衛(wèi)星立體影像，拍攝時間集中在2019年7—8月。

建筑白模生產(chǎn)實驗的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)主要為GF-7 衛(wèi)星生產(chǎn)的高精度DSM、DEM、DOM成果和重慶綜合市情系統(tǒng)借助網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)抓取手段獲取的建筑數(shù)據(jù)（圖1）。GF-7 衛(wèi)星在建筑密集地區(qū)或地形起伏較大的山區(qū)易發(fā)生遮擋，因此對GF-7與ZY-3衛(wèi)星影像進行多視準核線影像匹配，以GF-7 衛(wèi)星影像為主，通過全局優(yōu)化遮擋檢測與視差空洞修補等技術(shù)，生成高精度DSM數(shù)據(jù)，有效獲得建筑頂部高程。由于借助網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)抓取手段獲取的建筑數(shù)據(jù)可靠性低，后期實景三維中國建設(shè)項目建議收集城市大比例尺地形圖，按照圖層、屬性等提取建筑數(shù)據(jù)。

圖1 建筑白模生產(chǎn)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

建筑白模采用SHP格式進行數(shù)據(jù)組織與存儲，用于記錄建筑頂部高程、建筑基底高程和建筑高度等屬性，以利用ArcGIS軟件將三維模型導出為通用數(shù)據(jù)格式或編寫程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換。建筑白模屬性定義見表1。

表1 建筑白模屬性定義

基于ArcGIS 軟件，利用DOM 和DEM 成果生產(chǎn)三維地理模型，為建筑白?？梢暬峁嵕叭S場景（圖2）；再根據(jù)建筑基底高程屬性值調(diào)整建筑基底到實景三維場景的地形高程，根據(jù)建筑高度屬性值進行拉伸，自動生成建筑白模（圖3）。

圖2 實景三維場景

圖3 建筑白模自動生成與可視化

4 結(jié) 語

實景三維是對一定范圍內(nèi)人類生產(chǎn)、生活和生態(tài)空間進行真實、立體、時序化反映和表達的數(shù)字空間，是新型基礎(chǔ)測繪的標準化產(chǎn)品，是國家重要的新型基礎(chǔ)設(shè)施，為經(jīng)濟社會發(fā)展和各部門信息化提供了統(tǒng)一的空間基底。本文基于GF-7 衛(wèi)星影像選取建筑物密集區(qū)域進行建筑白模生產(chǎn)實驗，為后期實景三維中國建設(shè)做好技術(shù)支撐，以滿足國土空間規(guī)劃、自然資源調(diào)查監(jiān)測、自然資源政務(wù)服務(wù)等自然資源管理以及經(jīng)濟社會發(fā)展各領(lǐng)域?qū)嵕叭S數(shù)據(jù)的亟需[9]。