實景三維模型的建設技術與應用

樂黎明，覃雪梅，王 祥，王力斌，賈小霞，周 威

（1.武漢追月信息技術有限公司，湖北 武漢 430051；2.武漢市測繪研究院，湖北 武漢 430022）

1 實景三維的研究背景

面對不斷變化的內外部環境和百年未有之大變局，新時代下的測繪行業面臨著新挑戰、新機遇。黨的十八大以來，習近平總書記多次考察信息化建設情況，強調要加快建設數字中國。黨的十九大報告明確提出，建設數字中國，以更好服務我國經濟社會發展和人民生活改善。2015年國務院批復同意的《全國基礎測繪中長期規劃綱要（2015-2030年）》指出，要加快推進新型基礎測繪體系建設，不斷提升基礎測繪保障服務能力和水平。2019年印發的《自然資源部信息化建設總體方案》中提出，推進三維實景數據庫建設。2020年全國國土測繪工作會議提出新時期測繪工作“兩服務、兩支撐”的根本定位，明確要求大力推動新型基礎測繪體系建設，構建實景三維中國。2021年自然資源部印發的《自然資源三維立體時空數據庫建設總體方案》要求，切實履行自然資源統一調查監測職責，加強自然資源調查評價監測工作。站在服務國家發展大局和支撐人類命運共同體建設的高度，推動實景三維建設是落實數字經濟戰略的重要舉措，是實現國家新型基礎設施建設的具體部署，是推動傳統基礎測繪轉型升級的關鍵環節，是推進新型基礎測繪的生動表達，在城鄉規劃建設、統籌管理和經濟社會發展中起到了舉足輕重的作用。因此，實景三維建設是大勢所趨、勢在必行。

2 實景三維的定義內涵

實景三維是對人類生產、生活和生態空間進行真實、立體、時序化反映和表達的數字虛擬空間，是室內外、地上下、水陸域等各類地物具有精準三維幾何信息、豐富語義屬性、準確空間關系和按需多細節表達的空間數據集，是新型基礎測繪標準化產品，是國家新基建的重要組成部分，為經濟社會發展和各部門信息化提供了統一的空間基底。實景三維是客觀真實反映現實世界的三維模型，具有真實、現實和景觀可視的特點，是單體化、實體化、結構化、語義化、支持人機兼容理解和物聯實時感知的基礎地理實體（圖1），是可空間量算和綜合分析的三維模型[1]。按照建設層級和表達內容，通常分為地形級、城市級和部件級。

圖1 實景三維的特點

3 實景三維的主要技術流程

實景三維的技術流程主要包括無人機傾斜攝影、傾斜三維自動化建模、傾斜三維單體化、傾斜三維模型發布與應用。首先需要利用無人機搭載多視角相機獲取地面影像，即傾斜攝影影像；再通過傾斜攝影三維建模系統，將影像恢復成實景三維模型[2]；然后將模型進行單體化；最后通過GIS平臺將三維模型發布出來，并基于三維模型進行各種分析和應用。具體作業流程如圖2所示。

圖2 實景三維技術流程圖

4 實景三維的關鍵技術支撐

實景三維技術支撐主要依賴于硬件和軟件技術的發展。隨著智能制造、北斗全球定位系統的組網、高精度地基增強系統的完善等硬件技術以及人工智能、計算機視覺、大數據、云計算等信息技術的發展，共同構成了實景三維的關鍵技術支撐。

4.1 硬件平臺技術

在硬件方面，有3項技術至關重要：①無人機制造技術，經過多年發展，以大疆為代表的成熟的工業級無人機生產制造技術保障了無人機的安全可靠與持續飛行能力，使廣大用戶能放心使用無人機，并具備一定的生產能力；②工業級五鏡頭傾斜攝影相機系統的生產與制造能力，實景三維最重要的數據源為傾斜影像，分辨率更高、色彩更逼真的傾斜影像保障了實景三維模型的精細度；③覆蓋全國的地基增強衛星定位服務系統，能為無人機和傾斜影像提供精確的位置信息，不僅可實時監控無人機位置，保障飛行安全，而且具備高精度位置信息的傾斜影像也能提高實景三維模型制作的精度和效率[3]。目前，無人機傾斜攝影系統數據的獲取效率（采集分辨率為2 cm以內且適用于精細三維模型制作的傾斜影像）可達到2 km2/d/架。

4.2 軟件平臺技術

軟件平臺技術包括傾斜攝影三維建模軟件、傾斜攝影三維模型單體化軟件以及傾斜攝影三維模型快速發布與應用平臺。傾斜攝影三維建模軟件是數據處理的關鍵環節，長期以來該環節被國外軟件廠商壟斷。近年來國產傾斜攝影三維建模軟件陸續研發成功，其效果和效率均可達到國際廠商的水平。隨著人工智能、大數據、云計算等技術的應用，當前的傾斜攝影三維建模系統可支持12臺每天面積2 km2的臺集群全自動實景三維模型的規模化制作。傾斜攝影三維模型單體化軟件解決了三維模型從看到實用的關鍵問題，使三維模型具有更高的觀賞價值和實用價值。傾斜攝影三維模型快速發布與應用平臺最核心的能力是數據的承載量。對于小范圍數據，一般廠商可實現數據發布并能達到良好的分析應用功能；然而實景三維模型的應用，從誕生起就注定是一個大數據平臺，需承載海量的三維模型、視頻流等物聯網數據。現有的實景三維模型快速發布平臺可支持超過20 TB實景三維場景數據的在線瀏覽，能滿足城市級別實景三維模型的發布與應用。

5 實景三維在自然資源管理中的應用

實景三維技術深度融合人工智能、大數據、物聯網、區塊鏈、5G通信等新技術，是黨中央、國務院要求大力發展“產業數字化、數字產業化”、“統籌新型基礎設施建設”，推動測繪產業面向新需求快速轉型的催化劑；是城市精細化治理和應急管理面臨巨大挑戰的壓艙石；是新時期自然資源管理、生態文明建設、智慧城市建設、城市更新和精細化治理的指揮棒[4-5]。由此可見，實景三維的應用已滲透自然資源管理和社會經濟建設的各個方面。

5.1 自然資源調查、利用與管理

黨的十八以來，習近平總書記從生態文明建設的整體視野提出“山水林田湖草是生命共同體”的論斷，而實現實景三維則可全方位、全地域、全過程開展自然資源管理和生態文明建設。廣東省自然資源廳發布的《關于加強三維基礎地理信息數據建設的通知》提出，整合基礎地理信息數據資源，建設并持續更新三維基礎地理信息數據，形成基于三維空間的自然資源數據一體化展示和分析能力。利用三維基礎地理信息數據疊加山、水、林、田、湖、草等各類已有數據庫信息，并與實景三維進行比對和修改，完善各類自然資源統計信息，實現無需到野外實地即可完成自然資源的調查與利用。

摸清家底是實現自然資源資產化管理的重要一步，只有把握現在的數據與趨勢，才能決策未來的目標與方向。自然資源的管理主要依托實景三維發布平臺，通過系統門戶了解資源的概括情況，包括各類自然資源的數量情況、自然資源類別的分布情況、自然資源與空間管制的情況等。通過對數據的集中管理，方便一體化展示各類自然資源信息[6]。

5.2 國土空間規劃

多規合一是為了順應新時期新形勢下的城市規劃，綜合多部門資源和需求著力推行的新專項工程。該專項開展4年來，探索了很多先進規劃方案，如廈門市利用高精度三維模型構建房屋、市政設施的BIM體系，引入物聯網和人工智能技術，將規劃、國土、住建、環保的部分標準、參數、部件、需求統一到同一系統下，兼顧未來可持續的方針，進行全市頂層設計。2016年莫拉蒂臺風給廈門造成嚴重危害后，利用全要素化的社會資源，一天之內所有垃圾清理、水電維護、設備搶修都在中樞系統安排下有條不紊地完成了災后重建。精確真實的城市三維數據是未來城市精細化管理和高質量發展的基石。

地下管線是一座城市的“生命線”。利用三維GIS對整個城市的三維立體空間進行統一描述，并充分準確地集成表達地下的地質、管線、構筑物以及地上的土地、交通、建筑、植被等，形成與現實世界一致的三維立體空間框架。在單體建筑方面，利用三維城市規劃系統，在仿真城市場景中實時互動評估與分析規劃方案，為規劃管理者提供更直觀與科學的依據。結合歷史和規劃數據，可瀏覽整個城市的演變歷程和未來面貌，為空間規劃提供支撐。

5.3 三維礦體管理

自然資源是生態環境的命脈，利用三維的方式可為自然資源“把脈”。若沒有了高度，山會變成平原；若沒有了樹木，山也不會是金山銀山；若沒有地下空間，也不會看到金礦銀礦。自然資源在空間分布上不僅具有廣度，還具有深度。通過自然資源三維建設，實現從地面到地下，從整體到個體，直觀展示多層次、多維度、多元化的自然資源空間分布情況。全方位、立體、直觀的實景三維有效解決了三維礦體的管理難題。

5.4 不動產確權登記

不動產登記客體信息具備空間性質，第三維信息僅用樓層、高度、朝向等屬性內容來表述，未準確反映各地籍實體的空間位置與范圍，難以確定產權體空間位置的“唯一性”。利用建筑物三維表達客體的真實空間位置情況，利用三維樓盤表達不動產單元的抵押、查封等信息，再將樓盤表、分戶圖、屬性數據三者相結合，全方位還原不動產登記信息。

5.5 應急災害防治

2018年10月10日中央財經委員會第三次會議提出，大力提高我國自然災害防治能力，實施自然災害監測預警信息化工程。隨后，圍繞普適型地災監測設備研發、隱患調查、信息化建設等方面，自然資源部大力推進地質災害防治工作，我國地災防治市場也由此進入一個新階段。自然資源部部長陸昊在相關會議上強調，要綜合運用合成孔徑雷達測量、高分辨率衛星遙感、無人機遙感、機載激光雷達測量等多種新技術手段，搞清楚“隱患點在哪里”。

我國地形復雜、山高谷深、溝壑縱橫，地質條件復雜，易發生地質災害。根據高程數據三維地形建模成果，利用坡度分析功能可快速、全面、準確地找到地質災害風險點，為應急救災提供決策支撐。2020年面對突如其來的新冠肺炎疫情，實景三維助力智慧防疫，匯總全市各小區樓棟戶信息、集中辦公點數據以及醫療資源信息，并將醫院、方艙、社區的實時監控視頻與三維模型無縫融合，嚴格監測管控區域疫情發展情況，為統籌全民“戰疫”提供了技術支撐。2021年鄭州特大暴雨給人民群眾生命財產安全帶來了嚴重威脅，實景三維為開展災后救災提供了詳實的數據支撐。

5.6 城市規劃設計

在城市規劃設計方面，可利用日照分析、通視分析等三維分析功能，在虛擬三維空間中模擬現實環境，并對其進行設計，從而分析建筑的日照是否滿足要求，道路的通視是否合理等，做好精準合理的規劃[7]。通過傾斜攝影技術完成城市實景三維模型建設，全要素、真實地反映地物的外觀、位置、高度等屬性，能更加直觀地聯合多部門進行城市規劃和綜合決策。

6 結語

傾斜攝影測量、三維激光掃描等技術的迅猛發展給實景三維的信息采集奠定了堅實的數據獲取基礎，5G通信技術的逐漸普及給實景三維模型數據的在線瀏覽和應用提供了強大的技術支撐，大數據、云計算等技術給實景三維的海量信息搭建了可靠的數據平臺。未來的實景三維將會“飛入尋常百姓家”，讓社會大眾足不出戶即可沉浸式周游神州大地，滿足新時代自然資源“兩統一”職責履行和城市更新等各方面的新需求，推動基礎測繪服務能力和水平的大幅躍升。