基于傳統航空影像構建城市三維模型（LOD1.3級）技術方法研究

摘"要：實景三維作為重要的新型基礎設施，是數字空間與現實空間的相互映射，是數字中國整體框架構建的核心要素和重要內容。城市三維模型（LOD1.3級）作為實景三維的建設任務，是實景三維建設的核心內容。為快速推進實景三維貴州建設，加快城市三維模型（LOD1.3級）構建，結合貴州實際情況，探索符合貴州實際的城市三維模型（LOD1.3級）快速構建技術方法。本文以赤水河流域白酒產業聚集區為研究區域，開展基于傳統航空影像構建城市三維模型（LOD1.3級）技術方法的研究。

關鍵詞：傳統航空影像；Mesh三維模型；城市三維模型（LOD1.3級）

城市三維模型反映了城市人工建筑物的幾何空間位置、范圍、形態、紋理特征和屬性信息，以三維形式對城市人工建筑物進行細化表達，可實現國土空間規劃、智慧社區、不動產登記等的精細化管理，為社會民生、人口經濟、城市規劃等政府治理和政府決策及其他各行業領域提供統一的城市建筑物三維數據底盤。目前，隨著實景三維建設持續推進，構建城市三維模型（DOD1.3級）生產技術方法繁多，但對基礎數據源要求越來越高，貴州省存量基礎數據較少、時效性較差，大部分城市三維模型（LOD1.3級）構建方法不適合貴州。本文通過對貴州省現有基礎資料情況和現有技術方法分析，探索基于傳統航空影像構建城市三維模型（LOD1.3級）的技術方法，找到符合貴州生產實際的技術方法，為實景三維貴州建設提供技術支撐。

1"前期分析

1.1"技術方法分析

城市三維模型（LOD1.3級）構建的技術方法可根據不同數據源進行選取，主要的技術方法包括基于高分辨率衛星立體影像構建三維模型、基于大比例尺地形圖構建三維模型、基于高精細度建筑模型構建三維模型、基于傾斜攝影數據構建三維模型、基于LiDAR數據構建三維模型等技術方法。根據可利用的基礎數據源確定城市三維模型（LOD1.3級）的構建技術方法，也可同時利用多種數據源，采用多種技術方法結合使用，提高生產效率，也可相互補充，使成果達到相關技術要求。

1.2"基礎數據源分析

1.2.1"高分辨率衛星立體影像

貴州省位于云貴高原，地形地貌復雜，高原和山地居多，全域有92.5%的面積為山地和丘陵，有“九山半水半分田”之說。貴州氣候資源豐富，長時間屬于雨季，云霧覆蓋率高。因此，高分辨率衛星立體影像獲取相對困難。

1.2.2"大比例尺地形圖

貴州省大比例尺地形圖極少，且時效性較差，數據分布于各個領域，收集和匯總困難，只能滿足小范圍的生產需求。

1.2.3"高精細建筑模型

貴州省基本無高精細的建筑模型，只有住建部門有部分高精細建筑模型，數據范圍小，現勢性較差，無法滿足全省范圍生產需求。

1.2.4"傾斜三維模型和LiDAR點云數據

傾斜三維模型和LiDAR點云數據只有覆蓋少部分中心城市區域，大部分現勢性也不滿足要求，且生產成本較高，軟硬件需求較高。

1.3"綜合分析

貴州省基礎存量數據極少，現勢性較差，且地形地貌復雜，氣候多變，導致獲取數據源困難。根據目前主要技術方法對基礎數據源選取要求，以主要技術方法開展大面積城市三維模型（LOD1.3級）生產，需投入大量的人力、物力、財力，以貴州省目前財政狀況分析，難以支撐其生產和實施。所以，目前主要的城市三維模型（LOD1.3級）構建技術方法不適合貴州生產實際。

2"研究思路

為全面推進實景三維貴州建設，以提高貴州省城市三維模型（LOD1.3級）生產效率，整合全省基礎數據資源，有效利用現有存量數據，以最大化地節約資源投入為基本原則，根據全省已有基礎數據資料情況，開展城市三維模型（LOD1.3級）快速構建技術方法研究。

3"研究方向

目前，貴州省已建立遙感影像“1+5”統籌體系，通過事權財權集中統一、建立統籌服務平臺、多項機制協同運行等舉措，為全省遙感影像獲取、生產、實施、管理等方面提供了有效支撐。可基于全省遙感影像統籌機制，獲取高分辨率航空遙感影像數據，作為城市三維模型（LOD1.3級）構建的主要基礎數據源。

本研究結合貴州省實際情況，探索基于傳統航空遙感影像構建城市三維模型（LOD1.3級）的技術方法，為全省城市三維模型（LOD1.3級）快速構建提供有效的解決方案，為實景三維貴州建設提供基礎支撐。

4"區域選取與資料情況

4.1"研究區域選取

本次研究區域選取貴州省赤水河流域白酒產業園聚集區，面積約188km2。研究區域具有貴州特色，地形地貌特征與全省相似，且數據資源齊全，參考資料豐富，能滿足研究需求。

4.2"資料收集情況

依托貴州省遙感影像統籌機制，收集到研究區域范圍內航空攝影成果，分辨率優于0.05m，現勢性為2022年，包含原始航片、外方位元素及像控點成果。資料滿足1∶500航空影像生產技術要求。

5"總體技術路線

基于收集的航空攝影數據和控制資料，通過空三加密、密集點云匹配、紋理貼附等生產Mesh三維模型，點云降噪生產數字表面模型（DSM），濾波、特征點線編輯等處理生產數字高程模型（DEM），利用生產的Mesh模型進行建筑物矢量邊界立體采集，基于數字表面模型（DSM）和數字高程模型（DEM）獲取建筑物頂部高程和底部高程信息提取、體塊模型構建、紋理貼附等構建城市三維模型（LOD1.3級）。流程圖見圖1。

5.1"Mesh三維模型生產

基于傳統航空影像數據，結合相關控制資料，進行空中三角測量及定向建模，匹配像素級高精度密集點云；基于密集點云成果，通過構建不規則三角網，構建白模；通過模型人工編輯、修飾及紋理映射，生產Mesh三維模型。

（1）影像預處理。對原始航空影像進行色彩、亮度和對比度的調整和勻色處理，為空中三角測量做準備。

（2）空中三角測量。根據研究區域地形地貌特征，對研究區域進行區域網劃分，在區域網內量測一定數量的連接點和像控點，結合區域網平差模型開展空中三角測量區域網平差計算，得到影像的精確內外方位元素。

（3）密集點云匹配。利用空中三角測量成果及影像內外方位元素進行影像匹配獲取同名點，提取像素級密集點云，通過構建不規則三角網，得到三維白模成果。

（4）紋理貼附。利用航空影像的內、外方位元素與三維白模進行特征提取和匹配，進行紋理貼附，得到Mesh三維模型數據。

5.2"數字表面模型（DSM）生產

基于空三解算后提取的像素級密集點云數據，通過點云降噪，構建不規則三角網等處理，生產數字表面模型（DSM）。

5.3"數字高程模型（DEM）生產

通過對點云數據中非地面點進行濾波，疊加在Mesh三維模型上，按照裸眼三維立體采集編輯的方式，采集必要特征點線，通過少量人工編輯，生產數字高程模型（DEM）。

5.4"建筑物矢量邊界采集

基于生產的Mesh三維模型，通過立體測圖的方式對建筑物邊界進行細化采集。

5.5"建筑物底部高程信息提取

基于采集細化的建筑物矢量邊界范圍，通過疊加DEM，提取建筑物底部高程信息。將建筑物矢量邊界范圍內的平均高程值信息賦予建筑物，完成建筑物底部高程信息提取。

5.6"建筑物頂部高程信息提取

建筑物頂部高程信息主要是基于建筑物矢量邊界范圍，通過疊加DSM或疊加Mesh三維模型，獲取建筑物矢量邊界范圍內平均高程值信息并賦予建筑物，完成建筑物頂部高程信息提取。

5.7"體塊模型構建

基于建筑物矢量邊界范圍，通過建筑物頂部高程減去底部高程，得到建筑物的高度信息，結合建筑物頂部高程信息和建筑物高度信息，進行三維拉伸，構建建筑物三維體塊模型。

5.8"紋理貼附

根據建筑物特征、結構、色彩等特征，選取紋理庫中相對應的紋理類型，對建筑物體塊模型進行紋理貼附。根據貴州省城市三維模型（LOD1.3級）生產要求，普通建筑物采用通用紋理，標志性建筑物采用真實紋理。效果圖如下：

6"成果質量情況

經具有測繪質量檢驗資質的第三方機構進行質量檢查評定，研究區域城市三維模型（LOD1.3級）成果質量為：平面中誤差統計值最大為±0.87m，未超過平面位置中誤差限差±2.5m；高程中誤差統計值最大為±0.59m，未超過高程中誤差限差±1.2m；建筑物高度精度統計中誤差為±0.7m，未超過高度精度中誤差限差±3.0m，成果滿足城市三維模型（LOD1.3級）精度要求。

7"論證分析

7.1"可靠性分析

按照《測繪成果質量監督抽查與數據認定規定》和《實景三維中國建設總體實施方案》要求，經質量驗證，采用基于傳統航空影像構建城市三維模型（LOD1.3級）技術方法生產成果滿足精度要求，研究的技術方法具備可靠性。

7.2"可行性分析

根據貴州省存量基礎數據情況，采用主流技術方法生產城市三維模型（LOD1.3級），需先生產基礎資料，增加了工作量，加大了成本投入。本技術方法研究結合了貴州省遙感影像統籌機制，在滿足成果生產技術要求的條件下，充分利用省內已有資源，避免了重復投資、重復建設，實現資源有效整合利用，節約了成本投入，具備經濟可行性。同時，在可利用基礎資料前提下，本技術方法簡化了技術流程，降低了實施難度，具備技術可行性。

7.3"可推廣性分析

研究區域位于貴州省遵義市仁懷市，高差大、地形較為破碎，地貌有山地、丘陵、谷地等地貌類型，地形地貌豐富，研究區域地形地貌特征具備代表性，與貴州地形地貌特點相吻合，可在全省范圍內進行推廣。

結語

本文研究了基于傳統航空影像構建城市三維模型（LOD1.3級）的技術方法，該技術方法整合了貴州省可利用資源，在充分利用已有基礎資料情況下，實現了生產方式的創新，簡化了技術流程，降低了生產難度，降低了生產成本。本文為全省城市三維模型（LOD1.3級）快速構建提供了有效的解決方案，為全面實施實景三維貴州建設提供了技術保障和支撐。

參考文獻：

［1］自然資源部辦公廳.關于全面推進實景三維中國建設的通知：（自然資辦發〔2022〕7號）［EB/OL］.（20220224）.http：//gi.mnr.gov.cn/202202/t20220225_2729401.html.

［2］章曦，陳功勛.城市三維模型快速構建關鍵技術研究［J］.山西建筑，2025，51（04）：179182.

［3］"彭江帆.基于多源數據的城市三維模型（LOD1.3級）快速構建技術路線設計與實踐［J］.經緯天地，2024，（06）：16.

［4］王騰，田偉召.基于衛星立體影像的城市三維模型快速構建試驗［J］.測繪與空間地理信

息，2024，47（S1）：186188.

作者簡介：朱啟雄（1992—"），男，漢族，貴州貴陽人，本科，測繪工程師，研究方向：實景三維、航空攝影、調查監測、遙感信息與地理信息系統。

*通信作者：黃芳（1988—"），女，土家族，貴州銅仁人，碩士研究生，測繪高級工程師，研究方向：新型基礎測繪與實景三維、航空攝影測量與遙感。