李德重,姚 娜,薛永軍,熊文豪,王龍秀

(1. 內(nèi)蒙古自治區(qū)自然資源廳,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020; 2. 北京飛馬航遙科技有限公司,北京 100192;3. 內(nèi)蒙古自治區(qū)測(cè)繪地理信息中心,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010000)

2020年1月,自然資源部印發(fā)《自然資源調(diào)查監(jiān)測(cè)體系構(gòu)建總體方案》,明確自然資源調(diào)查監(jiān)測(cè)工作任務(wù)涉及調(diào)查我國(guó)自然資源狀況,包括種類、數(shù)量、質(zhì)量、空間分布等,建成自然資源日常管理所需的“一張底版、一套數(shù)據(jù)和一個(gè)平臺(tái)”等[1]。2021年全國(guó)自然資源工作電視電話會(huì)議要求“加快建設(shè)實(shí)景三維中國(guó)、自然資源一張底圖”。2021年2月印發(fā)的《自然資源三維立體時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)總體方案》明確實(shí)現(xiàn)自然資源調(diào)查監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)成果的立體化統(tǒng)一管理,形成自然資源調(diào)查監(jiān)測(cè)一張底版、一套數(shù)據(jù),保障國(guó)土空間基礎(chǔ)信息平臺(tái)良好運(yùn)行,服務(wù)“兩統(tǒng)一”職責(zé)履行,也滿足相關(guān)部門科學(xué)決策和社會(huì)公眾對(duì)自然資源基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的需要[2]。

“一張底版、一套數(shù)據(jù)、一個(gè)平臺(tái)”是自然資源調(diào)查監(jiān)測(cè)體系的技術(shù)框架、數(shù)據(jù)支撐和時(shí)空載體,而實(shí)景三維“以地理實(shí)體為視角和對(duì)象”,既是統(tǒng)一的三維空間定位框架和分析基礎(chǔ),也是時(shí)空大數(shù)據(jù)云平臺(tái)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

內(nèi)蒙古自治區(qū)(簡(jiǎn)稱“內(nèi)蒙古”)基于自然資源調(diào)查監(jiān)測(cè)體系構(gòu)架,研究了一套以高精度實(shí)景三維為統(tǒng)一三維空間框架和技術(shù)框架,對(duì)各類自然資源信息進(jìn)行分層分類和統(tǒng)一組織的自然資源立體時(shí)空模型建設(shè)方法,以滿足自然資源信息的可視化快速訪問、準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)和分析應(yīng)用,服務(wù)自然資源精細(xì)化綜合管理。

本文圍繞內(nèi)蒙古自然資源調(diào)查監(jiān)測(cè)高精度實(shí)景三維建設(shè)與實(shí)踐,闡述自然資源、調(diào)查監(jiān)測(cè)、實(shí)景三維的內(nèi)涵與分類,介紹內(nèi)蒙古的總體布局和建設(shè)方法,重點(diǎn)論述技術(shù)路線、生產(chǎn)指標(biāo)、實(shí)踐結(jié)果及應(yīng)用前景。

1 相關(guān)定義、分級(jí)與精度

1.1 自然資源與調(diào)查監(jiān)測(cè)

自然資源是指天然存在、有使用價(jià)值、可提高人類當(dāng)前和未來福利的自然環(huán)境因素的總和,涉及土地、礦產(chǎn)、森林、草原、水、濕地、海域海島等,涵蓋陸地和海洋、地上和地下[1]。調(diào)查監(jiān)測(cè)是指調(diào)查我國(guó)自然資源狀況,包括種類、數(shù)量、質(zhì)量、空間分布等監(jiān)測(cè)自然資源動(dòng)態(tài)變化情況。

1.2 實(shí)景三維

實(shí)景三維是對(duì)人類生產(chǎn)、生活和生態(tài)空間進(jìn)行真實(shí)、立體、時(shí)序化反映和表達(dá)的數(shù)字虛擬空間,是新型基礎(chǔ)測(cè)繪標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品,是國(guó)家新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重要組成部分,為經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和各部門信息化提供統(tǒng)一的空間基底[3-4]。

按照表達(dá)內(nèi)容和層級(jí)分類,實(shí)景三維建設(shè)通常分為地形級(jí)、城市級(jí)、部件級(jí)[5]。其中,地形級(jí)和城市級(jí)實(shí)景三維建設(shè)被納入新型基礎(chǔ)測(cè)繪建設(shè)任務(wù),更具有基礎(chǔ)性、公益性;部件級(jí)不屬于國(guó)家基礎(chǔ)測(cè)繪的任務(wù),更側(cè)重滿足個(gè)性化需求。本文指可用于自然資源調(diào)查監(jiān)測(cè)表達(dá)的地形級(jí)和城市級(jí)實(shí)景三維。

(1)地形級(jí)實(shí)景三維。地形級(jí)實(shí)景三維服務(wù)宏觀尺度的三維可視化與空間量算,通過構(gòu)建地形級(jí)地理場(chǎng)景、基礎(chǔ)地理實(shí)體,獲取其他實(shí)體、物聯(lián)感知數(shù)據(jù),組裝生成地形級(jí)實(shí)景三維產(chǎn)品。地形級(jí)實(shí)景三維的主流表達(dá)形式有數(shù)字高程模型(DEM)、數(shù)字表面模型(DSM)、數(shù)字正射影像(DOM)、真正射影像(TDOM)或DEM/DSM疊加融合DOM/TDOM、實(shí)時(shí)感知數(shù)據(jù)[5-6],幾何精度為米級(jí)。

(2)城市級(jí)實(shí)景三維。城市級(jí)實(shí)景三維服務(wù)中觀尺度(區(qū)域)精細(xì)化管理的精細(xì)化表達(dá)與空間統(tǒng)計(jì)分析,通過構(gòu)建城市級(jí)地理場(chǎng)景、基礎(chǔ)地理實(shí)體,獲取其他實(shí)體、物聯(lián)感知數(shù)據(jù),組裝生成城市級(jí)實(shí)景三維產(chǎn)品。城市級(jí)實(shí)景三維的主流表達(dá)形式有傾斜攝影三維模型[3]、點(diǎn)云模型與紋理疊加、單體化模型數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)感知數(shù)據(jù)[5],幾何精度不低于0.2 m,城市建成區(qū)及其他重點(diǎn)區(qū)域不低于0.05 m[6]。

2 研究區(qū)與方法

2.1 研究區(qū)概況

內(nèi)蒙古位于我國(guó)北部邊疆,由東北向西南斜伸,呈狹長(zhǎng)形。東西相隔超2400 km,南北縱橫1700 km,行政區(qū)總面積為118.3萬 km2,占全國(guó)土地面積的12.3%,居全國(guó)第3位。地貌以蒙古高原為主體,具有復(fù)雜多樣的形態(tài):除東南部外,基本是高原,由呼倫貝爾、錫林郭勒、巴彥淖爾—阿拉善及鄂爾多斯等高平原組成,平均海拔1000 m左右,海拔最高點(diǎn)賀蘭山主峰3556 m;高原四周分布著大興安嶺、陰山、賀蘭山等山脈,構(gòu)成內(nèi)蒙古高原地貌的脊梁;高原西端分布有巴丹吉林、騰格里、烏蘭布和、庫(kù)布其、毛烏素等沙漠。全區(qū)高原面積占總面積的53.4%,山地占 20.9%,丘陵占16.4%,沙漠占12.7%,河流、湖泊、水庫(kù)等水面面積占0.8%?，F(xiàn)設(shè)9個(gè)地級(jí)市,3個(gè)盟,共103個(gè)旗縣(市、區(qū))。

2.2 高精度實(shí)景三維建設(shè)方法

充分考慮內(nèi)蒙古自然資源調(diào)查監(jiān)測(cè)對(duì)高精度實(shí)景三維的需求,結(jié)合地形地貌特征、區(qū)域經(jīng)濟(jì)格局和構(gòu)建高質(zhì)量國(guó)土空間體系目標(biāo),統(tǒng)籌面積、成本、周期,建設(shè)分層、分級(jí)、分精度的實(shí)景三維最為適宜。其中,地形級(jí)實(shí)景三維地理場(chǎng)景最合適經(jīng)濟(jì)的生產(chǎn)方式是DOM/TDOM+DEM/DSM建模,可以充分利用現(xiàn)有基礎(chǔ)測(cè)繪數(shù)據(jù),同時(shí)數(shù)據(jù)獲取方法簡(jiǎn)單快捷、現(xiàn)勢(shì)性高,三維建模計(jì)算量小、效率高[7],適合處在山地的林區(qū)、高原的牧區(qū)及沙漠地帶;亦可以基于常規(guī)航攝與數(shù)字高程模型疊加的實(shí)景三維構(gòu)建[8],適合處在平原的農(nóng)業(yè)集中地帶;城市級(jí)實(shí)景三維?；趦A斜攝影實(shí)景三維構(gòu)建[7-10],適合城鎮(zhèn)村的建成區(qū)范圍。

立足內(nèi)蒙古自然資源調(diào)查監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)底版建設(shè)的客觀實(shí)際,依據(jù)行政區(qū)界線,確定了內(nèi)蒙古實(shí)景三維的總體布局與建設(shè)思路(如圖1所示)。

圖1 分層、分級(jí)、分精度實(shí)景三維

(1)針對(duì)盟市和旗縣所在地等(2933 km2),基于無人機(jī)傾斜攝影,獲取下視地面分辨率優(yōu)于0.03 m的傾斜攝影數(shù)據(jù),制作完成城市級(jí)實(shí)景三維。

(2) 針對(duì)農(nóng)區(qū)、半農(nóng)半牧區(qū)和城鎮(zhèn)地區(qū)等(約20萬 km2),基于有人機(jī)航空攝影獲取地面分辨率優(yōu)于0.2 m的航空攝影影像及點(diǎn)云密度優(yōu)于2點(diǎn)/m2的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù),制作完成地形級(jí)實(shí)景三維。

(3) 針對(duì)內(nèi)蒙古全區(qū)(約118萬km2),基于亞米級(jí)國(guó)產(chǎn)高分辨率衛(wèi)星影像與基礎(chǔ)測(cè)繪DEM/DOM成果生產(chǎn)0.8 m分辨率DOM與5 m格網(wǎng)DEM,制作完成地形級(jí)實(shí)景三維。

2.3 已有數(shù)據(jù)源

地形級(jí)實(shí)景三維涉及的數(shù)據(jù)源包括衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)測(cè)繪成果、基礎(chǔ)控制數(shù)據(jù)和其他資料。

(1)衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)是生產(chǎn)數(shù)字正射影像、制作地形級(jí)實(shí)景三維的重要數(shù)據(jù)源。本文采用國(guó)產(chǎn)亞米級(jí)高分辨率衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù),包括高分二號(hào)(GF-2)、高分七號(hào)(GF-7)、吉林一號(hào)(JL1),主要參數(shù)見表1。

表1 高分辨率衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)主要參數(shù)

(2)基礎(chǔ)測(cè)繪成果是生產(chǎn)0.8 m分辨率DOM與5 m格網(wǎng)DEM的數(shù)據(jù)源,其分類及數(shù)學(xué)基礎(chǔ)見表2。

表2 基礎(chǔ)測(cè)繪成果分類及其數(shù)學(xué)基礎(chǔ)

(3)基礎(chǔ)控制數(shù)據(jù)用于檢核衛(wèi)星像片控制測(cè)量的平面與高程精度、統(tǒng)一全區(qū)實(shí)景三維成果(如圖1所示)數(shù)學(xué)基礎(chǔ),包括平面、高程控制資料(GPS B級(jí)網(wǎng)),似大地水準(zhǔn)面資料(分辨率2′×2′),NMGCORS資料。

3 技術(shù)路線與指標(biāo)設(shè)計(jì)

3.1 基于衛(wèi)星影像制作地形級(jí)實(shí)景三維

收集測(cè)區(qū)內(nèi)1∶10 000比例尺基礎(chǔ)測(cè)繪覆蓋范圍的控制成果、DOM和DEM成果、國(guó)家下發(fā)的10 m格網(wǎng)DEM成果等資料。對(duì)非1∶10 000比例尺基礎(chǔ)測(cè)繪覆蓋區(qū)域進(jìn)行外業(yè)像控點(diǎn)測(cè)量,1∶10 000比例尺基礎(chǔ)測(cè)繪覆蓋區(qū)域制作外業(yè)檢查點(diǎn)。

(1)以GF-2、GF-7和JL1等高分辨率衛(wèi)星影像為數(shù)據(jù)源,采用數(shù)字航天攝影測(cè)量技術(shù)制作0.8 m分辨率縣域分幅DOM。①針對(duì)1∶10 000比例尺DOM/DEM覆蓋區(qū)域,若屬大范圍無漏洞影像覆蓋區(qū)域,則采用區(qū)域網(wǎng)平差[11]進(jìn)行控制和定向處理;若屬漏洞區(qū)域或原始RPC參數(shù)異常,則結(jié)合區(qū)域內(nèi)實(shí)際影像覆蓋和基礎(chǔ)控制資料進(jìn)行單景衛(wèi)星影像糾正。②針對(duì)非1∶10 000比例尺DOM/DEM覆蓋區(qū)域,采用外業(yè)像控點(diǎn)進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)平差,進(jìn)一步利用高精度檢查點(diǎn)對(duì)定向精度或DOM精度進(jìn)行檢查。

(2)整合1∶10 000比例尺基礎(chǔ)測(cè)繪DEM成果和國(guó)家下發(fā)10 m格網(wǎng)DEM成果,制作縣域分幅DEM成果。①針對(duì)1∶10 000比例尺DEM覆蓋區(qū)域,以該DEM作為整合數(shù)據(jù)源。②針對(duì)非1∶10 000比例尺DEM覆蓋區(qū)域,以國(guó)家下發(fā)10 m格網(wǎng)DEM數(shù)據(jù)為整合數(shù)據(jù)源。DEM整合技術(shù)流程如圖2所示。

圖2 DEM整合技術(shù)流程

基于衛(wèi)星影像制作地形級(jí)實(shí)景三維所需的平高像控點(diǎn)精度指標(biāo)為:外業(yè)像控點(diǎn)平面位置中誤差相對(duì)于鄰近基礎(chǔ)控制點(diǎn)不應(yīng)大于1 m;高程中誤差相對(duì)鄰近基礎(chǔ)控制點(diǎn)不應(yīng)超過基本等高距的1/10[12]。

DOM精度指標(biāo)見表3。DEM經(jīng)圖2整合技術(shù)流程后,重采樣格網(wǎng)間距至5 m。

表3 衛(wèi)星影像制作數(shù)字正射影像精度指標(biāo) m

3.2 基于航空攝影制作地形級(jí)實(shí)景三維

針對(duì)農(nóng)區(qū)、半農(nóng)半牧區(qū)和城鎮(zhèn)地區(qū),采用效率與成本兼顧的數(shù)字航空攝影與激光雷達(dá)掃描技術(shù),同步獲取地面分辨率優(yōu)于0.2 m的正射影像與密度優(yōu)于2個(gè)/m2的激光點(diǎn)云,生產(chǎn)DSM、DEM、DOM,制作高精度地形級(jí)實(shí)景三維地理場(chǎng)景數(shù)據(jù),主要技術(shù)流程如圖3所示。

圖3 航空攝影制作地形級(jí)實(shí)景三維技術(shù)流程

基于航空攝影制作地形級(jí)實(shí)景三維的主要精度指標(biāo)見表4。

表4 地形級(jí)實(shí)景三維成果精度指標(biāo) m

3.3 基于無人機(jī)傾斜攝影制作城市級(jí)實(shí)景三維

針對(duì)盟市和旗縣所在地等范圍(平地/丘陵地地形),采用無人機(jī)傾斜航空攝影[13]獲取下視地面分辨率優(yōu)于0.03 m的傾斜攝影數(shù)據(jù),并制作高精度城市級(jí)實(shí)景三維模型,主要技術(shù)流程如圖4所示。

圖4 傾斜攝影制作城市級(jí)實(shí)景三維技術(shù)流程

針對(duì)像控敷設(shè)與測(cè)量,為統(tǒng)一項(xiàng)目實(shí)踐標(biāo)準(zhǔn)并保證成果精度,本文通過內(nèi)蒙古多個(gè)試點(diǎn)的免像控與漸進(jìn)加密像控測(cè)試驗(yàn)證[14],推導(dǎo)得出:若下視影像優(yōu)于0.03 m地面分辨率,則傾斜攝影三維模型平面與高程精度均可滿足優(yōu)于5倍地面分辨率的像控點(diǎn)理論敷設(shè)數(shù)量。假設(shè)一個(gè)面積為N的測(cè)區(qū)(平地/丘陵地),其像控點(diǎn)數(shù)量跟隨測(cè)區(qū)面積N服從首項(xiàng)為4、公差為2、項(xiàng)數(shù)為N的等差數(shù)列,即該測(cè)區(qū)所需的最少像控點(diǎn)數(shù)量M滿足以下公式

M=4+(N-1)×2=2×(N+1)

(1)

如為達(dá)到平地/丘陵地測(cè)區(qū)傾斜攝影三維模型平面與高程中誤差優(yōu)于0.15 m,則在實(shí)際生產(chǎn)中,每平方千米分布均勻的像控點(diǎn)數(shù)量不少于4個(gè),且最大控制點(diǎn)間距不大于1000 m。

在此基礎(chǔ)上,統(tǒng)籌若干試點(diǎn)測(cè)區(qū)實(shí)際精度驗(yàn)證結(jié)果[14-15],確定了內(nèi)蒙古城市級(jí)實(shí)景三維成果精度指標(biāo),見表5。

表5 城市級(jí)實(shí)景三維成果精度指標(biāo) m

4 實(shí)踐結(jié)果

2021年在內(nèi)蒙古興安盟、錫林郭勒盟完成了試點(diǎn)實(shí)施,驗(yàn)證了技術(shù)路線和指標(biāo);2022年在內(nèi)蒙古中西部、呼和浩特市和包頭市沿黃河地區(qū)、12個(gè)盟市以及縣級(jí)市所在地率先實(shí)施。實(shí)踐結(jié)果如下:

(1)基于無人機(jī)傾斜航空攝影制作的城市級(jí)實(shí)景三維,已獲取傾斜攝影三維模型面積1 455.32 km2,敷設(shè)像控點(diǎn)12 605個(gè)、平高檢查點(diǎn)7284個(gè)、建筑物高度檢查點(diǎn)1825個(gè),相關(guān)成果平面中誤差優(yōu)于0.04 m、高程中誤差優(yōu)于0.05 m、建筑物高度中誤差優(yōu)于0.05 m。

(2) 基于有人機(jī)航空攝影制作的地形級(jí)實(shí)景三維,已獲取地理實(shí)體面積30 310.92 km2,敷設(shè)像控點(diǎn)4286個(gè)、平面檢查點(diǎn)6158個(gè)、高程檢查點(diǎn)6451個(gè)、建筑物高度檢查點(diǎn)223個(gè),相關(guān)成果平面中誤差優(yōu)于0.15 m、高程中誤差優(yōu)于0.13 m、建筑物高度中誤差優(yōu)于0.12 m。

(3) 基于衛(wèi)星遙感影像制作的地形級(jí)實(shí)景三維,已獲取地理實(shí)體面積599 252.04 km2,敷設(shè)像控點(diǎn)1606個(gè)、平面檢查點(diǎn)1205個(gè),相關(guān)成果平面中誤差優(yōu)于0.82 m(DEM整合的高程精度未做評(píng)價(jià),以原始DEM或國(guó)家下發(fā)DEM高程精度為準(zhǔn))。

上述實(shí)踐結(jié)果充分優(yōu)于設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo),符合內(nèi)蒙古實(shí)際,2023年正在推進(jìn)全區(qū)余下區(qū)域自然資源調(diào)查監(jiān)測(cè)高精度實(shí)景三維數(shù)據(jù)底版的實(shí)施。

5 結(jié) 語

本文研究了內(nèi)蒙古自然資源調(diào)查監(jiān)測(cè)高精度實(shí)景三維數(shù)據(jù)底版的建設(shè)方法與實(shí)踐路徑。通過分層、分級(jí)、分精度的3種技術(shù)路線開展地形級(jí)與城市級(jí)實(shí)景三維建設(shè),完全符合內(nèi)蒙古實(shí)際,且實(shí)踐成果已取得成效:一是已在國(guó)土調(diào)查數(shù)據(jù)質(zhì)量提升、三維立體時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)、自然資源管理等工作中發(fā)揮作用;二是顯著提升了城市國(guó)土空間監(jiān)測(cè)(如細(xì)化調(diào)查、建筑物高度量取、城市精細(xì)化管理等)工作效率;三是作為實(shí)景三維內(nèi)蒙古建設(shè)基礎(chǔ)數(shù)據(jù),避免了重復(fù)投入、重復(fù)建設(shè),加快了工作推進(jìn)。

后續(xù)將繼續(xù)研究如何充分發(fā)揮不同層級(jí)實(shí)景三維成果價(jià)值,推進(jìn)成果在內(nèi)蒙古自然資源調(diào)查監(jiān)測(cè)、實(shí)景三維內(nèi)蒙古及時(shí)空信息平臺(tái)建設(shè)等方面的轉(zhuǎn)化,為全區(qū)自然資源調(diào)查、保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展等提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)支撐。