基于存量數(shù)據(jù)構建貴陽市全域地形級實景三維底座的探索

張國清,鄧興,馬子俊,鮑俊強,后永波

(貴陽市測繪院,貴州 貴陽 550081)

0 引 言

實景三維是真實、立體、時序化反映人類生產、生活和生態(tài)空間的時空信息,是國家重要的新型基礎設施[1,2];同時實景三維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。實景三維作為數(shù)字政府、數(shù)字經濟重要的戰(zhàn)略性數(shù)據(jù)資源和生產要素,自然資源部提出了兩步走的戰(zhàn)略部署,并提出實景三維地形級、城市級、部件級3個層級構建體系[1]。

貴陽市作為國家新型基礎測繪建設試點城市,實景三維建設是試點建設的核心內容之一,充分挖掘歷史存量數(shù)據(jù)的價值,提高生產效率,服務好試點建設內容既是任務也是目標。本文中,介紹貴陽市應實際項目需求,通過融合及挖掘歷史存量數(shù)據(jù),構建貴陽市全域(3 005.7 km2)地形級實景三維底座成果,取得了很好的效果。

1 需求分析及存量數(shù)據(jù)的評估與挖掘

根據(jù)自然資源部對實景三維中國建設中地形級實景三維的技術設計及建設要求,完成對現(xiàn)有存量數(shù)據(jù)的類型、精度、執(zhí)行標準、來源、法定性和用途等進行綜合考量[3]。

1.1 需求分析

應實際項目需求出發(fā),項目建設內容僅構建貴陽市全域(3 005.7 km2)地形級實景三維底座。依照《實景三維中國建設技術大綱》要求(表1),地形級實景三維底座建設包括地形級地理場景和基礎地理實體兩部分建設內容,其中地理實體數(shù)據(jù)屬于新型基礎測繪建設成果,參照國家新型基礎測繪貴陽試點對地理實體數(shù)據(jù)的階段性設計,本文基礎地理實體數(shù)據(jù)僅考慮現(xiàn)有存量數(shù)據(jù)可挖掘部分,針對基礎地理實體的語義化內容僅包含實體屬性。

表1 實景三維中國建設技術大綱指標參數(shù)

1.2 存量數(shù)據(jù)的評估與挖掘

通過項目生產需求分析及自然資源部對地形級實景三維建設內容的各項指標的指導意見,收集可用于構建地形級實景三維底座的各類輔助數(shù)據(jù),按照類別特征及質量要求對輔助數(shù)據(jù)的類型、特性、范圍、用途等進行綜合考量,形成存量數(shù)據(jù)源分析表[4](表2)。

表2 存量數(shù)據(jù)源分析表

2 技術路線設計

參照自然資源部實景三維中國建設技術大綱的設計,為滿足貴陽市全域地形級實景三維底座的生產需要,根據(jù)存量數(shù)據(jù)的評估結果,把收集后的數(shù)據(jù)源按照特定的設計用途,完成整體技術路線的設計[5,6,7],如圖1所示。

圖1 總體技術路線設計

3 數(shù)據(jù)處理及融合

根據(jù)地形級實景三維底座的總體技術路線設計,對存量源數(shù)據(jù)完成預定設計的預處理。

3.1 點云數(shù)據(jù)處理

點云數(shù)據(jù)處理是DEM生產的關鍵,也是地形級實景三維底座的構建基礎,它包括點云數(shù)據(jù)的基準轉換、分區(qū)分塊處理、冗余數(shù)據(jù)消除、點云數(shù)據(jù)糾正、點云數(shù)據(jù)的自動濾波(自動分類)、點云數(shù)據(jù)優(yōu)化、點云數(shù)據(jù)手工分類、預處理成果數(shù)據(jù)拼接、特征性提取、構建不規(guī)則三角網、內插網格生產1m網格DEM(圖2、圖3);同時根據(jù)點云分類分層結果,保存分類數(shù)據(jù)中建筑物層的點云數(shù)據(jù),用于補充及完善存量DLG數(shù)據(jù)以及三維實體數(shù)據(jù)的生產。點云數(shù)據(jù)的處理主要用Terrasolid、LidarDP軟件完成。

圖2 基于點云生產DEM成果流程圖

3.2 DLG及建筑物普查數(shù)據(jù)處理

存量1∶2 000 DLG數(shù)據(jù)是生產基礎地理實體過程中提取圖元數(shù)據(jù)的基礎。首先,根據(jù)存量DLG數(shù)據(jù)提取建筑、水系、道路等二維圖元及部分屬性;其次,把提取到的建筑物、構筑物等二維圖元,結合點云分類結果中的建筑物類別,利用R3d_Model軟件構建三維圖元(LOD1級)(圖4);再次,提取建筑物普查數(shù)據(jù)中建筑物、構筑物等實體屬性信息;最后,建立映射關系,把同一對象的屬性值賦值至圖元數(shù)據(jù)中,完成簡易的語義化過程,構建基礎地理實體數(shù)據(jù)[4,8](圖5)。

圖4 點云數(shù)據(jù)構建三維圖元示意圖

圖5 三維基礎地理實體示意圖

3.3 構建地形級地理場景

按照實景三維中國建設技術大綱的技術路線設計,地形級地理場景的構成是將數(shù)字高程模型與數(shù)字正射影像數(shù)據(jù)疊加而成[1,4,9]。實踐過程中需要解決的難點有:

(1)數(shù)據(jù)匹配及優(yōu)化。DEM與DOM生產的數(shù)據(jù)基礎不同,高程突變處呈現(xiàn)明顯的錯位和斷裂,DEM和DOM匹配效果應該過渡自然,保持地物的真實性。如需針對高速公路、高速鐵路、重要堤壩進行DEM和DOM優(yōu)化處理。

(2)處理精度和美觀度取舍問題。由于點云數(shù)據(jù)密度較高,能較準確地表達道路面的細部特征,而DOM在高程變化比較大的區(qū)域容易產生投影差,一般選擇處理明顯錯誤的問題或者扭曲非常明顯位置,即采用周邊的紋理進行覆蓋從而模擬恢復出地面層真實的紋理特征,使紋理能夠自然銜接。

(3)水系處理。待處理的水系應遵循的要求:流動水域高程依據(jù)上下游水位點高程過渡自然,或分段內插賦值表達;靜止水域范圍內一般根據(jù)常水位設置為同一高程;水面與周圍地面的地形銜接需合理。

(4)重點橋梁單體化處理。由于DEM與DOM疊加存在基礎不一致問題,會導致地理場景效果圖中區(qū)域架空部分橋面塌陷。為保證地形級地理場景中重點區(qū)域橋梁美觀、合理,擬定對包含貴陽環(huán)城高速范圍內的部分重點橋梁、高架路進行單體化處理,總長 120 km(圖6)。

3.4 融合成地形級實景三維底座

根據(jù)存量數(shù)據(jù)源的標準化處理,把地形級地理場景成果及基礎地理實體初步成果相融合,構建地形級實景三維基礎底座,總覆蓋面積約 3 005.7 km2(圖7)。形成能用于三維可視化與空間量算、服務區(qū)域宏觀規(guī)劃、滿足自然資源管理、城市建設規(guī)劃等需求的綜合數(shù)據(jù)管理及展示的基礎平臺。

圖7 地形級實景三維底座示意圖

3.5 成果精度檢測及評價

本項目經貴州省測繪產品質量監(jiān)督檢驗站對DEM成果、點云分類成果、地形級地理場景成果、基礎地理實體二三維表達數(shù)據(jù)的空間參考系、屬性精度、位置精度、邏輯一致性、時間精度、柵格質量、表達質量等指標進行質檢與評價,認為各項精度指標均在允許范圍內,成果批質量合格。

4 結論及展望

當前,實景三維中國建設是面向新時期測繪地理信息事業(yè)服務經濟社會發(fā)展和生態(tài)文明建設、自然資源管理的新定位、新需求,本次體系革新即是對傳統(tǒng)基礎測繪業(yè)務的繼承,又是對測繪地理信息服務發(fā)展方向及理論體系的轉型升級[1,10]。本文通過具體項目需求實踐了基于存量數(shù)據(jù)構建地形級實景三維底座,探索出一些非常有意義的經驗。

(1)針對基于存量數(shù)據(jù)構建地形級實景三維底座,體現(xiàn)新體系下對傳統(tǒng)測繪產品的繼承性原則,在滿足新體系成果設計基礎上,本文實踐經驗表明可以極大地減低生產成本,提高生產效率;其次,通過實踐獲得利用點云數(shù)據(jù)生產大范圍DEM成果、處理地形級地理場景突出問題、解決存量數(shù)據(jù)部分映射關系等有價值的經驗。

(2)本文按照實景三維中國建設技術大綱的技術設計進行實踐,驗證了技術路線的可行性,發(fā)現(xiàn)實施過程中存在的問題及困難,如源數(shù)據(jù)預處理、較復雜映射關系的建立、基于存量數(shù)據(jù)豐富基礎地理實體的語義化、數(shù)據(jù)融合等問題。

(3)本項目實踐內容較為綜合,涉及的測繪成果集成技術及突出問題解決辦法,即能指導傳統(tǒng)測繪成果高效的生產,又能應對新形勢的各項應用服務的新需求。

雖然本文利用存在數(shù)據(jù)量探索出可行的技術路徑,但歷史存量數(shù)據(jù)及實時眾源數(shù)據(jù)的內容豐富、形式多樣,文中僅針對具體項目需要,探索出極少部分存量數(shù)據(jù)的價值,針對存量數(shù)據(jù)的利用還需要在存量數(shù)據(jù)的預處理、轉換方案配置、整合建庫、融合更新、質量控制、應用服務等方向尋找新突破。