實景三維模型數據制作及精度評價—以數字南和地理空間框架建設項目為例

武娟 侯俊 郭昕

(①北京中色測繪院有限公司 北京 100012 ②河北中色測繪有限公司 三河 065201)

1 引言

隨著我國信息化建設不斷深入發展，地理信息數據資源的基礎性地位更加突出，對生產生活的作用日顯重要。近幾年，數字中國地理空間框架建設全面推進，建立起國家、省、市三級節點的地理信息服務平臺，實現了地理信息數據共建共享，推動了城市的信息化建設，促進了地理信息數據的深入應用，為政府的科學決策、精細管理、高效服務及企業和公眾提供了優質的地理信息服務。

三維模型數據是數字城市地理空間框架建設中的關鍵數據，它是城市建設風貌的真實再現，具有直觀、真實的特點，能為城市規劃、領導決策提供城市建設情況的直觀展現。傳統三維模型數據多采用地形矢量數據與人工野外拍攝紋理照片的方法進行生產，由于其生產速度慢、樓頂構建不準確、紋理不真實等原因越來越不能滿足目前三維數據要求，基于傾斜攝影測量技術的實景三維模型數據制作為城市三維模型數據生產提供了一個全新的途徑。

2 數據源情況簡介

本次實景三維模型數據生產是數字南和地理空間框架建設項目中基礎地理信息數據生產的重要組成部分，實現了南和縣城市景觀的真實再現，為數字城市地理空間框架成果的應用提供了基礎數據保障。

實景三維模型生產的范圍為南和縣中心城區共12.5 km2，采用運5的B-8055飛機、SWDC-5航攝儀分別從沿著航線的前視、左視、右視、后視和正視五個不同方向（其中正視方向相機焦距為50 mm。其它視角方向的焦距均為82 mm）獲取影像數據，絕對航高670～810 m，影像地面分辨率優于0.1 m。共有航線39條，獲取影像2 629張（像幅大小8 176×6 132）。下視鏡頭航向平均重疊度不低于70%，旁向平均重疊度不低于70%。

由于國家暫時未有針對實景三維模型的規范標準，本次項目生產以滿足南和縣數字城市建設需要為基本要求制定精度指標，平面精度相對于最近控制點的點位中誤差不大于0.5 m，模型基準面高程相對于最近控制點的點位中誤差不大于0.5 m。

3 實景三維模型數據制作

通過采用傾斜多視航空影像的大角度、多視角影像快速可靠匹配技術、三維紋理TIN構建及紋理映射技術等，從而實現全自動三維重建。具體技術流程見圖1。

圖1 實景三維模型制作總體技術流程圖

3.1 像控點布設及獲取

首先進行像控點布設，像控點的目標影像應清晰，易于判別，如交角良好的細小線狀地物的交點、明顯地物的角點等；同時像控點的目標應是高程變化較小的地方，易于準確定位和測量且常年相對固定；像片條件為控制點一般布設在航向旁向六片或五片重疊范圍內，盡量達到公用。像控點測繪采用GPS-RTK的方式進行采集。南和縣三維區域共布設了50個像控點。位置示意見圖2。

圖2 像控制點位置示意圖

3.2 空三加密

空三加密的數據處理過程包括平差點提取、平差處理、三維模型構建、數據格式轉換等，平差處理的主要目的是實現所有圖像數據的絕對定向，建立絕對位置關系，為三維建模提供絕對定向參數。

首先不引入控制點數據，在外方位的支持下進行一次自由網平差，保證相鄰圖像、不同視角圖像之間建立較強的連接關系。接著引入控制點數據再進行一次平差處理，保證了整個測區數據的絕對位置精度。

3.3 三維建模

經過空三加密后獲取了大量高密度的點云數據，對數據進行切塊分割，對分割的區塊內的密集點云構建不規則三角網TIN（圖3、圖4、圖5、圖6），并生成無紋理的城市實景三維模型（即白模）。

基于三維建模軟件的強大紋理映射算法對每個模型的三角面自動賦予紋理。所有影像均具有精確位置信息，軟件可在全部候選影像中自動快速的選取最清晰的紋理貼在對應位置的模型面上，最后輸出紋理清晰逼真的城市實景三維模型。

4 模型數據精度分析

本次模型精度分析是通過野外實測檢查點，同時在系統中對相同位置的模型數據點進行采集來檢核模型精度，本次共隨機抽取3個樣本區，樣本區基本均勻覆蓋模型生產區域，每個樣本區抽取20個點左右，共有檢查點67個（表1）。

圖3 樣本區抽取范圍示意圖

圖4 1區檢查點分布圖

圖5 2區檢查點分布圖

圖6 3區檢查點分布圖

表1 三維模型數據誤差計算表

根據誤差計算公式，計算得到Ms=0.39 m，Mh=0.19 m，均不大于0.5 m，滿足項目設計需要。

通過精度檢測分析，實景三維模型一般情況下高程比傳統方法生產的模型精度更高，平面精度與傳統三維模型基本接近。

5 結束語

近幾年，隨著地理信息數據應用數字城市建設、智慧城市建設的進一步推進，傾斜攝影測量三維建模技術以其快速高效、模型紋理真實、數據精度高等特點，受到眾多科研單位和數據生產單位的重視。隨著智慧城市時空云平臺建設的推進、大數據應用技術的快速發展，實景三維模型數據的應用范圍將越來越廣，程度將越來越深。

[1]李想,張春奎,汪彬,韓冰.傾斜攝影實景三維建模技術探討與實踐[J].城市勘測,2017(6)：95-97.

[2]耿中元,王鳳,劉飛,王濤,唐婷婷,胡晨希.傾斜航空攝影實景三維模型技術研究及應用[J].北京測繪,2017(6)：28-32.

[3]李永利,盧小平,侯岳.傾斜影像三維建模方法與應用[J].河南科技,2017(19)：30-32.

[4]劉潤東.實景三維新型測繪能力建設及典型應用[J].測繪與空間地理信息,2017,40(8)：159-161.