數字績溪地理空間框架建設三維實景建模分析

戴錫花

（安徽省第三測繪院，合肥230601）

1 引言

地理空間框架主要通過對資源分布、人口、礦產、土地、水系、交通、地貌、地形、城市設施以及行政區劃等信息進行全面采集，進而為民眾生活、企業電商、政府宏觀管理等提供有效的地理數據保障。傳統地理信息體系主要以二維地理數據處理為主，無法使用三維空間進行充分表達，無法滿足民眾對三維空間的分析與查詢需求。在信息技術快速發展的過程中，三維地理空間建模已成為地理數據系統的重要組成部分，可以有效促進城市建設發展，提升城市服務水平[1]。

2 3D地理空間模型構建關鍵問題

1）DEM，即數字高程模型。DEM 數據能夠形成3D 地理空間模型地形框架，建筑物模型以及DOM（數字高程模型）數據等均是在DEM 表面進行粘貼辨識。另外，對于立交橋、河流以及其他地貌復雜的圖像數據，常規DEM 數據在3D 地理空間情況表達方面準確性不夠，所以，應結合具體情況，科學修改DEM 數據。

2）確定模型層次和細節程度。人類視覺規律中，目標物越近，其清晰度也會越高，在視點不斷靠近的過程中，模型與紋理逼真程度也會不斷增加。然而，隨著模型與紋理逼真程度的不斷增加，數據量也會大幅度增加，所以，需要科學取舍與地物要素相關的外部特征，合理確定系統工作效率和真實效果的平衡點。要保證系統工作效率得到充分提升，應針對建筑物進行模型層次劃分。3D 地理空間模型劃分方法多種多樣，從整個場景的角度進行分析，細節層次能夠劃分為3 個；從目標個體角度分析，節點層次能夠劃分為7 種以上[1]。

3）場景模擬以及分析。健全的場景模擬功能在模型建設中具有重要地位，同時，也是保證3D 城市生命力的基礎內容。該功能需要以2D 分析功能為基礎，不斷進行拓展，實現物體體積、表面積與空間距離等數據的計算，建立光照分析等模型，并分析應急防暴、自然災害疏散等專題項目。

3 數據源與實景3D模型數據構建

3.1 數據源

數字績溪地理空間框架構建項目中，實景3D 模型數據的采集是關鍵內容，其能夠真實地呈現績溪縣的地理空間，為數字城市的發展提供良好的數據保障。3D 模型構建范圍主要以績溪縣城區為主，構建范圍面積為11.26 km2，利用SWDC-5航攝儀與B-8055 飛機按照航線前后左右以及正視方向進行攝像，絕對航高約為750 m，圖像數據地面分辨率比優于0.1 m。航線設計為39 條，總計獲得2 712 張圖像資料，下視鏡頭的航向與旁向重疊度始終保持在70%以上。因為我國對實景3D 模型并未制定明確的規范標準，因此，該項目主要在滿足績溪縣數字化建設需要的前提下對精度指標進行確定，高程及平面精度與最近控制點之間的誤差應在0.5 m 以內[2]。

3.2 3D模型構建

選擇傾斜測繪攝影、紋理映射、3D 紋理TIN 構建等技術，能夠進行全自動3D 模型構建。實景3D 模型構建總體工藝流程如圖1 所示。

圖1 實景3D模型構建總體工藝流程圖

1）布設像控點。目標影像需要具備良好的清晰性，便于判斷，例如，明顯的地物角點以及交角明顯的線狀地物交點。另外，像控點目標的高程變化情況應始終保持在規定范圍內，以保證測量與定位的準確性。另外，能夠長期保持相對固定的狀態。像片條件為控制點一般布設在航向旁向6 片或5 片重疊范圍內，盡量達到公用。選擇GPS-TTK 方法開展采集工作。績溪縣3D 地理空間的像控點數量設計為50 個。

2）空三加密。數據處理內容主要涵蓋提取平差點、處理平差點、建設3D 模型、轉換數據格式等。其中，處理平差點的目的主要是促使各個圖像數據能夠實現絕對定向，形成絕對位置，進而保證3D 建模工作能夠獲得絕對定向依據。在實際工作中，并不會直接將控制點數據引入，基于外方位保證條件下，開展自由網平差處理，確保各個視角圖像、相鄰圖像的連接關系更加緊密，進而確保測區數據絕對位置具有良好的精準度。

3）3D 建模。完成空三加密處理之后，能夠獲得數量充足的云數據，之后進行數據分割，以分割區塊中的密集點為基礎進行不規則三角網（TIN）構建的工作，同時，構建白模，即無紋理地理空間3D 模型。借助3D 建模軟件中紋理映射功能與算法，可以自動賦予所有模型三角面紋理。各個圖像的位置信息均非常精確，軟件能夠快速在大量圖像數據中選擇清晰度最高的紋理并在相應位置模型面進行粘貼，最后形成紋理非常真實的地理空間3D 模型[3]。

4 問題處理

1） 軟件使用。工作過程中使用CC 軟件（Context Capture）來完成3D 建模工作。在工作期間，由于工作需求，還使用了航天遠景軟件協助我們完成工作。在無約束空中三角測量（以下簡稱“無約束空三”）加密時，由于數據量較大，將測區分成7 塊完成，6 塊使用CC 軟件完成無約束空三，有一塊無法通過CC 軟件完成無約束空三，后來通過航天遠景軟件完成了這一塊的無約束空三。在生產過程中為了滿足模型修飾的需要，還使用了DP-Modeler 傾斜攝影建模、測量系統。

2）生成的模型主要存在以下問題：部分水面出現凹凸不平、空洞的情況；個別模型出現破碎車輛的情況；植被、路燈、垃圾桶、廣告牌等細小、結構單薄的物體，容易出現結構不完整，漂浮空中等現象。

根據生產過程中的需求，通過DP-Modeler 傾斜攝影建模、測量系統，實現三維模型局部幾何紋理的修改。通過obj、osgb 水面修飾工具、刪除漂浮物、建筑局部修飾等功能菜單解決遇見的問題[4]。

5 模型數據分析

模型數據分析主要是借助實測檢查點，并通過對系統相對位置相關模型數據點的采集，開展模型精度檢核工作，隨機選擇樣本區，數量為3 個，樣本區均對模型構建區域進行均勻覆蓋，各個樣本區隨機選擇20 多個單位，總計67 個檢查點。計算高程中誤差和平面中誤差，具體公式為：

高程中誤差計算：

式中，Δxi、Δyi、Δhi為對應監測點圖面坐標與檢測坐標分別在Ⅹ，Y，Z 三個方向上的差值；n 為監測點個數，n=67。

結合上述公式進行計算，最終得出：Mh=0.19 m，Ms=0.39 m，均在0.5 m 以內，符合項目設計要求。通過精度檢測分析，實景三維模型一般情況下高程精度比傳統方法生產的模型更高，兩者的平面精度并無較大差異。

6 結語

綜上所述，通過建立數字績溪地理空間框架3D 模型，實現了通過利用無人機傾斜攝影、計算機技術等先進技術實景展現當地地貌特征與地物特征，促進地理信息數據共享發展，從而使相關用戶能夠產生身臨其境的感受。3D 數字城市項目屬于高新技術，借助3D 建模技術能夠有效構建建筑物、地形等綜合模型，將數字城市的價值充分發揮出來。