多源三维模型融合技术在三调城镇村内部细化调查中的应用研究

申永伟 龙城仕 刘新定 何洁

摘  要  城镇村内部土地利用细化调查是第三次全国土调查中的重要组成部分，全面细化和完善的城镇村庄内部土地利用调查成果，有助于掌握翔实准确的全国国土利用现状和自然资源变化情况。本文基于多源三维模型融合技术，生成高精度高空地面、室内室外一体化三维模型，将其应用于城镇村内部土地利用细化调查工作中，修正城镇村内部土地利用现状图斑边界和地类属性等内容，最终形成准确的城镇村内部土地利用现状成果。利用融合后的三维模型上开展城镇村内部土地利用细化调查是一种有效的调查模式，可为三调高精度高效率调查工作提供技术支撑。

关键字  城镇村内部土地利用细化调查;多源三维模型融合技术;室内外一体化三维模型;外业调查

中图分类号：P237，P272               文献标识码：A

文章编号：1672-5603（2021）01-01-6

Abstract： The internal refinement survey of land use within the towns and villages is an important part of the third national land Investigation. Comprehensively detailed and complete survey results within the towns and villages will help to grasp the detailed and accurate status of the country's land use and changes in natural resources. Based on the multi-source 3D model fusion technology to produce high-precision， high-altitude ground， indoor and outdoor integrated 3D models， and applies it to the internal refinement survey of land use within the towns and villages， modify the boundary and land type attributes of the current land use of the town and village， and finally form an accurate current status results of land use in the town and village. Using the fused 3D model to carry out the internal refinement survey of land use within the towns and villages is an effective survey mode， which can provide technical support for high-precision and high-efficiency surveys.

Keywords： the internal refinement survey of land use within the towns and villages; multi-source 3D model fusion technology; indoor and outdoor integrated 3d models; field investigation

第三次全國国土调查实施方案中明确提出，积极创造条件，大力推进城市、建制镇、村庄补充地籍调查，确实条件不具备的，开展土地利用现状细化调查。全面细化和完善的城镇村庄内部土地利用调查成果，有助于掌握翔实准确的全国国土利用现状和自然资源变化情况。第三次国土调查技术规程[1]中提出，在参考城市地形图单位注记、土地审批、土地供应、土地登记、土地整治、国土执法监察和其他相关资料，结合实地查勘，核实城镇土地利用现状图斑的准确性。

三调城镇村内部土地利用细化调查是一项极其费时费力的工作。根据技术规程[1]，细化调查工作主要包括调查底图制作、城镇村内部土地利用现状地类图斑调查、城乡土地利用现状图斑衔接三个主要内容。通过分析与实践，我们发现以上三个工作在实施过程中主要存在以下两个问题。（1）平板GPS定位精度不满足城镇村内部土地利用细化调查需求，三调举证设备为带定位功能和方向传感器的普通安卓手机或平板，依靠GPS定位、平板陀螺仪定姿的方式确保举证照片的合法性和有效性。城镇村内建筑物密集且错综复杂，举证图斑面积相对较小，对GPS定位精度要求更高。实际工作中发现，在城镇村内部，由于房屋遮挡，导致GPS信号不稳定， 定位不准确，经常出现定位的位置与实际所在的位置不一致，举证难度增大;由于城镇村内部房屋密集，全景照片拍摄难度大，举证效率及举证有效性降低。（2）室内外照片场景不连贯，对于调查为设施农用地的图斑，要求拍摄内部照片，由于室内GPS信号极差，无法确定拍摄的室内照片为本图斑所需照片，给举证工作带来了极大的不便。

针对以上问题，本文将利用“多源三维模型融合技术”将无人机拍摄的倾斜模型数据与车载或背包获取的街道乃至室内的模型数据进行融合，配合高精度控制点进行定位，制作全场景，空地一体，室内外兼有的三维模型。在此模型上开展外业核查和举证工作，进一步提高核查的准确性、权威性，同时大大提高核查的工作效率。利用该技术，丰富外业核查方式、更好地服务于第三次国土调查。

1    多源三维模型融合技术

1.1 多源三维模型融合技术概述

利用多源三维模型融合技术，将倾斜摄影技术建立的不同尺度的三维模型进行融合。解决了城市级别三维模型与街道级别三维模型、室内三维模型与室外三维模型融合的技术难题，实现了宏观三维模型与微观三维模型的融合。

倾斜摄影三维模型构建技术目前发展已经非常成熟[2]，在建立城市级别三维模型中其具有高真实性、全要素的优势，但是利用倾斜摄影测量技术还存在很多不足之处，利用无人机平台搭载倾斜相机开展城市三维模型建设，模型成果可以很好的还原现实场景，但是，当模型放大后会发现，在近地面细节上出现大面积的数据细節失真和纹理模糊。

为了弥补近地面细节缺失的问题，可以利用同样的原理，将倾斜相机搭载在车载或背包平台上，开展街道及城市局部三维模型建设。但是由于无人机平台和地面车载、背包平台相对于城市建筑来讲，高度和角度相差巨大，且车载和背包平台GPS信号差，两种方案生成的三维模型无法进行自动融合;同样，室内视角和室外视角建立的三维模型更是无法自动进行融合。为了突破这一技术瓶颈，多源三维模型融合技术应用而生。

1.2  多源三维模型融合技术原理

数据融合生产主要流程包括数据采集、生产倾斜摄影模型、生产街道与室内三维模型、模型融合与生产三个步骤。倾斜摄影模型的生产过程按照现有的倾斜摄影数据生产方式进行生产[3]。街道与室内三维模型生产的过程中，需要从倾斜摄影的模型中选取控制点，从街道模型中选择连接点，并将绝对定向后的自动连接点与倾斜模型进行叠加，检查模型匹配情况。在融合与生产阶段，将多源空三成果进行融合，最终生成融合的三维模型。生产流程如图1。

1.2.1  街道、室内三维模型绝对定向

在此流程中，街道、室内三维模型绝对定向至关重要。街道、室内无法采集地面控制点，无法依据地面控制点实现三维模型的绝对定向，在此，需要从倾斜模型、街道与室内模型中提取同名点，倾斜摄影模型中的同名点坐标作为街道与室内模型的控制点，利用三维建模软件对街道与室内模型进行空三计算，实现街道与室内模型的绝对定向。

1.2.2  绝对定向后的自动连接点与倾斜模型叠加显示

利用三维GIS软件，将绝对定向后的自动连接点与生成好的倾斜模型添加到同一个场景中进行叠加显示，检查两者的匹配效果。从图3中可以直观的看出控制的成果的质量，图2显示的连接点与模型有很大的偏差，图3则明显贴合的很好。如果质量不好，需要重新调整控制点和连接点，生成符合质量要求的成果。

1.2.3  融合并生成三维模型

前两个关键步骤完成后，借助成熟的三维模型生成软件，例如Context capture Master，将倾斜摄影三维模型的空三成果与街道、室内三维模型的空三成果进行合并，重新提交模型生产，即可生产出融合后的三维模型。

1.3  多源三维模型融合技术优势

1.3.1 可以实现任意维度三维模型融合

利用多源三维模型融合技术，可以实现机载三维模型与车载三维模型融合，也可以实现室内三维模型与室外三维模型融合，还可以实现大场景三维模型与独立物品三维模型融合。本技术可以解决倾斜摄影模型在近地面上出现细节失真和纹理模糊的难题、解决大场景三维模型只有室外没有室内的问题。

1.3.2  融合三维模型成果格式统一

车载点云和街景影像虽然获取了大量的地面细节信息[7]，但是，由于模型格式和倾斜摄影模型格式不统一，需要分别查看浏览使用体验很差。本技术设计了车载和背包取景设备，开发了多源三维模型融合辅助软件，解决了不同角度，不同高度，不同场景获取三维模型格式不统一的问题。

1.3.3  减少三调外业工作量

倾斜摄影模型可以将现实场景复制到电脑中，技术人员在三维模型上进行外业核查，免除了实地调查的工作量，同时也避免了因人为原因造成二次外业举证的工作量。

1.3.4 使城镇村内部土地利用细化调查更高效、更准确

在三调外业核查工作中，利用GPS定位、平板陀螺仪定姿的方式确保举证照片的合法性和有效性。但是，实际工作中发现，在城镇村内部，由于房屋遮挡，导致GPS信号不稳定，出现位置定位不准确的情况。且照片的拍摄位置信息，不能作为图斑边界的定位数据。

利用多源三维模型融合技术开展城镇村内部土地利用细化调查，模型绝对精度可达到厘米、相对定位可达到毫米级。完全满足三调城镇村内部土地利用细化调查[9][10]。且可以同时包含室内室外场景，对于设施农用地，需要内部照片的举证图斑，可以进行室内场景建模，举证更有效。图4为多源三维模型融合示例，分别从天空、路面乃至室内三个角度展现了多源三维模型的优势。

1.3.5  成果可重复利用

由于模型精度完全满足1：500地形图精度要求，本数据成果可以用于开展地籍调查等项目中，综合成本更低[8]。

2  多源三维模型融合技术应用于三调城镇村内部土地利用细化调查实施方案

本实施方案是在原有的三调城镇村内部土地利用细化调查实施方案的基础上进行适当调整。第一步调查底图制作和第三步城乡土地利用现状图斑衔接不变[1]。调整第二步城镇村内部土地利用现状地类图斑调查。将多源三维模型融合技术应用于三调城镇村内部土地利用细化调查工作中，将细化调查过程中的外业核查工作转变为内业模型判读。

2.1  提取需要外业核查图斑

城镇村调查范围由省三调办统一依据正射影像，结合最新年度土地变更调查数据库及相关国土管理资料，对初始库中的城镇村调查范围界线预判结果进行核实确认和补充调查，对范围和标注信息与实际不符的进行修改与标注，确定城镇村需要外业核查图斑，标注需要高精度室外模型以及需要室内模型的图斑。在已有工作底图的基础上，根据城镇村范围线，以及需要外业核查的图斑，确定三维模型生产范围以及需要高精度室内外建模的范围。如图6所示图中的设施农用地是需要进行室内外统一建模的地块，红线范围是需要倾斜摄影三维建模的范围。

2.2  生产融合三维模型

根据三维模型生产范围线以及需要高精度室内外建模的范围线，开展倾斜摄影模型数据采集、街道、室内三维模型数据采集，采集完成后进行多源三维模型融合数据生产。

2.3 提取城镇村内部土地利用细化调查图斑信息

将生产的三维模型用于城镇村内部土地利用细化调查底图，从模型中提取所需信息，继续开展土地利用现状地类图斑调查，修正城镇村土地利用现状图斑边界和地类属性等内容，最终确保城镇村庄土地利用现状图斑的准确性。

多源三维模型融合技术应用于三调城镇村内部土地利用细化调查技术流程如图5所示。

2.4 多源三维模型融合技术解决的问题

在调整后的方案中，利用带RTK的无人机开展三维模型数据采集，重建后的三维模型定位精度可以达到厘米级别，与平板GPS单点定位相比，定位精度将有极大的提升，足以满足城镇村内部对定位精度的要求。将室内外场景融合后的三维模型应用于图斑举证，与不连续的室内外举证照片相比，更具有权威性，有效避免挂接到不正确的室内举证照片。外业核查工作由室外转变到了室内，减轻了技术人员的工作量，提高了核查工作效率。且三维模型精度完全满足1：500地形图精度要求，成果还可以应用与地籍调查等项目，综合成本更低。

3    结束语

多源三维模型融合技术在三调城镇村内部土地利用细化调查是一种新的三调外业核查方式。将真实三维世界复刻到计算机中，技术人员在融合后的三维模型上进行外业核查，免除了实地调查的工作量。技术人员可以更专注于本职工作，极大地提高了外业核查的工作效率。三维模型覆盖了图斑的全貌，同时避免了拍照举证拍摄角度的局限性，外业核查成果更准确，更权威。同时创新三调成果的应用模式。模型精度绝对精度可达到厘米、相对定位可达到毫米级。完全满足三调城镇村内部土地利用细化调查。模型成果还可以用于城镇村相关调查，减少了多次外业调查的工作量。多源三维模型融合技术也存在一些不足，三维模型数据采集、融合、重建过程中，需要大量的人力资源与计算机资源，阻碍了本技术在三调城镇村内部土地利用细化调查中的应用，未来需要在三维模型生产效率方面进一步研究，降低三维模型生产成本，在今后相关项目中发挥更大的作用。

参考文献/References

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