實景三維中國中的城市三維模型構建技術研究

摘要：本研究旨在探索和優化城市三維模型的構建技術，重點研究遙感、激光雷達與無人機航拍在三維建模中的應用。通過采集不同時間段的遙感影像與激光雷達數據，結合三維建模算法與數據融合技術，構建高精度的城市三維模型。模型的精度驗證顯示，空間位置誤差小于5 cm，幾何形狀誤差小于3%，紋理精度達到1∶500?，F場監測顯示，在光照條件劇烈變化時，模型誤差有所增加，須進一步優化數據采集策略。研究結果為城市規劃與管理提供了有效的技術支持，推動了城市數字化轉型。該模型能有效支持城市規劃和管理，但仍須在光照條件變化下進一步優化數據采集方法，提升精度。研究結果為城市數字化轉型提供了有力的技術保障。

關鍵詞：城市三維模型；激光雷達技術；遙感技術；數據融合

中圖分類號：TP391" " " 文獻標志碼：A

文章編號：1009-3044（2025）17-0111-03

開放科學（資源服務） 標識碼（OSID）

0 引言

在城市數字化轉型的背景下，三維建模技術不斷更新，從傳統的二維地圖發展到今天的三維可視化模型，推動了城市信息化進程。城市三維模型不僅為城市規劃和建設提供精準的決策依據，還在災害管理、環境監測、交通調度等多個領域發揮著重要作用。隨著激光雷達、遙感影像等數據采集技術的成熟，三維建模的精度和效率得到了顯著提升。本研究旨在探討和分析城市三維模型的構建技術，提出優化措施，推動這一技術在中國城市中的實際應用與發展。后續內容將介紹相關技術背景、研究方法，并討論優化方案和實際應用案例，以期為城市三維建模的未來發展提供參考。

1 城市三維模型構建概況

1.1 城市數字化轉型背景

城市三維模型通過三維可視化技術，將城市的建筑、交通、環境等元素在虛擬空間中真實再現，為城市規劃、災害管理等提供可靠的技術支持[1]。特別是在智慧城市建設過程中，三維城市模型已成為基礎設施建設、環境保護、災害應急響應等領域的核心工具。隨著城市數字化轉型的推進，三維建模技術在智能化管理中扮演著不可或缺的角色，推動了各類城市管理和服務的智能化發展。

1.2 城市三維模型的發展現狀

近年來，遙感、激光雷達（LiDAR） 、無人機航拍等數據采集技術逐漸成熟，精度和效率大幅提升，為三維建模提供了強有力的數據支持[2]。具體來說如下：

遙感技術：通過衛星或飛機搭載傳感器，獲取大范圍區域的地表數據，適用于大尺度城市的三維建模。

激光雷達（LiDAR） ：能夠精確地獲取地面和建筑物的三維空間信息，具有高精度和高效率，尤其適用于復雜環境的三維建模。

無人機航拍：通過低空飛行獲取高分辨率影像，能在較小區域內提供高精度的空間數據，適合城市局部區域的精細化建模。

隨著技術進步，三維建模的核心算法也不斷演進，從初期的簡單幾何模型到如今的高精度建筑物模型和城市全景視圖，模型的細節與精度逐步提高。國內多個城市已建立起基于三維模型的智能城市管理平臺，廣泛應用于城市規劃、建筑設計、交通流量分析、環境監測等領域。

在國外，三維城市模型的應用已逐步成熟。許多發達國家和地區已建立了先進的智能城市管理平臺，運用三維模型進行精細化管理。特別是在歐洲和美國，多個城市已實現基于三維城市模型的交通監控、建筑評估、災害預警等綜合管理功能。這些應用不僅提升了城市管理效率，也為城市的可持續發展提供了有力保障。

2 主要影響因素及關鍵技術

2.1 主要影響因素

城市三維模型的構建受多種因素影響，包括數據來源、采集技術、處理方法以及模型的精度要求等；表1總結了影響城市三維模型構建的主要因素。

2.2 關鍵技術措施

遙感與激光雷達技術是構建高精度三維城市模型的基礎，尤其在大范圍城市建模中具有不可替代的作用[3]。點云數據處理技術則是確保數據質量和提高模型精度的關鍵。三維建模算法的不斷進步，也使得模型更加細致、真實，特別是在建筑物建模和復雜環境建模中的應用尤為突出[4]。數據融合技術的應用，進一步提升了多源數據的集成性和一致性，能夠有效解決不同數據源間的差異，為三維模型的精確構建提供了技術保障。關鍵技術措施見表2。

3 三維城市模型的構建技術分析

3.1 數據采集與處理技術

城市三維模型的構建依賴于多種高精度數據采集手段，常用的技術包括遙感、激光雷達和無人機航拍，每種技術有其獨特的優勢與適用場景[5]。

遙感技術：能夠通過衛星或航空平臺獲取大范圍城市影像，適用于大尺度城市區域的建模；適合城市全貌的建模，尤其在地理范圍廣泛、細節要求較低的情況中應用較多。遙感技術的“高精度”通常指空間分辨率在1米以下，能夠準確反映大范圍區域的地形、建筑輪廓等特征。

激光雷達（LiDAR） 技術，能夠提供高精度的三維點云數據，精確捕捉地面和建筑物的空間信息；特別適用于城市建筑物、復雜地形和細節豐富的區域建模。

激光雷達技術的“高精度”通常指點云數據的空間分辨率可達到厘米級別，精確再現建筑物的外形和細節。

無人機航拍技術，提供更高分辨率的影像數據，能夠捕捉細節豐富的區域，尤其在狹小或復雜的區域表現出色；適合對特定區域或復雜建筑進行細致建模，尤其是對于建筑外立面的細節捕捉有較大優勢。無人機航拍的“高分辨率”通常指影像分辨率達到厘米級別，能夠精細化地呈現地面特征。

三維模型的構建不僅依賴于高精度的數據采集，還需要有效的數據處理技術。數據處理包括點云數據的濾波、配準、紋理映射等多個環節。通過高效的算法處理，可以從多源數據中提取有效信息，并生成高質量的三維模型。

3.2 建模算法與技術

在數據處理的基礎上，三維城市模型的構建依賴于高效的建模算法。常見的建模方法包括：

①基于規則的建模方法：該方法通過規則化的方式將數據轉化為建筑物的幾何體模型。適用于城市規劃和建筑物標準化設計，能夠快速構建出符合規范的建筑模型。

②基于三維重建的建模方法：利用激光雷達或圖像數據，通過算法重建城市物體的三維形狀。適用于復雜城市環境的建模，能夠準確再現建筑物和其他城市元素的三維結構。

③基于深度學習的建模方法：通過訓練深度神經網絡，自動識別圖像中的建筑物或地形特征，進而生成三維模型。適合大規模自動化建模，特別是在需要處理大量城市數據時，能顯著提高建模效率。

這些建模方法在不同場景中各具優勢，能夠根據具體需求選擇最適合的技術。

3.3 技術實現階段劃分

三維城市模型的構建通常分為以下幾個主要技術實現階段：①數據采集階段，包括遙感影像、激光雷達數據和無人機航拍數據的采集；②數據預處理階段，進行點云數據的配準、噪聲去除和數據融合；③建模階段，選擇適當的建模算法進行數據處理與模型構建；④后期優化階段，通過優化算法對初步模型進行修正，提高其精度和真實性。

3.4 模型精度與可視化技術分析

模型精度是城市三維模型構建的核心指標之一，為了評估模型精度，本研究采用基于地面控制點（GCP） 的誤差分析方法，評估模型在空間位置、幾何形狀和紋理細節上的誤差。在可視化技術方面，采用虛擬現實（VR） 和增強現實（AR） 技術對三維城市模型進行展示。通過這些技術，更加直觀地感知模型的細節，增強模型的交互性和應用性。具體數據展示見表3。

4 城市三維模型關鍵施工技術

4.1 遙感技術與激光雷達技術

遙感技術通過衛星或航空平臺獲取大范圍的影像數據，適用于初步的城市規劃、土地利用監測和環境評估。其優勢在于能夠快速覆蓋大尺度區域，其分辨率和精度通常較低，難以精細捕捉城市中小尺度的細節。

激光雷達技術提供高精度的三維空間數據，能夠精確捕捉城市中的建筑物、道路及其他基礎設施的幾何形狀。激光雷達尤其擅長生成高精度的點云數據，能有效應對復雜建筑和難以接觸區域的建模需求。通過激光雷達數據，能夠獲得厘米級的空間精度，對于提升城市模型的真實性和細節至關重要。

結合遙感影像與激光雷達數據的高精度特性，可以有效提升三維模型的精度和真實性。在不同應用場景中，遙感技術適用于大范圍、低精度的建模任務，而激光雷達技術則更適合高精度要求、細節豐富的城市建模。

4.2 建筑物三維建模技術

建筑物三維建模技術是構建城市三維模型中的關鍵步驟之一。常見的建模技術包括基于圖像的重建、點云數據建模以及結合結構信息的多源數據融合建模。通過激光雷達和無人機航拍數據，可以提取建筑物的外立面、屋頂、窗戶等細節，構建出精細的三維模型。利用建筑信息模型（BIM） 技術可以進一步提高建模的準確性，尤其是在建筑設計與規劃階段，BIM模型能夠提供全面的建筑信息，有助于實現建筑的多維度建模。

4.3 數據融合與優化技術

城市三維模型的構建通常依賴于多源數據的融合，包括遙感影像、激光雷達點云數據、無人機航拍圖像等。數據融合技術旨在整合來自不同傳感器的數據，以彌補各自的不足，提升模型的完整性和精度。常用的融合方法包括多分辨率圖像融合、點云數據融合和多傳感器信息融合，通過優化算法，如加權平均法、卡爾曼濾波等，可以對不同數據源進行智能融合，去除噪聲并提高數據的一致性。實驗結果表明，數據融合能夠顯著提高模型的精度，尤其在城市復雜區域的建模中，能夠有效降低誤差，提升數據的可信度與模型的實用性。

5 控制措施實施效果

5.1 現場數據采集與監測

為了評估三維城市模型的效果，進行了現場數據的采集與監測。通過對不同時間段內多個區域進行數據采集，確保模型的時效性與準確性。表4是某城市區域在不同時間段的三維數據檢測結果。

5.2 模型精度與效果評價

在不同區域的誤差表現上，存在顯著差異。具體分析如下：

①區域A：該區域的誤差較為穩定，誤差范圍在0.12～0.16 m。整體誤差波動較小，表明該區域的模型精度較高，且數據采集和處理的穩定性較好。

②區域B：該區域的誤差較大，尤其在中午和晚上時段，誤差更為明顯。經分析，這一現象與采集時的光照條件變化密切相關，光照的劇烈變化導致數據的不一致性，從而影響了模型的精度。

③區域C：該區域的誤差較小，且變化幅度較小，說明該區域的模型精度較高，數據采集過程較為穩定，未受到光照變化等因素的顯著影響。

綜合分析結果表明，模型在不同時間段的精度差異較大，尤其在光照變化較為劇烈的時段（如中午和晚上） ，誤差增大。建議后續在光照劇烈變化的時段進行補充采集，確保數據的穩定性和一致性，從而提高整體模型精度和可靠性。

6 總結

本研究利用遙感技術、激光雷達技術和無人機航拍數據，結合先進的三維建模算法與數據融合技術，成功構建了高精度的城市三維模型。實驗結果表明，模型的空間位置誤差小于5 cm，幾何形狀誤差小于3%，紋理精度達到1∶500，滿足高精度城市規劃和管理的需求。為了進一步提升模型精度，未來須優化數據采集方法，特別是在光照變化劇烈的情況下，改進建模策略以增強模型的穩定性與可靠性。本研究為智慧城市的建設提供了技術支持，并為后續相關研究和應用奠定了基礎。

參考文獻：

[1] 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（4）：179-182.

[2] 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（6）：1-6.

[3] 王麗娜，楊俊濤，夏立福，等.基于不同數據采集方式構建城市三維模型相關技術研究[J].測繪與空間地理信息，2024，47（S1）：257-259.

[4] 陳洋，王剛，勾昆，等.基于不同數據源類型構建LOD1.3級城市三維模型相關技術研究[J].測繪與空間地理信息，2024，47（S1）：60-62.

[5] 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）：186-188.

【通聯編輯：梁書】