三維數字城市建設（地市級實景三維城市建設及應用）

2023-06-25 12:10:20 2

本文內容來源於《測繪通報》2021年第11期，審圖號：GS（2021）7177號

地市級實景三維城市建設及應用——以實景三維臨沂建設為例

蔡振鋒1, 彭斌2, 季霞2, 季鵬2

1. 臨沂市蘭山區自然資源局, 山東 臨沂 276001;

2. 臨沂市自然資源和規劃局測繪院, 山東 臨沂 276000

關鍵詞：實景三維城市, 傾斜攝影, 單體化模型, 大比例尺地形圖, 三維不動產

引文格式：蔡振鋒, 彭斌, 季霞, 等. 地市級實景三維城市建設及應用——以實景三維臨沂建設為例[J]. 測繪通報, 2021(11): 115-119,144.doi: 10.13474/j.cnki.11-2246.2021.350.

摘要

摘要：實景三維城市已成為三維空間支撐基礎設施，是新型基礎設施建設的重要內容，地市級實景三維城市建設是全面構建實景三維中國的基礎。本文結合實景三維臨沂的建設，提出了在低重疊度下，雷射點雲與傾斜攝影多源數據深度融合技術快速構建城市級實景三維城市的技術流程與體系，其數據成果在大比例尺地形圖測繪、智慧臨沂時空信息雲平臺建設、三維不動產登記管理等方面被深入應用，對推動城市級實景三維城市建設及應用具有實踐意義。

正文

實景三維城市是對客觀世界的真實表達，是利用測繪新技術獲取的一種新型基礎測繪成果。傾斜攝影、雷射雷達、無人機航測、雲計算、大數據等技術的快速發展，全面改變了傳統三維城市建設模式，使得地市級城市可以低成本、高效快速構建全覆蓋的實景三維城市或數字孿生城市[1,2,3,4][5,6,7][8][9,10,11,12]

1 數據獲取

為滿足基礎地理信息資料庫更新、智慧城市建設等需求，解決傳統建模方式精度低、周期長、真實性差等問題[13,14,15]2實景三維臨沂建設項目。採用運5飛機、RIEGL LMS-Q1560機載雷射雷達、SWDC-5AP100傾斜航攝儀，分別獲取了優於4點/m2的機載雷射點雲數據、優於0.05 m的正射影像和航空傾斜影像，航飛實際作業情況見表1。

表1 航飛作業情況

根據航攝設備、精度要求和航攝區平均高程等實際情況，機載雷射雷達點雲航高1800 m、旁向重疊度不低於20%、鋪設航線52條；傾斜攝影航高930 m、航向重疊度不低於70%、旁向重疊度不低於40%、鋪設航線220條，航線覆蓋範圍超出攝區邊界至少一條基線，如圖1所示。

圖1 點雲、傾斜航線鋪設

2 數據處理與生產

通過航空攝影獲取了多於100 TB的多源原始數據，採用LightSpeed、MicroStation&TerraSolid、Context Capture、3ds Max、PhotoShop等軟體進行空三加密、影像校正、實景三維模型製作、三維模型單體化等數據處理與生產。

2.1 像控點布設與採集

為滿足航攝像片的空三加密、機載雷射點雲數據、DOM、DEM、實景三維數據成果精度，在目標影像上選擇清晰、易於判讀的細小線狀物的交點、明顯地物拐角點或像片上影像小於0.3 mm×0.3 mm的點狀地物中心作為控制點和檢查點[16]

2.2 數據處理流程

在實景三維模型數據處理與生產過程中，點雲數據與傾斜數據深度融合的處理流程如圖3所示，主要分為點雲數據處理和傾斜數據處理兩部分。

(1) 點雲數據處理：

導入GPS數據，對原始航飛點雲數據進行坐標轉換、航帶拼接校正，導出LAS格式的點雲數據。對點雲數據進行檢查、數據分類處理，利用地面點雲生成DEM成果，利用構築物點雲構建單體化實景三維白模。

圖2 像控點及檢查點點位

(2) 傾斜數據處理：

導出原始8 bit真彩色影像原始數據，對下視E鏡頭數據進行傳統空三數據處理，融合點雲製作的DEM,生產航攝區DOM數據。進行五鏡頭傾斜數據空三加密處理，引入全部RIEGL LMS-Q1560雷射點雲數據進行低重疊度傾斜數據空三成果校正，生產格網三維模型。引入構築物分類雷射點雲數據與白模數據，採用匹配算法自動從傾斜相片中採集模型紋理，生產單體化三維實景模型。

圖3 數據融合處理流程

2.3 主要技術方法

在三維建築物白模構建、傾斜攝影空三解算及建築物紋理貼圖方法等方面採用的主要技術方法包括：

(1) 採用點雲數據與正射影像相結合的方法構建三維建築物白模。通過對點雲數據分類處理、構築物點雲高程渲染，將其與正射影像融合製作建築物白模，保障建築主體結構合理、模型細節有層次和高精度，優化減少模型面數和局部結構，減小模型數據量。

(2) 採用點雲數據與傾斜影像聯合平差的空三加密技術以提高傾斜影像空三加密精度。通過點雲提供的密集控制信息，減少粗差連接點的數量，減少外業像控點的布設，有效抑制了自由網的內部扭曲與變形，提高了自由網平差的精度。有效改善了實景三維格網模型、傾斜影像單體化模型的建模效果，模型精度更加均勻可靠。

(3) 採用傾斜影像紋理與建築物白模相對位置關係匹配的方法，自動識別和提取遮擋較少的底部影像紋理，並進行建築物紋理自動貼圖。對於確實存在遮擋的紋理，通過少量外業採集、修補或替換，保證建築物模型具有較好的視覺效果。

3 實景三維成果及應用

本文獲取了臨沂市轄區2300 km2的1 m格網DEM與解析度為0.1 m的DOM、1900 km2實景三維格網模型(Mesh)、400 km2單體化實景三維模型等數據成果，如圖4所示。基於獲取的上述成果，在1∶2000大比例尺地形圖測繪、智慧臨沂時空信息雲平臺建設、三維不動產登記管理、城市規劃設計、輔助決策等方面得到深入應用。

3.1 1∶2000 DLG數據生產

利用點雲數據與傾斜格網模型，採用EPS實景三維採集系統生產了1750 km2的1∶2000大比例尺地形圖數據，如圖5所示，建立了市轄區全覆蓋的基礎地形圖庫。二三維一體協調聯動採編的數據獲取較全野外數據採集效率大幅度提高，全圖數據精度更加均衡，大幅度減少了外業工作量。

圖4 主要成果

圖5 基於實景三維的矢量化採集

3.2 智慧臨沂時空信息雲平臺建設

實景三維數據在智慧臨沂時空信息雲平臺建設中得到深入應用，如圖6所示。在平臺上開展了空間三維視域分析、透視分析；與監控視頻網流式視頻數據相融合，實現了虛擬與現實、動態與靜態的一體無縫集成；與地下管線數據相融合，實現了地上、地下一體化集成展示；與POI、人口、法人等數據相融合，實現了基於三維空間的多因子關聯分析，輔助決策支持分析。

3.3 三維不動產登記管理

以實景三維模型作為空間支撐，利用不動產分層分戶圖重構不動產單元三維實體，不動產三維實體與實景三維無縫集成與融合，實現用地批報、土地供應和不動產登記共3個階段的全生命周期管理。前兩個階段實現了三維空間的土地位置、土地用途、投資主體性質及批准機構登記批准時間等土地的基本信息管理，如圖7(a)所示。在不動產登記管理階段實現了樓盤表中房屋狀態的三維管理，以不同灰度直觀表達房屋狀態，如圖7(b)所示的不同灰度。分別為登記且無抵押無限制查封的房屋，存在抵押的房屋，存在限制查封的房屋。三維不動產登記管理系統與臨沂市不動產登記系統對接，實行數據共享與協同服務，在三維環境下集成了該房屋的單元信息、產權信息、圖形瀏覽、樓盤表、分戶圖等。

圖6 智慧臨沂時空信息雲平臺建設中的應用

圖7 三維不動產登記管理系統

4 結 語

針對地市級實景三維城市建設的實際需求，本文以實景三維臨沂建設為例，探索了採用低重疊度下雷射點雲與傾斜攝影多源數據深度融合技術快速構建城市級實景三維城市的技術流程與體系，以較低成本獲取了多類型空間地理數據，驗證了該技術方法的高效性與可行性。基於實景三維臨沂數據成果，探索了在大比例尺地形圖測繪、智慧臨沂時空信息雲平臺建設、三維不動產登記管理等方面的深入應用，為推動實景三維城市建設及其成果應用，實現自然資源管理由二維系統向三維系統演變，建立三維立體自然資源「一張圖」具有現實意義。

作者簡介

作者簡介：蔡振鋒(1982-),男,碩士,高級工程師,主要研究方向為傾斜攝影、智慧城市建設、地理信息系統等。E-mail:[email protected]

初審：紀銀曉

覆審：宋啟凡

終審：金 君

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