实景三维模型在大比例尺测图中的应用研究

任江峰 穆志杰

（自然资源部第二地形测量队，陕西 西安 710054）

0.引言

近年来，自然资源部持续推进实景三维中国建设，并在北京、上海、武汉、西安等开展了一系列的项目试点和技术攻关工作，为多源数据采集和三维模型数据生产等方面积累了宝贵的技术经验。同时，各级地方政府也在全面响应实景三维中国建设的各项政策和要求，积极拥抱新技术，探索新的应用场景。其中，深圳基于倾斜摄影和激光雷达等技术[1]，初步建成了城市级实景三维模型，有力支撑了地方社会经济发展和自然资源管理等工作。2022年，山东青岛作为全国典范，全面实现了面向大范围复杂城市场景的优视航测多机协同实景三维数据采集实施验证[2]。

目前，各行各业对传统基础测绘地图产品的需求仍然巨大，特别是大比例尺地图。在城市级实景三维建设过程中，可以基于基础地理实体数据派生出大比例尺地图产品，相应的技术路线和生产工艺处于研究和探索之中，基于地理实体图元无法完全派生出大比例尺地图，还需要使用高程点、注记和等高线等其他传统测绘成果来参与大比例尺地图测图和生产过程。由于整个过程费用高、生产周期长、效率低，亟需基于实景三维中国建设过程中积累的全息测绘和实景三维建模等手段，开展1∶500—1∶2 000大比例尺测图，以满足城市规划、建设和精细化治理等过程中不断出现的需求，服务于城市管理、水利水务、生态保护、应急指挥、交通出行、文化旅游、疫情防控等应用场景，实现社会治理智能化、交通出行便捷化、生态文明可持续化，助力国家高质量发展。

1.总体技术路线

本文采用全息测绘等手段，采集高精度倾斜实景三维模型，并基于实景模型和裸眼3D观测等技术进行大比例尺测图，从而生产1∶500—1∶2 000范围的大比例尺DLG矢量。基于实景三维模型的大比例尺测图技术路线如图1所示。

图1 基于实景三维模型的大比例尺测图技术路线图

1.1 实景三维建模

实景三维模型构建包含数据源采集和实景三维模型自动化生产两部分内容：

首先，相对于传统RTK+全站仪数据采集方式，大比例尺测图对数据采集效率和数据源地面分辨率提出了较高的要求。为了方便后续输出1∶500—1∶2 000大比例尺地图成果，此阶段可以通过载人飞机或者无人机搭载倾斜航摄仪或者五镜头相机等设备并低空飞行，对地面进行全息测绘，从而高效地获取地面的高精度倾斜影像。

其次，基于上述低空倾斜航飞获取的五镜头影像，利用实景三维建模工具，基于集群算力和AI自动化算法，快速提取地面景物的Mesh格网模型数据，数据格式通常为.osgb。

1.2 大比例尺测图

传统测图是基于带有外方位元素的立体像对来开展的，需要采购昂贵的数字摄影测量工作站或航空立体采编平台，如武汉大学的VirtuoZo和美国鹰图公司的ImageStation等，对人员技能要求也较高，采集效率普遍不高；而基于实景三维模型的大比例尺测图主要是基于倾斜或者点云等三维地理场景进行“所见即所得”方式的地图采编，上手门槛较低，大幅度降低了项目成本，提升了大比例尺测图的生产效率。

2.实景三维模型构建

本文基于外业航空摄影来获取影像和GPS/IMU数据，并在业内通过摄影测量工具生产实景三维模型，具体内容包括：原始航飞、数据分析和预处理、区域网空中三角测量、三维重建等。实景三维模型数据生产的主要技术路线如图2所示。

图2 实景三维模型构建技术流程图

为了进行大比例尺测图，需要首先获取实景三维模型。

2.1 外业数据采集

利用机载航摄仪或者无人机搭载五镜头相机倾斜摄影系统进行中低空航摄，获取地面分辨率优于6 cm的航空数码像片，同时采集少量像片控制点。

2.1.1 倾斜航飞

采用五目相机，在航线规划软件中进行合理的航飞任务和航线规划，并提前人工布设静态GPS基站或者采用连续运行参考站（CORS），然后按照规划的航线进行航摄作业。

2.1.2 像控点采集

为了保证后续倾斜空中三角测量顺利开展，需要提前进行像控点采集，包括采集一定数量的平高点和高程点，采集的点均应满足1∶500大比例尺测图国家规范要求，同时需充分考虑后续分区空三和测区合并工作的顺利开展。在分区的外边界和内部边界应设置合理数量的像控点，每平方千米布设3～5个控制点。应选择地面上固定且清晰可见的目标来标记像控点，如房屋的四角、斑马线的端点、井盖的中心点等。

2.2 内业模型生产

利用全自动三维建模软件进行空中三角测量并自动重建三维模型，在倾斜模型基础上提取实景三维模型。

2.2.1 数据分析和预处理

对提交的航摄成果进行二次检查分析，确保数据完整、元数据信息完备。保证POS记录信息与影像成果对应一致，无缺漏和不匹配现象；保证图像质量和文件格式正确无误，并且相机参数信息齐全。

2.2.2 空中三角测量

为了确定项目中每个图像在照片或图像曝光时的位置和方向正确，需要开展空中三角测量[3]，得到的参数称为外方位元素。为了精确估计外方位元素，无论项目中包含多少图像，整个区块至少有三个地面控制点。

为了进行空中三角测量，首先需要提前收集倾斜航飞的影像数据、POS数据，以及像控点数据[4]。其次，采用改进SIFT的倾斜无人机影像匹配方法生产可靠的同名点[5]。一旦生成大量的地面同名点，则可以使用插值算法加密出大量的地面控制点，从而大大减少空中三角测量对外业像控点的依赖，间接降低项目成本。目前用于空中三角测量的商业软件有Bently旗下的Context Capture、海克斯康IMAGINE Photogrammetry、街景工厂Street Factory等。

2.2.3 自动化建模

空中三角测量为倾斜影像数据生成了精确的外方位元素，这样每张像片就具有了精确的位置。可以基于此开展自动化建模工作，通过人工智能和遥感图像智能化识别技术来提取地物实景三维模型，主要过程包含点云匹配、TIN三角网构建和优化、自动纹理映射、质检和编辑、坐标转换等步骤。常用的自动化建模工具：大势智慧重建大师、Skyline PhotoMesh、大疆智图、天际航DP-Smart全自动建模平台、瞰景Smart3D等。

（1）点云匹配：根据空中三角测量所计算出的精确的外方位元素，对倾斜影像进行密集点云匹配，生成海量的DSM数据。

（2）TIN三角网构建和优化：基于DSM中的密集点，采用内插算法，全自动构建TIN三角网，并对三角网进行平滑等处理。

（3）自动纹理映射：经过点云匹配和三角网构建，已经生成了实景三维白模，需要利用纹理匹配算法从海量图像中选取质量最优的影像进行纹理映射处理，从而生成具备纹理色彩的实景三维模型。

（4）质检和编辑：由于高楼和树木之间存在遮挡、实景三维模型在水域存在破洞等问题，需要进行人工质检，标记出问题区域并手工编辑、修复。

（5）坐标转换：为了满足后续大比例尺测图对坐标系的个性化需求，需要对倾斜实景三维模型进行坐标转换，如，从WGS84坐标系转换到2 000地方坐标系。

3.大比例尺测图

在构建完实景三维模型后，在实景三维智能测图工具中，导入高精度的实景三维模型数据，便可正式开展大比例尺测图。与传统的基于立体像对的测图模式有所不同，由于此处加载的是实景三维模型，所以无需佩戴3D眼镜，而直接采用裸眼3D方式进行观测，大大提高了测图的便捷性，节约了成本。大比例尺测图的主要流程如图3所示。

图3 大比例尺测图技术流程图

基于裸眼3D方式，可以采集1∶500—1∶2 000大比例尺下的各种地物矢量要素，包括房屋、道路、水系、植被、行政区界线、高程点、等高线等。在人工作业的过程中，可以结合包含直角绘制、直线绘制、智能绘制等在内的智能化手段来辅助3D采集，从而大大提高生产效率。

4.实验流程与精度评价

为了论证本文提出的实景三维模型在大比例尺测图工作中的可行性，精心设计以下实验并通过实验数据对精度进行检验。

4.1 测区概况

测区位于陕西省西安市某区域，测区总面积约为0.2 km2。测区主要以农房为主，房屋和树木比较密集，对GNSS卫星信号具有一定影响且通视条件一般。

4.2 实验设备

本项目采用国产软硬件，主要包括：

（1）智航SF700A四旋翼无人机：最大续航约80 min，起飞重量为5.7 kg，支持仿地飞行／断点续飞。

（2）五镜头T53P倾斜相机：传感器尺寸为23.5×15.6 mm，下视焦距为25 mm，侧视焦距为35 mm，图像分辨率为6 000×4 000。

（3）南方银河6 RTK测量系统：获取检查点的三维坐标。

（4）天云三维一体机：用于运行倾斜空三和实景三维重建。

（5）Ufeature3D：三维立体测图平台。

（6）实景三维GIS平台：用于检验大比例尺DLG效果和精度。

4.3 实验过程

根据1∶500大比例尺测图要求，本次测区高差约20 m，满足无人机低空摄影测量技术规范。因此决定采取无人机低空倾斜摄影测量的技术手段获取测区的实景三维模型，并基于实景模型采集1∶500的DLG数字线划图，详细步骤如下：

（1）采用智航SF700A四旋翼无人机+T53P倾斜相机获取测区的倾斜影像。相机最优拍照间隔为0.9 s，保证航测航向重叠度80%，旁向重叠度75%，设置飞行速度为9m/s，飞行高度300 m，飞行时间46 min，共拍照9280张，场地内共布设像控点8个，布设房角检查点12个。

（2）基于天云三维一体机对测区进行区域网空中三角测量，导出空三加密成果，精度较好，具体为：平面中误差为0.015 m，高程中误差为0.021 m。

（3）在天云三维一体机中导入空三加密成果，进行自动化三维重建，构建实景三维模型。

（4）将实景三维模型导入Ufeature3D软件中，进行智能化三维立体测图，并采集房屋要素，以满足房地一体的应用需求。

4.4 结果分析

将1∶500房屋DLG数据导入实景三维GIS平台：

（1）效果评估：房屋DLG数据与正射影像底图套合完美，效果较好如图4所示。

图4 大比例尺测图效果图

（2）精度评估

利用南方银河6 RTK测量系统随机采集DLG矢量对应的屋顶检查点20个，并将检查点坐标导入实景三维GIS平台，然后软件自动计算检查点与对应DLG相同位置坐标的限差：平面最大限差为0.048 m、0.032 m；平均平面中误差为0.037 m，平均高程中误差为0.025 m，优于1∶500地形图（1∶500地形图平面中误差应不超过0.25 m，高程中误差应不大于0.17 m）。

5.结束语

基于以上研究得出以下结论：

以全息测绘等智能化方式快速构建的实景三维模型为基础，进行1∶500—1∶2 000大比例尺裸眼3D测图的技术路线完全可行。该技术手段可以充分利用各地实景三维项目中积累的存量实景三维模型数据，有效地降低了项目成本，成图效果较好，同时也满足大比例尺地形图成图精度要求，具有较高的应用价值。