多源三維模型融合技術(shù)在三調(diào)城鎮(zhèn)村內(nèi)部細(xì)化調(diào)查中的應(yīng)用研究

申永偉 龍城仕 劉新定 何潔

摘? 要? 城鎮(zhèn)村內(nèi)部土地利用細(xì)化調(diào)查是第三次全國土調(diào)查中的重要組成部分，全面細(xì)化和完善的城鎮(zhèn)村莊內(nèi)部土地利用調(diào)查成果，有助于掌握翔實(shí)準(zhǔn)確的全國國土利用現(xiàn)狀和自然資源變化情況。本文基于多源三維模型融合技術(shù)，生成高精度高空地面、室內(nèi)室外一體化三維模型，將其應(yīng)用于城鎮(zhèn)村內(nèi)部土地利用細(xì)化調(diào)查工作中，修正城鎮(zhèn)村內(nèi)部土地利用現(xiàn)狀圖斑邊界和地類屬性等內(nèi)容，最終形成準(zhǔn)確的城鎮(zhèn)村內(nèi)部土地利用現(xiàn)狀成果。利用融合后的三維模型上開展城鎮(zhèn)村內(nèi)部土地利用細(xì)化調(diào)查是一種有效的調(diào)查模式，可為三調(diào)高精度高效率調(diào)查工作提供技術(shù)支撐。

關(guān)鍵字? 城鎮(zhèn)村內(nèi)部土地利用細(xì)化調(diào)查;多源三維模型融合技術(shù);室內(nèi)外一體化三維模型;外業(yè)調(diào)查

中圖分類號：P237，P272? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：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

第三次全國國土調(diào)查實(shí)施方案中明確提出，積極創(chuàng)造條件，大力推進(jìn)城市、建制鎮(zhèn)、村莊補(bǔ)充地籍調(diào)查，確實(shí)條件不具備的，開展土地利用現(xiàn)狀細(xì)化調(diào)查。全面細(xì)化和完善的城鎮(zhèn)村莊內(nèi)部土地利用調(diào)查成果，有助于掌握翔實(shí)準(zhǔn)確的全國國土利用現(xiàn)狀和自然資源變化情況。第三次國土調(diào)查技術(shù)規(guī)程[1]中提出，在參考城市地形圖單位注記、土地審批、土地供應(yīng)、土地登記、土地整治、國土執(zhí)法監(jiān)察和其他相關(guān)資料，結(jié)合實(shí)地查勘，核實(shí)城鎮(zhèn)土地利用現(xiàn)狀圖斑的準(zhǔn)確性。

三調(diào)城鎮(zhèn)村內(nèi)部土地利用細(xì)化調(diào)查是一項(xiàng)極其費(fèi)時費(fèi)力的工作。根據(jù)技術(shù)規(guī)程[1]，細(xì)化調(diào)查工作主要包括調(diào)查底圖制作、城鎮(zhèn)村內(nèi)部土地利用現(xiàn)狀地類圖斑調(diào)查、城鄉(xiāng)土地利用現(xiàn)狀圖斑銜接三個主要內(nèi)容。通過分析與實(shí)踐，我們發(fā)現(xiàn)以上三個工作在實(shí)施過程中主要存在以下兩個問題。（1）平板GPS定位精度不滿足城鎮(zhèn)村內(nèi)部土地利用細(xì)化調(diào)查需求，三調(diào)舉證設(shè)備為帶定位功能和方向傳感器的普通安卓手機(jī)或平板，依靠GPS定位、平板陀螺儀定姿的方式確保舉證照片的合法性和有效性。城鎮(zhèn)村內(nèi)建筑物密集且錯綜復(fù)雜，舉證圖斑面積相對較小，對GPS定位精度要求更高。實(shí)際工作中發(fā)現(xiàn)，在城鎮(zhèn)村內(nèi)部，由于房屋遮擋，導(dǎo)致GPS信號不穩(wěn)定， 定位不準(zhǔn)確，經(jīng)常出現(xiàn)定位的位置與實(shí)際所在的位置不一致，舉證難度增大;由于城鎮(zhèn)村內(nèi)部房屋密集，全景照片拍攝難度大，舉證效率及舉證有效性降低。（2）室內(nèi)外照片場景不連貫，對于調(diào)查為設(shè)施農(nóng)用地的圖斑，要求拍攝內(nèi)部照片，由于室內(nèi)GPS信號極差，無法確定拍攝的室內(nèi)照片為本圖斑所需照片，給舉證工作帶來了極大的不便。

針對以上問題，本文將利用“多源三維模型融合技術(shù)”將無人機(jī)拍攝的傾斜模型數(shù)據(jù)與車載或背包獲取的街道乃至室內(nèi)的模型數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，配合高精度控制點(diǎn)進(jìn)行定位，制作全場景，空地一體，室內(nèi)外兼有的三維模型。在此模型上開展外業(yè)核查和舉證工作，進(jìn)一步提高核查的準(zhǔn)確性、權(quán)威性，同時大大提高核查的工作效率。利用該技術(shù)，豐富外業(yè)核查方式、更好地服務(wù)于第三次國土調(diào)查。

1? ? 多源三維模型融合技術(shù)

1.1 多源三維模型融合技術(shù)概述

利用多源三維模型融合技術(shù)，將傾斜攝影技術(shù)建立的不同尺度的三維模型進(jìn)行融合。解決了城市級別三維模型與街道級別三維模型、室內(nèi)三維模型與室外三維模型融合的技術(shù)難題，實(shí)現(xiàn)了宏觀三維模型與微觀三維模型的融合。

傾斜攝影三維模型構(gòu)建技術(shù)目前發(fā)展已經(jīng)非常成熟[2]，在建立城市級別三維模型中其具有高真實(shí)性、全要素的優(yōu)勢，但是利用傾斜攝影測量技術(shù)還存在很多不足之處，利用無人機(jī)平臺搭載傾斜相機(jī)開展城市三維模型建設(shè)，模型成果可以很好的還原現(xiàn)實(shí)場景，但是，當(dāng)模型放大后會發(fā)現(xiàn)，在近地面細(xì)節(jié)上出現(xiàn)大面積的數(shù)據(jù)細(xì)節(jié)失真和紋理模糊。

為了彌補(bǔ)近地面細(xì)節(jié)缺失的問題，可以利用同樣的原理，將傾斜相機(jī)搭載在車載或背包平臺上，開展街道及城市局部三維模型建設(shè)。但是由于無人機(jī)平臺和地面車載、背包平臺相對于城市建筑來講，高度和角度相差巨大，且車載和背包平臺GPS信號差，兩種方案生成的三維模型無法進(jìn)行自動融合;同樣，室內(nèi)視角和室外視角建立的三維模型更是無法自動進(jìn)行融合。為了突破這一技術(shù)瓶頸，多源三維模型融合技術(shù)應(yīng)用而生。

1.2? 多源三維模型融合技術(shù)原理

數(shù)據(jù)融合生產(chǎn)主要流程包括數(shù)據(jù)采集、生產(chǎn)傾斜攝影模型、生產(chǎn)街道與室內(nèi)三維模型、模型融合與生產(chǎn)三個步驟。傾斜攝影模型的生產(chǎn)過程按照現(xiàn)有的傾斜攝影數(shù)據(jù)生產(chǎn)方式進(jìn)行生產(chǎn)[3]。街道與室內(nèi)三維模型生產(chǎn)的過程中，需要從傾斜攝影的模型中選取控制點(diǎn)，從街道模型中選擇連接點(diǎn)，并將絕對定向后的自動連接點(diǎn)與傾斜模型進(jìn)行疊加，檢查模型匹配情況。在融合與生產(chǎn)階段，將多源空三成果進(jìn)行融合，最終生成融合的三維模型。生產(chǎn)流程如圖1。

1.2.1? 街道、室內(nèi)三維模型絕對定向

在此流程中，街道、室內(nèi)三維模型絕對定向至關(guān)重要。街道、室內(nèi)無法采集地面控制點(diǎn)，無法依據(jù)地面控制點(diǎn)實(shí)現(xiàn)三維模型的絕對定向，在此，需要從傾斜模型、街道與室內(nèi)模型中提取同名點(diǎn)，傾斜攝影模型中的同名點(diǎn)坐標(biāo)作為街道與室內(nèi)模型的控制點(diǎn)，利用三維建模軟件對街道與室內(nèi)模型進(jìn)行空三計(jì)算，實(shí)現(xiàn)街道與室內(nèi)模型的絕對定向。

1.2.2? 絕對定向后的自動連接點(diǎn)與傾斜模型疊加顯示

利用三維GIS軟件，將絕對定向后的自動連接點(diǎn)與生成好的傾斜模型添加到同一個場景中進(jìn)行疊加顯示，檢查兩者的匹配效果。從圖3中可以直觀的看出控制的成果的質(zhì)量，圖2顯示的連接點(diǎn)與模型有很大的偏差，圖3則明顯貼合的很好。如果質(zhì)量不好，需要重新調(diào)整控制點(diǎn)和連接點(diǎn)，生成符合質(zhì)量要求的成果。

1.2.3? 融合并生成三維模型

前兩個關(guān)鍵步驟完成后，借助成熟的三維模型生成軟件，例如Context capture Master，將傾斜攝影三維模型的空三成果與街道、室內(nèi)三維模型的空三成果進(jìn)行合并，重新提交模型生產(chǎn)，即可生產(chǎn)出融合后的三維模型。

1.3? 多源三維模型融合技術(shù)優(yōu)勢

1.3.1 可以實(shí)現(xiàn)任意維度三維模型融合

利用多源三維模型融合技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)載三維模型與車載三維模型融合，也可以實(shí)現(xiàn)室內(nèi)三維模型與室外三維模型融合，還可以實(shí)現(xiàn)大場景三維模型與獨(dú)立物品三維模型融合。本技術(shù)可以解決傾斜攝影模型在近地面上出現(xiàn)細(xì)節(jié)失真和紋理模糊的難題、解決大場景三維模型只有室外沒有室內(nèi)的問題。

1.3.2? 融合三維模型成果格式統(tǒng)一

車載點(diǎn)云和街景影像雖然獲取了大量的地面細(xì)節(jié)信息[7]，但是，由于模型格式和傾斜攝影模型格式不統(tǒng)一，需要分別查看瀏覽使用體驗(yàn)很差。本技術(shù)設(shè)計(jì)了車載和背包取景設(shè)備，開發(fā)了多源三維模型融合輔助軟件，解決了不同角度，不同高度，不同場景獲取三維模型格式不統(tǒng)一的問題。

1.3.3? 減少三調(diào)外業(yè)工作量

傾斜攝影模型可以將現(xiàn)實(shí)場景復(fù)制到電腦中，技術(shù)人員在三維模型上進(jìn)行外業(yè)核查，免除了實(shí)地調(diào)查的工作量，同時也避免了因人為原因造成二次外業(yè)舉證的工作量。

1.3.4 使城鎮(zhèn)村內(nèi)部土地利用細(xì)化調(diào)查更高效、更準(zhǔn)確

在三調(diào)外業(yè)核查工作中，利用GPS定位、平板陀螺儀定姿的方式確保舉證照片的合法性和有效性。但是，實(shí)際工作中發(fā)現(xiàn)，在城鎮(zhèn)村內(nèi)部，由于房屋遮擋，導(dǎo)致GPS信號不穩(wěn)定，出現(xiàn)位置定位不準(zhǔn)確的情況。且照片的拍攝位置信息，不能作為圖斑邊界的定位數(shù)據(jù)。

利用多源三維模型融合技術(shù)開展城鎮(zhèn)村內(nèi)部土地利用細(xì)化調(diào)查，模型絕對精度可達(dá)到厘米、相對定位可達(dá)到毫米級。完全滿足三調(diào)城鎮(zhèn)村內(nèi)部土地利用細(xì)化調(diào)查[9][10]。且可以同時包含室內(nèi)室外場景，對于設(shè)施農(nóng)用地，需要內(nèi)部照片的舉證圖斑，可以進(jìn)行室內(nèi)場景建模，舉證更有效。圖4為多源三維模型融合示例，分別從天空、路面乃至室內(nèi)三個角度展現(xiàn)了多源三維模型的優(yōu)勢。

1.3.5? 成果可重復(fù)利用

由于模型精度完全滿足1：500地形圖精度要求，本數(shù)據(jù)成果可以用于開展地籍調(diào)查等項(xiàng)目中，綜合成本更低[8]。

2? 多源三維模型融合技術(shù)應(yīng)用于三調(diào)城鎮(zhèn)村內(nèi)部土地利用細(xì)化調(diào)查實(shí)施方案

本實(shí)施方案是在原有的三調(diào)城鎮(zhèn)村內(nèi)部土地利用細(xì)化調(diào)查實(shí)施方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。第一步調(diào)查底圖制作和第三步城鄉(xiāng)土地利用現(xiàn)狀圖斑銜接不變[1]。調(diào)整第二步城鎮(zhèn)村內(nèi)部土地利用現(xiàn)狀地類圖斑調(diào)查。將多源三維模型融合技術(shù)應(yīng)用于三調(diào)城鎮(zhèn)村內(nèi)部土地利用細(xì)化調(diào)查工作中，將細(xì)化調(diào)查過程中的外業(yè)核查工作轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)業(yè)模型判讀。

2.1? 提取需要外業(yè)核查圖斑

城鎮(zhèn)村調(diào)查范圍由省三調(diào)辦統(tǒng)一依據(jù)正射影像，結(jié)合最新年度土地變更調(diào)查數(shù)據(jù)庫及相關(guān)國土管理資料，對初始庫中的城鎮(zhèn)村調(diào)查范圍界線預(yù)判結(jié)果進(jìn)行核實(shí)確認(rèn)和補(bǔ)充調(diào)查，對范圍和標(biāo)注信息與實(shí)際不符的進(jìn)行修改與標(biāo)注，確定城鎮(zhèn)村需要外業(yè)核查圖斑，標(biāo)注需要高精度室外模型以及需要室內(nèi)模型的圖斑。在已有工作底圖的基礎(chǔ)上，根據(jù)城鎮(zhèn)村范圍線，以及需要外業(yè)核查的圖斑，確定三維模型生產(chǎn)范圍以及需要高精度室內(nèi)外建模的范圍。如圖6所示圖中的設(shè)施農(nóng)用地是需要進(jìn)行室內(nèi)外統(tǒng)一建模的地塊，紅線范圍是需要傾斜攝影三維建模的范圍。

2.2? 生產(chǎn)融合三維模型

根據(jù)三維模型生產(chǎn)范圍線以及需要高精度室內(nèi)外建模的范圍線，開展傾斜攝影模型數(shù)據(jù)采集、街道、室內(nèi)三維模型數(shù)據(jù)采集，采集完成后進(jìn)行多源三維模型融合數(shù)據(jù)生產(chǎn)。

2.3 提取城鎮(zhèn)村內(nèi)部土地利用細(xì)化調(diào)查圖斑信息

將生產(chǎn)的三維模型用于城鎮(zhèn)村內(nèi)部土地利用細(xì)化調(diào)查底圖，從模型中提取所需信息，繼續(xù)開展土地利用現(xiàn)狀地類圖斑調(diào)查，修正城鎮(zhèn)村土地利用現(xiàn)狀圖斑邊界和地類屬性等內(nèi)容，最終確保城鎮(zhèn)村莊土地利用現(xiàn)狀圖斑的準(zhǔn)確性。

多源三維模型融合技術(shù)應(yīng)用于三調(diào)城鎮(zhèn)村內(nèi)部土地利用細(xì)化調(diào)查技術(shù)流程如圖5所示。

2.4 多源三維模型融合技術(shù)解決的問題

在調(diào)整后的方案中，利用帶RTK的無人機(jī)開展三維模型數(shù)據(jù)采集，重建后的三維模型定位精度可以達(dá)到厘米級別，與平板GPS單點(diǎn)定位相比，定位精度將有極大的提升，足以滿足城鎮(zhèn)村內(nèi)部對定位精度的要求。將室內(nèi)外場景融合后的三維模型應(yīng)用于圖斑舉證，與不連續(xù)的室內(nèi)外舉證照片相比，更具有權(quán)威性，有效避免掛接到不正確的室內(nèi)舉證照片。外業(yè)核查工作由室外轉(zhuǎn)變到了室內(nèi)，減輕了技術(shù)人員的工作量，提高了核查工作效率。且三維模型精度完全滿足1：500地形圖精度要求，成果還可以應(yīng)用與地籍調(diào)查等項(xiàng)目，綜合成本更低。

3? ? 結(jié)束語

多源三維模型融合技術(shù)在三調(diào)城鎮(zhèn)村內(nèi)部土地利用細(xì)化調(diào)查是一種新的三調(diào)外業(yè)核查方式。將真實(shí)三維世界復(fù)刻到計(jì)算機(jī)中，技術(shù)人員在融合后的三維模型上進(jìn)行外業(yè)核查，免除了實(shí)地調(diào)查的工作量。技術(shù)人員可以更專注于本職工作，極大地提高了外業(yè)核查的工作效率。三維模型覆蓋了圖斑的全貌，同時避免了拍照舉證拍攝角度的局限性，外業(yè)核查成果更準(zhǔn)確，更權(quán)威。同時創(chuàng)新三調(diào)成果的應(yīng)用模式。模型精度絕對精度可達(dá)到厘米、相對定位可達(dá)到毫米級。完全滿足三調(diào)城鎮(zhèn)村內(nèi)部土地利用細(xì)化調(diào)查。模型成果還可以用于城鎮(zhèn)村相關(guān)調(diào)查，減少了多次外業(yè)調(diào)查的工作量。多源三維模型融合技術(shù)也存在一些不足，三維模型數(shù)據(jù)采集、融合、重建過程中，需要大量的人力資源與計(jì)算機(jī)資源，阻礙了本技術(shù)在三調(diào)城鎮(zhèn)村內(nèi)部土地利用細(xì)化調(diào)查中的應(yīng)用，未來需要在三維模型生產(chǎn)效率方面進(jìn)一步研究，降低三維模型生產(chǎn)成本，在今后相關(guān)項(xiàng)目中發(fā)揮更大的作用。

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