實景三維模型質檢平臺技術開發研究

摘要：近年來，三維實景建模技術應用廣泛，推動了新型基礎測繪快速發展。為了進一步提高三維實景建模的質量與精度，對三維模型數據質量的成因、內容、影響因素進行了深入的研究，結合三維模型數據質量和設計規范相關標準制定檢查規則，并創建了三維模型數據質量檢查的規則庫，研究如何結合不同類型數據特點，通過三維模型質檢平臺軟件對三維地理信息模型數據產品進行相關的質量控制和精度分析。通過該實景三維模型質檢平臺技術，可以有效地提高三維實景建模的質量以及精度。

關鍵詞：三維模型質檢平臺；三維地理信息模型數據產品；自動精度檢查；質量評定

一、前言

2015年6月國務院批復同意的《全國基礎測繪中長期規劃綱要（2015-20230年）》中提出“到2030年新型基礎測繪體系全面建成”的要求。截至2022年3月，自然資源部已陸續設立了上海、武漢、西安、寧夏等10個省市作為“新型基礎測繪”國家級試點，其中上海試點已經于2020年9月完成城市級實景三維成果驗收，武漢試點也已完成預驗收，寧夏（地形級）、西安（城市級）等試點方案也已通過評審，進入實施階段。基礎測繪的轉型升級已經成為各省地理信息產業人員需迫切面對的重大課題。

三維地理信息模型數據產品作為生產建設地理實體的前置，也是建設實景三維及新型基礎測繪的組成部分。相比目前已經成熟的影像、矢量等數據成果的質檢，三維模型的質檢處于尚需完善階段，在實際生產中缺少能夠對三維模型成果進行較全面、高水平、自動化質檢的平臺軟件。

二、研究前景

對三維模型數據質量的成因、內容、影響因素進行了深入的研究，結合三維模型數據質量和設計規范相關標準制定檢查規則，并創建了三維模型數據質量檢查的規則庫，結合不同類型數據特點實現相應的檢查算法。通過試驗探索研究適合實景三維模型質檢的質檢方案和質檢軟件平臺的開發研究，并建立一套完整的三維模型質量評價標準體系。

該軟件平臺應具備以下特點：

（一）抽樣人員選定抽樣范圍后，質檢軟件根據抽樣范圍提取抽檢樣本數據；

（二）質檢軟件應盡量提高自動化檢查水平，如實現模型精度檢查、幾何檢查等方面的自動化檢查；

（三）該平臺具有兼容所有符合國家標準的成果數據格式類型，同時質檢軟件的質檢標簽記錄也應能夠正確導入生產單位的軟件中；

（四）具備單機質檢和網絡質檢兩種模式。

項目完成后，對三維模型質檢與評價產生積極影響。

三、軟硬件工作環境與特點

（一）軟硬件環境

為滿足大數據量的三維模型成果數據的質檢驗收需求，三維模型的質檢軟件需安裝在具備強大的數據吞吐與并行計算能力，多核心CPU與通用計算圖形處理器的工作站中。推薦軟硬件環境如表1。

（二）軟件兼容性

“三維模型質檢軟件”在系統開發設計時，考慮兼容符合國家規定的各類數據成果格式，保證軟件的普適性。

（三）關鍵技術

三維模型質檢應基于國家已經發布的標準、規程、規定、大綱等技術文件，實現對符合技術設計的三維Mesh模型、單體化模型的質檢（后續簡稱為三維模型）。

1.三維模型質檢技術路線

根據抽樣范圍提取抽檢樣本數據；在有條件的情況下應盡量提高自動化檢查，避免人工檢查出現錯漏；成果應該是符合技術設計的格式，常見數據格式類型（如OSGB、OBJ、MAX等）。技術路線如圖1。

2.樣本抽查與提取

按照檢查與驗收規定，從同一技術設計書指導下生產的同級別、同規格成果數據組成的檢驗批中抽取不少于5%的樣本量進行詳查[1]。

抽樣人員根據影像與格網，隨機標記抽樣范圍后，質檢軟件應根據抽樣范圍提取抽檢樣本數據[2]。

3.自動化及人機交互檢查

為了提升質檢效率， 減少人機交互檢查工作量， 有條件的情況下應盡量通過質檢軟件或生產軟件的質檢功能進行自動化檢查。

通過提前導入基于進行mesh網格的特征學習和分類的數據庫，在人工質檢之前，提前使用質檢軟件的自動檢查功能完成：①部分模型精度檢查與幾何檢查工作； ②實現對懸浮物、孔洞邊界檢測；③多層三維數據檢測部分幾何問題的自動檢查。

（1）自動化精度檢查及幾何檢查

因三維模型數據體量較大，為滿足質檢需求，通過導入不同地物邊界作為約束條件，不同地物根據標準設定精度范圍，研究計算檢查點與Mesh模型或單體模型距離方法，統計分析檢查區域數據粗差率，判斷模型精度是否滿足要求[3]。

在三維模型生產過程中，由于設備或者原始數據原因，我們獲取的三維模型并不完整，通常存在水面、玻璃幕墻孔洞，空三斷層，懸浮物等各種問題，這類三維數據對后續模型分析會造成影響，通過研究懸浮物檢測、孔洞邊界檢測，多層三維數據檢測方法，實現對部分幾何問題的自動檢查，提高質檢效率[4]。

（2）人機交互檢查

根據具體項目的質檢需求，可參照國家標準規范和其他省份地方規范標準，使用標準化的質檢錯誤標簽，也可導入定制化調整過的質檢標簽，以此減少檢查過程中質檢人員的重復工作量。

標簽類別結合三維模型特性一般可分為：嚴重錯漏（A類問題，如坐標系統、高程系統或投影參數錯誤）、次嚴重的錯漏（B類問題，如重要地物平面精度、高程精度或模型間距等超限）、一般錯漏（C類問題，一般性的錯漏或與設計要求不一致）。

4.質檢成果

（1）質檢標簽

突破傳統“截圖式”報告質檢方式，質檢人員在檢查三維模型時采用質檢標簽對數據問題進行標記，質檢標簽記錄內容包括坐標、截圖、錯誤類型、質檢人員、記錄時間、標簽狀態等。質檢標簽可實現在作業端快速定位錯誤坐標及方位，修改完的標簽可流轉至質檢端進行復查工作。

質檢工作結束后，標簽可作為有效的回溯手段，可追溯至當前項目的質檢時間、人員等相關信息，為質檢溯源與質量責任到人提供支持。

該平臺質檢標簽可與不同生產軟件的質檢標簽相互兼容，既方便質檢站對生產單位的檢查數據進行直接定位核查，又利于生產單位對質檢站的質檢標簽進行核實改正。

（2）質檢記錄

質檢軟件可一鍵生成檢查記錄表，可自定義設定。檢查記錄表主要對質量檢查過程中發現的錯誤情況進行描述與統計，并可選擇對錯誤區域截圖、對具體的錯誤坐標進行記錄。

5.網絡環境下面向三維模型的質檢體系

為了提升大規模三維模型成果的質檢效率，方便質檢過程數據的流轉，減少生產和質檢人員的溝通成本，同時為了適應不同單位的質檢作業模式，利用分布式存儲和計算以及微服務技術，設計面向網絡環境下的質檢工藝。

通過采用圖形化的任務分配和監控，設計分級管理模塊，對不同級別用戶設置權限，在注冊賬號時給予區分，不同級別用戶進入系統后的顯示界面、內容不同，可有效對存在質檢爭議的區域進行多級審核；同時兼容對存量數據的解析，實現質檢總任務進度實時監控和全生命周期統計與分析，提高質檢資料集中管理與共享利用水平。對現有的三維模型質檢流程進行改造優化，達到質檢協同的目的，如圖2。

6.評價方法

依據《三維地理信息模型數據產品質量檢查規范》CH/T 9024-2014要求[5]，同批成果中應隨機抽取不小于任務區總面積5%的區域作為樣本進行詳查。三維地理信息模型數據產品質量元素：

①空間參考系；

②位置精度；

③表達精細度；

④邏輯一致性；

⑤屬性精度；

⑥時間精度；

⑦場景效果；

⑧附件質量。

最終整個任務區的評價水準與樣本整體機檢報錯量值（包含錯誤個數與等級）、樣本要素復雜程度（或要素個數）等均有一定關系，評價等級（優秀、良好、合格、不合格）應能較客觀地反映三維地理信息模型數據產品的整體質量。

四、結語

綜上所述，三維實景建模技術雖然得到了廣泛的應用，也發揮出了巨大的作用，但是其質量和精度控制仍然是當前的研究熱點，其同時也是影響后期測繪技術發展的重要因素。文中分析了三維模型數據質量的成因、內容以及影響因素，同時結合相關研究構建出了三維模型數據質量檢查的規則庫，并且設計出了實景三維模型質檢平臺技術，通過該技術能夠確保三維實景建模的質量以及精度，為三模實景建模技術的進一步推廣和應用提供了支持。

參考文獻

[1]中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.三維地理信息模型數據產品質量檢查與驗收 ：GB/T 18316-2008[S]. 北京 ：中國標準出版社 ，2008.

[2]陸元晶，張春敏，薛賽紅.關于常州市城市三維模型數據標準制定的探討[C]//江蘇省測繪學會，江蘇省測繪學會航測與遙感專業委員會.江蘇省測繪學會2011年學術年會論文集.《現代測繪》編輯部，2011：193-195.

[3]陳彥林，林源，鄧博文.三維模型質量檢查系統的研究與實踐[J].火箭推進，2018，44（02）：88-94.

[4]柴震.三維模型數據質量檢查技術研究[D].北京理工大學，2015.

[5]國家測繪地理信息局.三維地理信息模型數據產品質量檢查與驗收：CH/T 9024-2014[S].北京：測繪出版社，2015.