張國清,鄧興,馬子俊,鮑俊強(qiáng),后永波

(貴陽市測(cè)繪院,貴州 貴陽 550081)

0 引 言

實(shí)景三維是真實(shí)、立體、時(shí)序化反映人類生產(chǎn)、生活和生態(tài)空間的時(shí)空信息,是國家重要的新型基礎(chǔ)設(shè)施[1,2];同時(shí)實(shí)景三維是新型基礎(chǔ)測(cè)繪標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品,是國家新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重要組成部分。實(shí)景三維作為數(shù)字政府、數(shù)字經(jīng)濟(jì)重要的戰(zhàn)略性數(shù)據(jù)資源和生產(chǎn)要素,自然資源部提出了兩步走的戰(zhàn)略部署,并提出實(shí)景三維地形級(jí)、城市級(jí)、部件級(jí)3個(gè)層級(jí)構(gòu)建體系[1]。

貴陽市作為國家新型基礎(chǔ)測(cè)繪建設(shè)試點(diǎn)城市,實(shí)景三維建設(shè)是試點(diǎn)建設(shè)的核心內(nèi)容之一,充分挖掘歷史存量數(shù)據(jù)的價(jià)值,提高生產(chǎn)效率,服務(wù)好試點(diǎn)建設(shè)內(nèi)容既是任務(wù)也是目標(biāo)。本文中,介紹貴陽市應(yīng)實(shí)際項(xiàng)目需求,通過融合及挖掘歷史存量數(shù)據(jù),構(gòu)建貴陽市全域(3 005.7 km2)地形級(jí)實(shí)景三維底座成果,取得了很好的效果。

1 需求分析及存量數(shù)據(jù)的評(píng)估與挖掘

根據(jù)自然資源部對(duì)實(shí)景三維中國建設(shè)中地形級(jí)實(shí)景三維的技術(shù)設(shè)計(jì)及建設(shè)要求,完成對(duì)現(xiàn)有存量數(shù)據(jù)的類型、精度、執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)、來源、法定性和用途等進(jìn)行綜合考量[3]。

1.1 需求分析

應(yīng)實(shí)際項(xiàng)目需求出發(fā),項(xiàng)目建設(shè)內(nèi)容僅構(gòu)建貴陽市全域(3 005.7 km2)地形級(jí)實(shí)景三維底座。依照《實(shí)景三維中國建設(shè)技術(shù)大綱》要求(表1),地形級(jí)實(shí)景三維底座建設(shè)包括地形級(jí)地理場(chǎng)景和基礎(chǔ)地理實(shí)體兩部分建設(shè)內(nèi)容,其中地理實(shí)體數(shù)據(jù)屬于新型基礎(chǔ)測(cè)繪建設(shè)成果,參照國家新型基礎(chǔ)測(cè)繪貴陽試點(diǎn)對(duì)地理實(shí)體數(shù)據(jù)的階段性設(shè)計(jì),本文基礎(chǔ)地理實(shí)體數(shù)據(jù)僅考慮現(xiàn)有存量數(shù)據(jù)可挖掘部分,針對(duì)基礎(chǔ)地理實(shí)體的語義化內(nèi)容僅包含實(shí)體屬性。

表1 實(shí)景三維中國建設(shè)技術(shù)大綱指標(biāo)參數(shù)

1.2 存量數(shù)據(jù)的評(píng)估與挖掘

通過項(xiàng)目生產(chǎn)需求分析及自然資源部對(duì)地形級(jí)實(shí)景三維建設(shè)內(nèi)容的各項(xiàng)指標(biāo)的指導(dǎo)意見,收集可用于構(gòu)建地形級(jí)實(shí)景三維底座的各類輔助數(shù)據(jù),按照類別特征及質(zhì)量要求對(duì)輔助數(shù)據(jù)的類型、特性、范圍、用途等進(jìn)行綜合考量,形成存量數(shù)據(jù)源分析表[4](表2)。

表2 存量數(shù)據(jù)源分析表

2 技術(shù)路線設(shè)計(jì)

參照自然資源部實(shí)景三維中國建設(shè)技術(shù)大綱的設(shè)計(jì),為滿足貴陽市全域地形級(jí)實(shí)景三維底座的生產(chǎn)需要,根據(jù)存量數(shù)據(jù)的評(píng)估結(jié)果,把收集后的數(shù)據(jù)源按照特定的設(shè)計(jì)用途,完成整體技術(shù)路線的設(shè)計(jì)[5,6,7],如圖1所示。

圖1 總體技術(shù)路線設(shè)計(jì)

3 數(shù)據(jù)處理及融合

根據(jù)地形級(jí)實(shí)景三維底座的總體技術(shù)路線設(shè)計(jì),對(duì)存量源數(shù)據(jù)完成預(yù)定設(shè)計(jì)的預(yù)處理。

3.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理是DEM生產(chǎn)的關(guān)鍵,也是地形級(jí)實(shí)景三維底座的構(gòu)建基礎(chǔ),它包括點(diǎn)云數(shù)據(jù)的基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換、分區(qū)分塊處理、冗余數(shù)據(jù)消除、點(diǎn)云數(shù)據(jù)糾正、點(diǎn)云數(shù)據(jù)的自動(dòng)濾波(自動(dòng)分類)、點(diǎn)云數(shù)據(jù)優(yōu)化、點(diǎn)云數(shù)據(jù)手工分類、預(yù)處理成果數(shù)據(jù)拼接、特征性提取、構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)、內(nèi)插網(wǎng)格生產(chǎn)1m網(wǎng)格DEM(圖2、圖3);同時(shí)根據(jù)點(diǎn)云分類分層結(jié)果,保存分類數(shù)據(jù)中建筑物層的點(diǎn)云數(shù)據(jù),用于補(bǔ)充及完善存量DLG數(shù)據(jù)以及三維實(shí)體數(shù)據(jù)的生產(chǎn)。點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理主要用Terrasolid、LidarDP軟件完成。

圖2 基于點(diǎn)云生產(chǎn)DEM成果流程圖

3.2 DLG及建筑物普查數(shù)據(jù)處理

存量1∶2 000 DLG數(shù)據(jù)是生產(chǎn)基礎(chǔ)地理實(shí)體過程中提取圖元數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)。首先,根據(jù)存量DLG數(shù)據(jù)提取建筑、水系、道路等二維圖元及部分屬性;其次,把提取到的建筑物、構(gòu)筑物等二維圖元,結(jié)合點(diǎn)云分類結(jié)果中的建筑物類別,利用R3d_Model軟件構(gòu)建三維圖元(LOD1級(jí))(圖4);再次,提取建筑物普查數(shù)據(jù)中建筑物、構(gòu)筑物等實(shí)體屬性信息;最后,建立映射關(guān)系,把同一對(duì)象的屬性值賦值至圖元數(shù)據(jù)中,完成簡(jiǎn)易的語義化過程,構(gòu)建基礎(chǔ)地理實(shí)體數(shù)據(jù)[4,8](圖5)。

圖4 點(diǎn)云數(shù)據(jù)構(gòu)建三維圖元示意圖

圖5 三維基礎(chǔ)地理實(shí)體示意圖

3.3 構(gòu)建地形級(jí)地理場(chǎng)景

按照實(shí)景三維中國建設(shè)技術(shù)大綱的技術(shù)路線設(shè)計(jì),地形級(jí)地理場(chǎng)景的構(gòu)成是將數(shù)字高程模型與數(shù)字正射影像數(shù)據(jù)疊加而成[1,4,9]。實(shí)踐過程中需要解決的難點(diǎn)有:

(1)數(shù)據(jù)匹配及優(yōu)化。DEM與DOM生產(chǎn)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)不同,高程突變處呈現(xiàn)明顯的錯(cuò)位和斷裂,DEM和DOM匹配效果應(yīng)該過渡自然,保持地物的真實(shí)性。如需針對(duì)高速公路、高速鐵路、重要堤壩進(jìn)行DEM和DOM優(yōu)化處理。

(2)處理精度和美觀度取舍問題。由于點(diǎn)云數(shù)據(jù)密度較高,能較準(zhǔn)確地表達(dá)道路面的細(xì)部特征,而DOM在高程變化比較大的區(qū)域容易產(chǎn)生投影差,一般選擇處理明顯錯(cuò)誤的問題或者扭曲非常明顯位置,即采用周邊的紋理進(jìn)行覆蓋從而模擬恢復(fù)出地面層真實(shí)的紋理特征,使紋理能夠自然銜接。

(3)水系處理。待處理的水系應(yīng)遵循的要求:流動(dòng)水域高程依據(jù)上下游水位點(diǎn)高程過渡自然,或分段內(nèi)插賦值表達(dá);靜止水域范圍內(nèi)一般根據(jù)常水位設(shè)置為同一高程;水面與周圍地面的地形銜接需合理。

(4)重點(diǎn)橋梁?jiǎn)误w化處理。由于DEM與DOM疊加存在基礎(chǔ)不一致問題,會(huì)導(dǎo)致地理場(chǎng)景效果圖中區(qū)域架空部分橋面塌陷。為保證地形級(jí)地理場(chǎng)景中重點(diǎn)區(qū)域橋梁美觀、合理,擬定對(duì)包含貴陽環(huán)城高速范圍內(nèi)的部分重點(diǎn)橋梁、高架路進(jìn)行單體化處理,總長(zhǎng) 120 km(圖6)。

3.4 融合成地形級(jí)實(shí)景三維底座

根據(jù)存量數(shù)據(jù)源的標(biāo)準(zhǔn)化處理,把地形級(jí)地理場(chǎng)景成果及基礎(chǔ)地理實(shí)體初步成果相融合,構(gòu)建地形級(jí)實(shí)景三維基礎(chǔ)底座,總覆蓋面積約 3 005.7 km2(圖7)。形成能用于三維可視化與空間量算、服務(wù)區(qū)域宏觀規(guī)劃、滿足自然資源管理、城市建設(shè)規(guī)劃等需求的綜合數(shù)據(jù)管理及展示的基礎(chǔ)平臺(tái)。

圖7 地形級(jí)實(shí)景三維底座示意圖

3.5 成果精度檢測(cè)及評(píng)價(jià)

本項(xiàng)目經(jīng)貴州省測(cè)繪產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)站對(duì)DEM成果、點(diǎn)云分類成果、地形級(jí)地理場(chǎng)景成果、基礎(chǔ)地理實(shí)體二三維表達(dá)數(shù)據(jù)的空間參考系、屬性精度、位置精度、邏輯一致性、時(shí)間精度、柵格質(zhì)量、表達(dá)質(zhì)量等指標(biāo)進(jìn)行質(zhì)檢與評(píng)價(jià),認(rèn)為各項(xiàng)精度指標(biāo)均在允許范圍內(nèi),成果批質(zhì)量合格。

4 結(jié)論及展望

當(dāng)前,實(shí)景三維中國建設(shè)是面向新時(shí)期測(cè)繪地理信息事業(yè)服務(wù)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和生態(tài)文明建設(shè)、自然資源管理的新定位、新需求,本次體系革新即是對(duì)傳統(tǒng)基礎(chǔ)測(cè)繪業(yè)務(wù)的繼承,又是對(duì)測(cè)繪地理信息服務(wù)發(fā)展方向及理論體系的轉(zhuǎn)型升級(jí)[1,10]。本文通過具體項(xiàng)目需求實(shí)踐了基于存量數(shù)據(jù)構(gòu)建地形級(jí)實(shí)景三維底座,探索出一些非常有意義的經(jīng)驗(yàn)。

(1)針對(duì)基于存量數(shù)據(jù)構(gòu)建地形級(jí)實(shí)景三維底座,體現(xiàn)新體系下對(duì)傳統(tǒng)測(cè)繪產(chǎn)品的繼承性原則,在滿足新體系成果設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上,本文實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明可以極大地減低生產(chǎn)成本,提高生產(chǎn)效率;其次,通過實(shí)踐獲得利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)生產(chǎn)大范圍DEM成果、處理地形級(jí)地理場(chǎng)景突出問題、解決存量數(shù)據(jù)部分映射關(guān)系等有價(jià)值的經(jīng)驗(yàn)。

(2)本文按照實(shí)景三維中國建設(shè)技術(shù)大綱的技術(shù)設(shè)計(jì)進(jìn)行實(shí)踐,驗(yàn)證了技術(shù)路線的可行性,發(fā)現(xiàn)實(shí)施過程中存在的問題及困難,如源數(shù)據(jù)預(yù)處理、較復(fù)雜映射關(guān)系的建立、基于存量數(shù)據(jù)豐富基礎(chǔ)地理實(shí)體的語義化、數(shù)據(jù)融合等問題。

(3)本項(xiàng)目實(shí)踐內(nèi)容較為綜合,涉及的測(cè)繪成果集成技術(shù)及突出問題解決辦法,即能指導(dǎo)傳統(tǒng)測(cè)繪成果高效的生產(chǎn),又能應(yīng)對(duì)新形勢(shì)的各項(xiàng)應(yīng)用服務(wù)的新需求。

雖然本文利用存在數(shù)據(jù)量探索出可行的技術(shù)路徑,但歷史存量數(shù)據(jù)及實(shí)時(shí)眾源數(shù)據(jù)的內(nèi)容豐富、形式多樣,文中僅針對(duì)具體項(xiàng)目需要,探索出極少部分存量數(shù)據(jù)的價(jià)值,針對(duì)存量數(shù)據(jù)的利用還需要在存量數(shù)據(jù)的預(yù)處理、轉(zhuǎn)換方案配置、整合建庫、融合更新、質(zhì)量控制、應(yīng)用服務(wù)等方向?qū)ふ倚峦黄啤?/p>