內蒙古自治區自然資源調查監測高精度實景三維建設方法與實踐

李德重,姚 娜,薛永軍,熊文豪,王龍秀

(1. 內蒙古自治區自然資源廳,內蒙古 呼和浩特 010020; 2. 北京飛馬航遙科技有限公司,北京 100192;3. 內蒙古自治區測繪地理信息中心,內蒙古 呼和浩特 010000)

2020年1月,自然資源部印發《自然資源調查監測體系構建總體方案》,明確自然資源調查監測工作任務涉及調查我國自然資源狀況,包括種類、數量、質量、空間分布等,建成自然資源日常管理所需的“一張底版、一套數據和一個平臺”等[1]。2021年全國自然資源工作電視電話會議要求“加快建設實景三維中國、自然資源一張底圖”。2021年2月印發的《自然資源三維立體時空數據庫建設總體方案》明確實現自然資源調查監測數據成果的立體化統一管理,形成自然資源調查監測一張底版、一套數據,保障國土空間基礎信息平臺良好運行,服務“兩統一”職責履行,也滿足相關部門科學決策和社會公眾對自然資源基礎數據的需要[2]。

“一張底版、一套數據、一個平臺”是自然資源調查監測體系的技術框架、數據支撐和時空載體,而實景三維“以地理實體為視角和對象”,既是統一的三維空間定位框架和分析基礎,也是時空大數據云平臺的數據基礎。

內蒙古自治區(簡稱“內蒙古”)基于自然資源調查監測體系構架,研究了一套以高精度實景三維為統一三維空間框架和技術框架,對各類自然資源信息進行分層分類和統一組織的自然資源立體時空模型建設方法,以滿足自然資源信息的可視化快速訪問、準確統計和分析應用,服務自然資源精細化綜合管理。

本文圍繞內蒙古自然資源調查監測高精度實景三維建設與實踐,闡述自然資源、調查監測、實景三維的內涵與分類,介紹內蒙古的總體布局和建設方法,重點論述技術路線、生產指標、實踐結果及應用前景。

1 相關定義、分級與精度

1.1 自然資源與調查監測

自然資源是指天然存在、有使用價值、可提高人類當前和未來福利的自然環境因素的總和,涉及土地、礦產、森林、草原、水、濕地、海域海島等,涵蓋陸地和海洋、地上和地下[1]。調查監測是指調查我國自然資源狀況,包括種類、數量、質量、空間分布等監測自然資源動態變化情況。

1.2 實景三維

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,是新型基礎測繪標準化產品,是國家新型基礎設施建設的重要組成部分,為經濟社會發展和各部門信息化提供統一的空間基底[3-4]。

按照表達內容和層級分類,實景三維建設通常分為地形級、城市級、部件級[5]。其中,地形級和城市級實景三維建設被納入新型基礎測繪建設任務,更具有基礎性、公益性;部件級不屬于國家基礎測繪的任務,更側重滿足個性化需求。本文指可用于自然資源調查監測表達的地形級和城市級實景三維。

(1)地形級實景三維。地形級實景三維服務宏觀尺度的三維可視化與空間量算,通過構建地形級地理場景、基礎地理實體,獲取其他實體、物聯感知數據,組裝生成地形級實景三維產品。地形級實景三維的主流表達形式有數字高程模型(DEM)、數字表面模型(DSM)、數字正射影像(DOM)、真正射影像(TDOM)或DEM/DSM疊加融合DOM/TDOM、實時感知數據[5-6],幾何精度為米級。

(2)城市級實景三維。城市級實景三維服務中觀尺度(區域)精細化管理的精細化表達與空間統計分析,通過構建城市級地理場景、基礎地理實體,獲取其他實體、物聯感知數據,組裝生成城市級實景三維產品。城市級實景三維的主流表達形式有傾斜攝影三維模型[3]、點云模型與紋理疊加、單體化模型數據、實時感知數據[5],幾何精度不低于0.2 m,城市建成區及其他重點區域不低于0.05 m[6]。

2 研究區與方法

2.1 研究區概況

內蒙古位于我國北部邊疆,由東北向西南斜伸,呈狹長形。東西相隔超2400 km,南北縱橫1700 km,行政區總面積為118.3萬 km2,占全國土地面積的12.3%,居全國第3位。地貌以蒙古高原為主體,具有復雜多樣的形態:除東南部外,基本是高原,由呼倫貝爾、錫林郭勒、巴彥淖爾—阿拉善及鄂爾多斯等高平原組成,平均海拔1000 m左右,海拔最高點賀蘭山主峰3556 m;高原四周分布著大興安嶺、陰山、賀蘭山等山脈,構成內蒙古高原地貌的脊梁;高原西端分布有巴丹吉林、騰格里、烏蘭布和、庫布其、毛烏素等沙漠。全區高原面積占總面積的53.4%,山地占 20.9%,丘陵占16.4%,沙漠占12.7%,河流、湖泊、水庫等水面面積占0.8%。現設9個地級市,3個盟,共103個旗縣(市、區)。

2.2 高精度實景三維建設方法

充分考慮內蒙古自然資源調查監測對高精度實景三維的需求,結合地形地貌特征、區域經濟格局和構建高質量國土空間體系目標,統籌面積、成本、周期,建設分層、分級、分精度的實景三維最為適宜。其中,地形級實景三維地理場景最合適經濟的生產方式是DOM/TDOM+DEM/DSM建模,可以充分利用現有基礎測繪數據,同時數據獲取方法簡單快捷、現勢性高,三維建模計算量小、效率高[7],適合處在山地的林區、高原的牧區及沙漠地帶;亦可以基于常規航攝與數字高程模型疊加的實景三維構建[8],適合處在平原的農業集中地帶;城市級實景三維常基于傾斜攝影實景三維構建[7-10],適合城鎮村的建成區范圍。

立足內蒙古自然資源調查監測數據底版建設的客觀實際,依據行政區界線,確定了內蒙古實景三維的總體布局與建設思路(如圖1所示)。

圖1 分層、分級、分精度實景三維

(1)針對盟市和旗縣所在地等(2933 km2),基于無人機傾斜攝影,獲取下視地面分辨率優于0.03 m的傾斜攝影數據,制作完成城市級實景三維。

(2) 針對農區、半農半牧區和城鎮地區等(約20萬 km2),基于有人機航空攝影獲取地面分辨率優于0.2 m的航空攝影影像及點云密度優于2點/m2的激光點云數據,制作完成地形級實景三維。

(3) 針對內蒙古全區(約118萬km2),基于亞米級國產高分辨率衛星影像與基礎測繪DEM/DOM成果生產0.8 m分辨率DOM與5 m格網DEM,制作完成地形級實景三維。

2.3 已有數據源

地形級實景三維涉及的數據源包括衛星影像數據、基礎測繪成果、基礎控制數據和其他資料。

(1)衛星影像數據是生產數字正射影像、制作地形級實景三維的重要數據源。本文采用國產亞米級高分辨率衛星遙感數據,包括高分二號(GF-2)、高分七號(GF-7)、吉林一號(JL1),主要參數見表1。

表1 高分辨率衛星影像數據主要參數

(2)基礎測繪成果是生產0.8 m分辨率DOM與5 m格網DEM的數據源,其分類及數學基礎見表2。

表2 基礎測繪成果分類及其數學基礎

(3)基礎控制數據用于檢核衛星像片控制測量的平面與高程精度、統一全區實景三維成果(如圖1所示)數學基礎,包括平面、高程控制資料(GPS B級網),似大地水準面資料(分辨率2′×2′),NMGCORS資料。

3 技術路線與指標設計

3.1 基于衛星影像制作地形級實景三維

收集測區內1∶10 000比例尺基礎測繪覆蓋范圍的控制成果、DOM和DEM成果、國家下發的10 m格網DEM成果等資料。對非1∶10 000比例尺基礎測繪覆蓋區域進行外業像控點測量,1∶10 000比例尺基礎測繪覆蓋區域制作外業檢查點。

(1)以GF-2、GF-7和JL1等高分辨率衛星影像為數據源,采用數字航天攝影測量技術制作0.8 m分辨率縣域分幅DOM。①針對1∶10 000比例尺DOM/DEM覆蓋區域,若屬大范圍無漏洞影像覆蓋區域,則采用區域網平差[11]進行控制和定向處理;若屬漏洞區域或原始RPC參數異常,則結合區域內實際影像覆蓋和基礎控制資料進行單景衛星影像糾正。②針對非1∶10 000比例尺DOM/DEM覆蓋區域,采用外業像控點進行區域網平差,進一步利用高精度檢查點對定向精度或DOM精度進行檢查。

(2)整合1∶10 000比例尺基礎測繪DEM成果和國家下發10 m格網DEM成果,制作縣域分幅DEM成果。①針對1∶10 000比例尺DEM覆蓋區域,以該DEM作為整合數據源。②針對非1∶10 000比例尺DEM覆蓋區域,以國家下發10 m格網DEM數據為整合數據源。DEM整合技術流程如圖2所示。

圖2 DEM整合技術流程

基于衛星影像制作地形級實景三維所需的平高像控點精度指標為:外業像控點平面位置中誤差相對于鄰近基礎控制點不應大于1 m;高程中誤差相對鄰近基礎控制點不應超過基本等高距的1/10[12]。

DOM精度指標見表3。DEM經圖2整合技術流程后,重采樣格網間距至5 m。

表3 衛星影像制作數字正射影像精度指標 m

3.2 基于航空攝影制作地形級實景三維

針對農區、半農半牧區和城鎮地區,采用效率與成本兼顧的數字航空攝影與激光雷達掃描技術,同步獲取地面分辨率優于0.2 m的正射影像與密度優于2個/m2的激光點云,生產DSM、DEM、DOM,制作高精度地形級實景三維地理場景數據,主要技術流程如圖3所示。

圖3 航空攝影制作地形級實景三維技術流程

基于航空攝影制作地形級實景三維的主要精度指標見表4。

表4 地形級實景三維成果精度指標 m

3.3 基于無人機傾斜攝影制作城市級實景三維

針對盟市和旗縣所在地等范圍(平地/丘陵地地形),采用無人機傾斜航空攝影[13]獲取下視地面分辨率優于0.03 m的傾斜攝影數據,并制作高精度城市級實景三維模型,主要技術流程如圖4所示。

圖4 傾斜攝影制作城市級實景三維技術流程

針對像控敷設與測量,為統一項目實踐標準并保證成果精度,本文通過內蒙古多個試點的免像控與漸進加密像控測試驗證[14],推導得出:若下視影像優于0.03 m地面分辨率,則傾斜攝影三維模型平面與高程精度均可滿足優于5倍地面分辨率的像控點理論敷設數量。假設一個面積為N的測區(平地/丘陵地),其像控點數量跟隨測區面積N服從首項為4、公差為2、項數為N的等差數列,即該測區所需的最少像控點數量M滿足以下公式

M=4+(N-1)×2=2×(N+1)

(1)

如為達到平地/丘陵地測區傾斜攝影三維模型平面與高程中誤差優于0.15 m,則在實際生產中,每平方千米分布均勻的像控點數量不少于4個,且最大控制點間距不大于1000 m。

在此基礎上,統籌若干試點測區實際精度驗證結果[14-15],確定了內蒙古城市級實景三維成果精度指標,見表5。

表5 城市級實景三維成果精度指標 m

4 實踐結果

2021年在內蒙古興安盟、錫林郭勒盟完成了試點實施,驗證了技術路線和指標;2022年在內蒙古中西部、呼和浩特市和包頭市沿黃河地區、12個盟市以及縣級市所在地率先實施。實踐結果如下:

(1)基于無人機傾斜航空攝影制作的城市級實景三維,已獲取傾斜攝影三維模型面積1 455.32 km2,敷設像控點12 605個、平高檢查點7284個、建筑物高度檢查點1825個,相關成果平面中誤差優于0.04 m、高程中誤差優于0.05 m、建筑物高度中誤差優于0.05 m。

(2) 基于有人機航空攝影制作的地形級實景三維,已獲取地理實體面積30 310.92 km2,敷設像控點4286個、平面檢查點6158個、高程檢查點6451個、建筑物高度檢查點223個,相關成果平面中誤差優于0.15 m、高程中誤差優于0.13 m、建筑物高度中誤差優于0.12 m。

(3) 基于衛星遙感影像制作的地形級實景三維,已獲取地理實體面積599 252.04 km2,敷設像控點1606個、平面檢查點1205個,相關成果平面中誤差優于0.82 m(DEM整合的高程精度未做評價,以原始DEM或國家下發DEM高程精度為準)。

上述實踐結果充分優于設計技術指標,符合內蒙古實際,2023年正在推進全區余下區域自然資源調查監測高精度實景三維數據底版的實施。

5 結 語

本文研究了內蒙古自然資源調查監測高精度實景三維數據底版的建設方法與實踐路徑。通過分層、分級、分精度的3種技術路線開展地形級與城市級實景三維建設,完全符合內蒙古實際,且實踐成果已取得成效:一是已在國土調查數據質量提升、三維立體時空數據庫建設、自然資源管理等工作中發揮作用;二是顯著提升了城市國土空間監測(如細化調查、建筑物高度量取、城市精細化管理等)工作效率;三是作為實景三維內蒙古建設基礎數據,避免了重復投入、重復建設,加快了工作推進。

后續將繼續研究如何充分發揮不同層級實景三維成果價值,推進成果在內蒙古自然資源調查監測、實景三維內蒙古及時空信息平臺建設等方面的轉化,為全區自然資源調查、保護和高質量發展等提供關鍵數據支撐。