中圖分類號：P231 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

實(shí)景三維中國是真實(shí)、立體、時序化反映和表達(dá)生產(chǎn)生活生態(tài)空間的時空信息，是數(shù)字中國整體框架構(gòu)建的核心要素和重要內(nèi)容。目前，全國各地大力推進(jìn)城市級實(shí)景三維建設(shè)，相關(guān)技術(shù)方法得取得了長足進(jìn)展。如孫愷等1以直升機(jī)和大型傾斜航攝儀研究了SWDC-5Ap在大比例尺城市三維模型建設(shè)中的應(yīng)用。黎新宇等2采用垂直起降固定翼無人機(jī)和傾斜航攝儀實(shí)現(xiàn)公園三維模型的構(gòu)建，提高了公園環(huán)境解譯的精度及準(zhǔn)確度。曹峰等[3在使用無人機(jī)傾斜攝影的基礎(chǔ)上，結(jié)合車載移動測量，實(shí)現(xiàn)了對常州市金壇區(qū)仙姑村的實(shí)景三維建模，使實(shí)景三維模型局部更精細(xì)。以上研究表明，實(shí)景三維信息源數(shù)據(jù)的獲取與處理流程已較為成熟，但數(shù)據(jù)采集處理仍需大量人工干預(yù)，主要原因之一就是數(shù)據(jù)的不規(guī)范，采集時參數(shù)的不同選擇會使得數(shù)據(jù)影像參數(shù)不統(tǒng)一，使得軟件無法自動化提取。同時，在處理海量傾斜攝影數(shù)據(jù)時，使用常規(guī)機(jī)器建模消耗的時間長，效率低，無法實(shí)現(xiàn)高效建模。

1研究內(nèi)容與方法

1.1面向大范圍場景數(shù)據(jù)采集與處理

針對大范圍城市級實(shí)景三維建設(shè)，數(shù)據(jù)采集標(biāo)準(zhǔn)化[4-6]是確保數(shù)據(jù)質(zhì)量、提高處理效率、實(shí)現(xiàn)自動化建模的重要基礎(chǔ)。為此，在采集中要確保時間、空間、設(shè)備、色彩等方面協(xié)同，確保數(shù)據(jù)采集處理的一致性。

1. 1.1 時間協(xié)同

時間協(xié)同就是選擇最佳的航攝時間窗口，確保天氣、能見度、風(fēng)力、光線強(qiáng)度等條件大致相同，可以保證航攝采集的影像數(shù)據(jù)的清晰度高、地物投影小、色彩與亮度等相對一致，航片之間差異小、效果最佳，否則影像差異過大，為后期數(shù)據(jù)處理帶來較大難度。

根據(jù)國家和行業(yè)作業(yè)規(guī)范，結(jié)合24小時太陽高度角情況，可以確定航攝最佳航攝時間，這對于開展多種航攝設(shè)備開展時間協(xié)同作業(yè)非常重要。

太陽高度角推算攝區(qū)的攝影時間參考公式為：

式中， t_θ 為太陽時角，單位為 L^（°）：h_θ 為太陽高度角，單位為 （^°） ; δ_θ 為攝影日期的太陽赤緯，單位為（°）; φ 為攝區(qū)的平均地理緯度，單位為 （^°） ; T_φ 為攝區(qū)地方時，單位為小時。

以為例，根據(jù)城市規(guī)模、地形、高層建筑物分布情況，攝區(qū)太陽高度角與陰影倍數(shù)的關(guān)系，可以得出開展傾斜航攝的時間協(xié)同窗口。

（1）中小建成區(qū)（高層較少）傾斜航攝的時間協(xié)同窗口，夏季為8：00—16：00，春季和秋季為9：00—15：00，冬季為11：00—12：00。

（2）大規(guī)模建成區(qū)（高層密集）傾斜航攝的時間協(xié)同窗口，夏季為10：00—14：00，春季和秋季為9：00—15：00，冬季不建議采集。

時間協(xié)同窗口的確定，為航攝計(jì)劃和多設(shè)備協(xié)同作業(yè)的開展提供了時間保證，對后期的影像處理和三維模型場景制作提供了質(zhì)量保障，可以減少數(shù)據(jù)處理的工作量。

1.1.2 空間協(xié)同

空間協(xié)同是指航攝數(shù)據(jù)采集時，按照數(shù)據(jù)規(guī)格、航攝儀性能和采集范圍劃定航攝區(qū)域，為避免各攝區(qū)之間數(shù)據(jù)出現(xiàn)漏洞現(xiàn)象，要求航線設(shè)計(jì)時攝區(qū)之間必須保留一定的重疊度，保證數(shù)據(jù)采集接邊。這里主要考慮到大范圍實(shí)景三維數(shù)據(jù)建設(shè)通常需要投人多種航攝設(shè)備和多種規(guī)格數(shù)據(jù)（不同分辨率）。這種多設(shè)備、多規(guī)格數(shù)據(jù)的采集方式雖然能夠滿足不同區(qū)域和不同精度的需求，但也帶來了數(shù)據(jù)漏洞、接邊不一致和多源數(shù)據(jù)融合等困難。為確?？臻g協(xié)同有效，要做到選優(yōu)選配好設(shè)備，在此基礎(chǔ)上合理兼顧DOM地物特征和DSM高程信息的攝區(qū)劃分，并保證攝區(qū)與攝區(qū)間一定的重疊度，確保數(shù)據(jù)接邊處無縫銜接。

1.1.3 設(shè)備協(xié)同

設(shè)備協(xié)同是指在空天地多源多尺度數(shù)據(jù)采集中，通過多種設(shè)備的協(xié)同作業(yè)，實(shí)現(xiàn)高效、精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)獲取與處理。在實(shí)景三維城市構(gòu)建中，由于不同需求和場景的多樣性，往往需要特定的設(shè)備組合來完成任務(wù)。例如，在特大范圍場景中可能需要使用有人機(jī)搭載高精度航攝儀進(jìn)行大范圍快速覆蓋；在精細(xì)化場景中則需要借助無人機(jī)搭載小型傳感器以及地面手持設(shè)備（如激光掃描儀或全景相機(jī)）進(jìn)行高分辨率數(shù)據(jù)采集。為確保各種設(shè)備間數(shù)據(jù)采集一致性，通常需要采用統(tǒng)一的坐標(biāo)和時間基準(zhǔn)，進(jìn)行設(shè)備檢校和標(biāo)定，確定好場景規(guī)劃和設(shè)備部署，做好質(zhì)量控制等。

1.1.4 色彩協(xié)同

色彩協(xié)同是指由于采集時間和采集設(shè)備不同等造成的數(shù)據(jù)成果的不一致。數(shù)據(jù)成果不一致可采用兩種方式：一是使用前對各設(shè)備進(jìn)行調(diào)參，使拍攝出的像片達(dá)到一致；二是對獲取的影像成果進(jìn)行勻光勻色處理，使它們達(dá)到接近一致的色調(diào)，且無明顯的拼接縫。同時，在后期模型制作過程中，對于大范圍一致性成果色彩微調(diào)，達(dá)到整體一致性效果。

1.2面向大范圍場景實(shí)景三維高效建模

由于測量比例尺精度要求及測區(qū)大小的不同，數(shù)據(jù)量也不同，但是無論哪種級別，傾斜攝影相對于其他數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量都非常龐大，屬海量級大數(shù)據(jù)，一個小區(qū)域有幾十個GB的數(shù)據(jù)量，較大面積的測區(qū)有TB級別數(shù)據(jù)容量，各數(shù)據(jù)都要多次反復(fù)運(yùn)算。因此，各種處理計(jì)算對計(jì)算機(jī)軟硬件都是極大的考驗(yàn)。解決大范圍實(shí)景三維場景[7-11]高效建模，一是解決大體量數(shù)據(jù)解算過程調(diào)用、傳輸吞吐瓶頸。建成集硬件、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和存儲環(huán)境于一體的實(shí)景三維數(shù)據(jù)建模集群系統(tǒng)，將計(jì)算、存儲、節(jié)點(diǎn)等統(tǒng)一部署在數(shù)據(jù)機(jī)房，通過萬兆網(wǎng)線接人核心網(wǎng)絡(luò)，服務(wù)器與工作站訪問數(shù)據(jù)存儲均使用IPSAN協(xié)議，提高數(shù)據(jù)傳輸效率。二是搭建分布式的物理計(jì)算機(jī)集群。僅靠單臺物理計(jì)算機(jī)運(yùn)行，無法執(zhí)行如此海量的大數(shù)據(jù)，需搭建分布式的物理計(jì)算機(jī)集群進(jìn)行實(shí)景三維建模，形成可按需橫向擴(kuò)容的通用計(jì)算、GPU圖形計(jì)算、對象存儲、文件存儲支撐能力，并利用多節(jié)點(diǎn)技術(shù)，提升整體運(yùn)算效率。

2 項(xiàng)目應(yīng)用

2.1 研究區(qū)域概況

當(dāng)前，常州市正在全力推進(jìn)數(shù)字政府、數(shù)字經(jīng)濟(jì)和數(shù)字社會發(fā)展進(jìn)人“快車道”，著力加強(qiáng)“一網(wǎng)統(tǒng)管”能力。以實(shí)景三維為代表的空間地理信息數(shù)據(jù)是城市運(yùn)行“一網(wǎng)統(tǒng)管”建設(shè)的基礎(chǔ)底座，是城市運(yùn)行指揮調(diào)度系統(tǒng)、城市社會治理現(xiàn)代化指揮中心的數(shù)據(jù)底座，是提高城市治理現(xiàn)代化水平、服務(wù)保障民生、減輕基層負(fù)擔(dān)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。根據(jù)常州市“一網(wǎng)統(tǒng)管”城市運(yùn)行一張圖三維數(shù)據(jù)建設(shè)方案要求，通過市縣協(xié)同方式，分階段統(tǒng)籌推進(jìn)常州市“一網(wǎng)統(tǒng)管”城市運(yùn)行一張圖三維數(shù)據(jù)建設(shè)。根據(jù)建設(shè)要求，通過航空攝影方式，獲取1121平方千米的重點(diǎn)區(qū)域地面分辨率優(yōu)于3公分傾斜影像，3251平方千米的其他區(qū)域地面分辨率優(yōu)于5公分傾斜影像（見圖1），完成重點(diǎn)區(qū)域3cm 分辨率實(shí)景三維模型、其他區(qū)域 5cm 分辨率實(shí)景三維模型生產(chǎn)等。

2.2 傾斜航空攝影

根據(jù)研究區(qū)域?qū)嶋H情況，為高效推進(jìn)實(shí)景三維建設(shè)，根據(jù)研究內(nèi)容和方法總結(jié)情況，大范圍場景數(shù)據(jù)采集采用有人機(jī)和大型航攝儀獲取。為確保時效一致性，本次研究投入了兩架大棕熊固定翼、SWDC-Max6航攝儀和CityMapper-2L航攝儀。

在實(shí)施前期劃定檢校場，做好航攝儀參數(shù)的調(diào)整，使兩臺航攝儀獲取的數(shù)據(jù)基本一致，減少人工處理工作。航飛的過程中根據(jù)空中管制單位調(diào)配，嚴(yán)格按照航攝時間要求，合理優(yōu)化飛行路線，兩架飛機(jī)在各自區(qū)域順利完成了航飛任務(wù)。其中，重點(diǎn)區(qū)域 3cm 分辨率傾斜航攝實(shí)際航飛總時長112小時，獲取有效影像60.7萬張，其他區(qū)域 5cm 分辨率傾斜航攝實(shí)際航飛總時長203小時，獲取有效影像88.4萬張。整體航攝時間跨度從秋季到冬季。

2.3影像一致性處理

由于空中管制整體航攝周期跨度較大，為了保證獲取的影像色調(diào)盡可能一致，本次研究先后進(jìn)行了影像內(nèi)一致性處理、影像間一致性處理、影像數(shù)據(jù)集間一致性處理。

影像內(nèi)一致性處理：主要包括影像去霧和勻光兩個處理步驟，影像去霧是盡可能消除影像內(nèi)的噪聲，還原最真實(shí)的地物信息；勻光處理主要是確保去霧后影像內(nèi)明暗度保持一致。

影像間一致性處理：主要是利用已有DOM和DEM等資料，通過共線方程建立待處理影像與DOM之間的投影關(guān)系，并根據(jù)DOM和影像的投影關(guān)系對影像進(jìn)行調(diào)色處理，以確保相鄰影像顏色平滑過渡，達(dá)到影像間色調(diào)一致性要求。

影像數(shù)據(jù)集間一致性處理：影像數(shù)據(jù)集一般以采集時間劃分，同一時間段采集的數(shù)據(jù)為一個數(shù)據(jù)集，同時在已有數(shù)據(jù)中選取一定數(shù)量的標(biāo)準(zhǔn)影像作為調(diào)色參考影像，統(tǒng)計(jì)參考影像和待處理影像數(shù)據(jù)集的直方圖信息并進(jìn)行直方圖匹配，建立待處理影像數(shù)據(jù)集與參考影像數(shù)據(jù)之間的直方圖映射關(guān)系，根據(jù)映射關(guān)系調(diào)整單張影像直方圖，最終得到所有的影像與參考影像色調(diào)一致。

2.4像控點(diǎn)布設(shè)及測量

本次研究像控點(diǎn)布設(shè)利用已有的像控點(diǎn)庫成果結(jié)合航拍后原始影像及全市正射影像數(shù)據(jù)結(jié)合的辦法進(jìn)行點(diǎn)位設(shè)計(jì)。像片選刺采用內(nèi)業(yè)布設(shè)大概位置，外業(yè)現(xiàn)場電子平板選點(diǎn)刺點(diǎn)的方式，實(shí)地像片控制點(diǎn)目標(biāo)選刺時，一般選擇在一些交角良好的線狀地物交點(diǎn)、道路標(biāo)識線直角處，所選點(diǎn)位高程變化一般較小，同時刺點(diǎn)點(diǎn)位在相鄰像片上影像清晰且便于網(wǎng)絡(luò)RTK測量。像片現(xiàn)場電子平板刺點(diǎn)時采用現(xiàn)場刺點(diǎn)，描述點(diǎn)號、刺點(diǎn)位置，并拍攝現(xiàn)場照片記錄。本任務(wù)最終采集到的像片控制點(diǎn)共計(jì)2462個。

2.5傾斜三維建模

2.5.1 區(qū)域網(wǎng)劃分

本項(xiàng)目根據(jù)項(xiàng)目需求，將常州全域劃分為地面分辨率優(yōu)于 3cm 航攝區(qū)域以及地面分辨率優(yōu)于 5cm 航攝區(qū)域。綜合考慮計(jì)算機(jī)設(shè)備的處理能力、軟件和網(wǎng)絡(luò)承載能力、磁盤空間等因素，在滿足空中三角測量平差精度的情況下，將地面分辨率優(yōu)于 3cm 的航攝區(qū)域劃分為39個區(qū)域網(wǎng)，將常州市剩余 5cm 區(qū)域分為47個區(qū)域網(wǎng)。

2.5.2 空三處理

本次研究傾斜三維建模在自主搭建分布式的物理計(jì)算機(jī)集群處理，集群規(guī)模物理節(jié)點(diǎn)150臺。根據(jù)項(xiàng)目情況合理調(diào)配空三和建模計(jì)算節(jié)點(diǎn)，有序生產(chǎn)傾斜三維模型。本次研究共劃分86個區(qū)域網(wǎng)，各區(qū)域網(wǎng)均布設(shè)了檢查點(diǎn)。空三加密后各區(qū)域網(wǎng)檢查點(diǎn)的平面精度中誤差最大為 ±0.12m ，高程精度中誤差最大為 ±0.11m ，指標(biāo)均滿足相關(guān)要求。

2.5.3 傾斜攝影三維模型生產(chǎn)

實(shí)景三維建模采用ContextCapture軟件，利用傾斜影像數(shù)據(jù)及空中三角解算后影像精確的內(nèi)、外方位元素進(jìn)行多視影像密集匹配，得到密集地表三維點(diǎn)云；基于已定向的密集三維點(diǎn)云，構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)，得到三角網(wǎng)表面模型（白模），并利用傾斜影像及精確的內(nèi)、外方位元素來確定物方與像方的幾何關(guān)系，對白模進(jìn)行自動紋理映射，得到傾斜攝影三維模型。

模型構(gòu)建完成后，對模型的精度進(jìn)行了檢測，采用外業(yè)實(shí)測點(diǎn)位對比計(jì)算平面中誤差與高程中誤差如表1所示。

3結(jié)語

本研究針對大范圍城市級實(shí)景三維模型[建設(shè)中的數(shù)據(jù)采集與處理[13-18]、高效建模等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深人探討，并在常州市全域?qū)嵕叭S城市建設(shè)中進(jìn)行了實(shí)踐應(yīng)用。通過時間協(xié)同、空間協(xié)同、設(shè)備協(xié)同和色彩協(xié)同等多方面的優(yōu)化，顯著提高了數(shù)據(jù)采集的標(biāo)準(zhǔn)化程度[19-22]和處理效率。同時，通過搭建分布式物理計(jì)算機(jī)集群，解決了海量數(shù)據(jù)處理中的計(jì)算瓶頸問題，實(shí)現(xiàn)了高效建模。研究結(jié)果表明，本文所提出的方法和技術(shù)路線能夠有效支持大范圍城市級實(shí)景三維模型的快速構(gòu)建，為城市治理現(xiàn)代化提供了堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

未來的研究可進(jìn)一步探索智能化、自動化的數(shù)據(jù)處理技術(shù)，提高數(shù)據(jù)處理的自動化水平，進(jìn)一步提升實(shí)景三維模型在城市規(guī)劃[23]、應(yīng)急管理、智慧交通等領(lǐng)域的應(yīng)用價值，為數(shù)字中國建設(shè)貢獻(xiàn)更多力量。

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（編輯 李春燕）

Research on the construction and application of large-scale urban-level realistic 3D models

GUO Zhendong，WU Hao， SHAO Heng （Jiangsu Provincial Institute of Surveying and Mapping Engineering，Nanjing 21OO13，China）

Abstract：Theconstructionofareal-world 3D China isacore componentof the Digital China framework．Although significant progress has been made in city-level real-world3D technology，chalenges such asextensive manual intervention and loweficiency persist in dataacquisition and processng.This paperproposesstandardized data colection and high-effciency modeling methods for large-scale scenarios：ensuring data consistency through temporal coordination （optimizing aerial photography windows），spatial coordination （rationalpartitioning of shooting areasand overlap），equipment coordination（unified scheduling of multi-source devices）and colorcoordination（image homogenizationandcolor balancing）and addressing computational botlenecks in massive oblique photogrammetrydata modelingusing distributed computer cluster technology for eficient processing.Taking the city-widereal-world 3D construction of Changzhou asanexample，this paper employed two fixed-wing aircraftandhigh-precision aerial cameras in coordinated operations to complete data acquisition covering 1，121 km2（3 cm resolution） and 3，251km²（5 （2號 cmresolution）.Throughaerial triangulation and modeling，theresulting models achieved planeand elevation mean square errors that met regulatory requirements，validating the feasibilityand precision of the proposed methods.The research outcomes provide standardized workflows and eficient technical pathways forcity-levelreal-world 3D construction， supporting digital governance and smart city applications.

Key words： realistic 3D；data collection and processing; efficient modeling