三维数字化建模技术在数字城市建设中的应用研究

王旭科

（兰州资源环境职业技术大学，甘肃 兰州 730021）

0 引言

近年来，由新兴测绘科学与技术发展而来的数字孪生、实景三维、元宇宙等成为数字城市建设的新兴技术之一。自2021年自然资源部办公厅印发《实景三维中国建设技术大纲（2021版）》（自然资办发〔2021〕56号）以来，越来越多的城市和测绘地理信息行业上下游企业参与到“实景三维中国”的建设中［1］。数字孪生是指在数字虚拟化网络空间中构建与现实物理世界各环境元素映射相匹配的数字化、虚拟化镜像城市，可用于城市治理与运维，其底层数字基座就是相似度极高、虚拟仿真的实景三维场景。目前，地理信息产业发展与研究的热点之一便是着力提升城市级实景三维场景的生产建设效率、面积和精细程度［2］。基于航空飞行器搭载多镜头传感器的低空倾斜摄影测量获取的数字影像来构建实景三维场景在我国被广泛应用，且有代替传统人工使用3ds Max手动方法进行实景三维场景建设的趋势，其是在同一飞行平台上搭载多镜头可见光数码相机，在同一个时刻和位置，从垂直和倾斜等不同角度进行拍摄，来获取反映地面实际情况的航空影像，在经过实景三维建模软件处理后可形成实景三维场景［3］。机载激光扫描技术是继倾斜摄影测量后的一种主动发射多线程激光信号的非接触式对地观测新技术，不同于获取的平面影像数据，其特点是受薄云薄雾、天气光照等因素的影响小，具有高穿透性，能够获取被摄物体的三维坐标，原始数据的精度高，且生产作业周期短［4］。本研究通过对多种实景数字化三维建模方法进行对比，探索将机载激光扫描获取的点云和倾斜摄影获取的数字影像两种异构数据融合，用来构建实景三维场景的方法，并阐述三维数字化建模的技术路线和生产流程，以期为相关工程项目提供技术参考。

1 数字化实景三维建模方法

用于生产三维场景的基础数据一般是拥有准确地理位置信息的元数据，其生产流程随着地理信息行业升级转型和新技术、新工艺、新方法的出现而不断升级更新。数字化实景三维建模方法有传统的3ds Max手工建模、基于倾斜摄影测量的半自动人机交互建模、基于机载激光扫描的点云和倾斜摄影获取的数字影像融合模型［5-6］。传统3ds Max手工建模是使用3ds Max软件来手工构建模型，利用大比例数字线划图、低空垂直摄影测量来获取影像，以及现场实景拍摄建筑物影像，在3ds Max软件中，通过人工手动的方式来构建白模、修饰图片及纹理映射。基于倾斜摄影测量的半自动人机交互建模是利用低空倾斜摄影测量来获取影像，并通过人机交互半自动建模软件来完成建模。其数据源主要是机载的多镜头可见光相机对地观测获取的倾斜摄影影像，大多数情况下是一个垂直和多个倾斜角度的地表影像，结合人工布设的地面像片控制点，在人机交互半自动建模软件中进行三维建模与修饰。基于机载激光扫描的点云和倾斜摄影获取的数字影像融合模型是通过机载激光扫描的点云与倾斜摄影测量获取的数字影像融合模型。通过倾斜摄影测量获取的影像在人机交互半自动建模时经常会出现实景三维场景局部细节失真、变形或拉花等现象，通过增加机载激光扫描形成的点云数据能够减少或消除上述现象，实现较为准确的全自动或人机交互半自动提取地物（主要是指建筑物和构筑物）的三维结构模型，再利用倾斜摄影测量获取自动提取地物顶部和侧面纹理的影像，个别建筑物自遮蔽或因树木遮挡的位置要结合图形图像处理软件，在经人工修饰后映射贴合在地物的三维结构模型上。通过上述两种技术互补融合，构建的实景三维场景（模型）结构更准确、可视化效果更好、后期修复工作量更少。上述三种不同的建模方法特点的对比如表1所示。

表1 三维数字化建模技术对比表

2 技术路线设计

利用机载激光扫描的点云和倾斜摄影获取的数字影像融合建模的技术路线可分为四个阶段，分别是前期准备阶段、数据获取和预处理阶段、实景三维场景构建阶段以及实景三维场景质检与验收阶段。

2.1 前期准备阶段

前期准备阶段包括现场踏勘、收集测区资料、撰写与审核技术设计书、准备外场航摄。撰写与审核技术设计书是整个项目前期准备阶段中非常重要的一项工作，涉及工作计划、技术路线、作业要求、技术标准等多方面内容。外场航摄是为了详细了解测区的基本情况，勘定范围边界、获取当地天气预报、空域申请与批复等，以及检查验证机载、地面设备是否正常。

2.2 数据获取和预处理阶段

数据获取和预处理阶段包括低空机载激光点云数据处理和倾斜摄影影像数据处理。机载激光点云预处理是通过算法对点云进行识别分类，分为表示地面的点云和非地面的点云。地面点是生成数字高程模型的基础，非地面点可用来生成建筑体框模型。倾斜摄影影像数据处理的核心是从多角度航摄影像里提取建筑物的顶部与侧面纹理，通过编辑纹理数据（裁切、校正色彩）来生成建筑物体框模型的纹理贴图。同时，筛选出变形失真、对焦模糊的不合格纹理对应的位置，对这些位置进行二次补摄。

2.3 实景三维场景构建阶段

实景三维场景构建阶段是利用第二阶段生成的数字高程模型、建筑体框模型以及修正后的纹理，通过相应算法进行互补融合三维建模。

2.4 实景三维场景质检与验收阶段

实景三维场景质检与验收阶段主要是对位置精度、模型结构、模型纹理和场景效果［5］四个方面进行质检与验收，对数据质量检查元素进行分解，可从以下6个角度进行检查：①坐标参考系统（平面基准、高程基准和投影）；②位置准确度（平面位置精度、高程精度）；③模型质量（模型结构质量、图像纹理质量、地形地物质量）；④逻辑性（输出格式是否统一）；⑤场景效果（现状是否完整，尺度是否协调，场景是否美观）；⑥附件质量（文档是否齐全，元数据是否正确完整）。

3 数字化实景三维建模生产流程

3.1 分类机载激光点云数据

机载扫描获取的点云是制作数字高程模型和建筑体框模型的基础数据。根据点云所反映的地物地形的位置与高程属性，可将点云数据分为地面点和非地面点［6］。地面点反映现实世界地表的真实起伏形态，用来表示裸露地表或贴合在地面的点，如田埂、道路等；非地面点是没有落在裸露地表的点，如电力线杆塔、路灯、建（构）筑物等。机载激光扫描点云分类流程如图1所示。

图1 机载激光点云分类流程示意图

3.2 生产数字高程模型

数字高程模型的生产流程可分为4步：机载激光点云分类、生成数字正射影像图、找寻空间位置异常点、生成不规则三角网和生产DEM［7］。首先是预处理机载激光点云，并在分类后选取表示地面的点；其次是利用航摄轨迹、影像时间文件、航摄仪（航摄相机）检校参数、定姿定位系统（IMU）数据等建立影像索引，生成数字正射影像图；再次以数字地面模型为基础，参照数字正射影像图找寻空间位置异常点，对异常点区域进行人工修正；最后由预处理后的点云生成不规则三角网，以内插法生成DEM。数字高程模型生产流程如图2所示。

图2 数字高程模型生产流程示意图

3.3 生产建筑体框模型

建筑物体框模型是用矢量来表示建筑物的三维立体架构，没有纹理映射，只是建筑物的基础“骨架”，通常也被称为“白模”。首先利用机载激光点云分类后的建筑物类点云、DOM、DLG来自动生成建筑物的粗略模型；其次参考DLG、机载激光点云和倾斜摄影影像，并用TerraSolid软件的Terrascan模块对点云滤波后进行模型修正，包括修改部分粗模的位置、轮廓、形态和拓扑关系等，使之达到建筑物体框建模要求；最后是在传统建模软件3ds Max中优化模型质量。建筑体框模型成果如图3所示。

图3 建筑体框模型成果示意图

3.4 提取倾斜影像纹理

倾斜影像可获取建筑物、地面设施等实物的侧面纹理，可有效弥补传统地面拍照存在的不足之处［8］。以搭载多镜头的索尼全画幅相机进行倾斜摄影为例，若航向重叠度大于60%，可在同一个地物上获取8～10张有效的纹理影像；若重叠度在90%以上，可获取20～25张有效的纹理影像。测区范围内有高大建筑物自身遮挡或互相遮挡时，仍须手动航拍隐蔽区域以及地面补拍受遮挡位置的纹理［9］。

3.5 纹理贴图

为满足建筑物的侧面纹理映射的需求，首先要微调建筑物体框模型部分结构细节，如旋转位置、去除冗余面、缩减模型数据量等［10］；其次是根据建筑物关键点（即标志点），通过人工识别、匹配和裁剪倾斜影像的方式，来建立纹理映射关系索引；最后将裁剪匀色的纹理映射在三维建筑体框模型对应的位置［11］。在批量自动化映射纹理完成后，若仍有变形、失真、拉花等现象或存在缺失的情况，则需要再次人工寻找标志点，并重新匹配贴图［12］。图4是数字化实景三维场景成果示意图。

图4 数字化实景三维场景成果示意图

4 数字化实景三维场景质量检查与核验

4.1 质量检查

质量检查是检查产品成果是否合格、优劣与否的重要环节，质量检查要遵循三维地理信息模型成果的验收规范［13］。质检内容主要包括空中航摄质量检查、点云检查、DEM高程精度检查、空中三角测量加密成果检查、建筑物体框模型位置精度检查、倾斜影像纹理检查以及实景三维场景效果检查等［14］。表2是实景三维场景中建筑物体框模型检查表。

4.2 内外业核验

野外实地现场和内业成果的抽样检查是目前核验实景三维场景模型的最普遍方法［15］。其中，外业检查以检查位置精度、模型纹理质量和场景效果为主，内业检查主要对坐标参考系统和逻辑性进行检查。本研究采用分层随机抽样法，抽取10个实景三维建筑物模型单元为样本，在其中选取检查点进行检测。采用样本标准偏差来计算总体偏差值，计算公式见式（1）。

式中：Δ为标准偏差即中误差；N为样本总体数量；xi为第i个样本对应的平面坐标x y和高程值z；xˉ为所选择样本对应坐标的均值。内外业核验包括建筑模型的平面位置和高程精度、道路模型和地面模型的高程精度。在野外作业时，可利用GNSS-RTK接收机和全站仪来采集检查点的三维坐标，内业在数字化实景三维模型上选取特征点作为检查点来采集xyz坐标。经过对比（见表3），建筑模型平面位置和高程的误差≤±0.6 m，地面模型和道路模型的高程误差≤±0.5 m，数字化实景三维场景主要模型中的建筑物、道路和地面模型成果位置精度满足设计要求。

表3 实景三维场景建筑物模型精度评定表

在模型质量方面，整体情况较好，建筑物模型未出现大面积变形、模糊、扭曲等现象。逻辑性方面也未发现问题，存储与命名正确，输出格式统一为OSGB。场景效果方面，发现边缘空旷区域存在少量模型穿插、局部裂缝、面状漏洞等问题。

5 结语

本研究通过将机载激光扫描的点云和倾斜摄影获取的影像这两种异构数据融合来构建三维数字化场景。参照模型质量检查表，可最大限度地还原实景三维数字化场景与现实物理世界的相似度，这是目前最适合建设数字化城市的三维数字化实景建模方法。但该方法也存在一些不足之处，一是野外航摄作业需要执行两次飞行任务。第一次是搭载激光雷达设备获取点云，第二次是搭载多镜头倾斜相机来获取多角度影像，因而增加了项目投入和建设成本；二是用获取的多源异构数据进行融合建模的作业周期比传统3ds Max手工建模要节省约20%～30%，但相比仅用倾斜影像的建模作业方式，在数据预处理、空三成果融合、人机交互等环节比较耗时，使得总计建模周期增加约50%。因此，在构建数字化实景三维场景时，需要综合考虑项目周期、作业效率和成本投入等因素，来选择均衡、适合的三维数字化建模方式。