大范圍城市級實景三維模型建設及應用研究

中圖分類號：P231 文獻標志碼：A

0 引言

實景三維中國是真實、立體、時序化反映和表達生產生活生態(tài)空間的時空信息，是數(shù)字中國整體框架構建的核心要素和重要內容。目前，全國各地大力推進城市級實景三維建設，相關技術方法得取得了長足進展。如孫愷等1以直升機和大型傾斜航攝儀研究了SWDC-5Ap在大比例尺城市三維模型建設中的應用。黎新宇等2采用垂直起降固定翼無人機和傾斜航攝儀實現(xiàn)公園三維模型的構建，提高了公園環(huán)境解譯的精度及準確度。曹峰等[3在使用無人機傾斜攝影的基礎上，結合車載移動測量，實現(xiàn)了對常州市金壇區(qū)仙姑村的實景三維建模，使實景三維模型局部更精細。以上研究表明，實景三維信息源數(shù)據的獲取與處理流程已較為成熟，但數(shù)據采集處理仍需大量人工干預，主要原因之一就是數(shù)據的不規(guī)范，采集時參數(shù)的不同選擇會使得數(shù)據影像參數(shù)不統(tǒng)一，使得軟件無法自動化提取。同時，在處理海量傾斜攝影數(shù)據時，使用常規(guī)機器建模消耗的時間長，效率低，無法實現(xiàn)高效建模。

1研究內容與方法

1.1面向大范圍場景數(shù)據采集與處理

針對大范圍城市級實景三維建設，數(shù)據采集標準化[4-6]是確保數(shù)據質量、提高處理效率、實現(xiàn)自動化建模的重要基礎。為此，在采集中要確保時間、空間、設備、色彩等方面協(xié)同，確保數(shù)據采集處理的一致性。

1. 1.1 時間協(xié)同

時間協(xié)同就是選擇最佳的航攝時間窗口，確保天氣、能見度、風力、光線強度等條件大致相同，可以保證航攝采集的影像數(shù)據的清晰度高、地物投影小、色彩與亮度等相對一致，航片之間差異小、效果最佳，否則影像差異過大，為后期數(shù)據處理帶來較大難度。

根據國家和行業(yè)作業(yè)規(guī)范，結合24小時太陽高度角情況，可以確定航攝最佳航攝時間，這對于開展多種航攝設備開展時間協(xié)同作業(yè)非常重要。

太陽高度角推算攝區(qū)的攝影時間參考公式為：

式中， t_θ 為太陽時角，單位為 L^（°）：h_θ 為太陽高度角，單位為 （^°） ; δ_θ 為攝影日期的太陽赤緯，單位為（°）; φ 為攝區(qū)的平均地理緯度，單位為 （^°） ; T_φ 為攝區(qū)地方時，單位為小時。

以為例，根據城市規(guī)模、地形、高層建筑物分布情況，攝區(qū)太陽高度角與陰影倍數(shù)的關系，可以得出開展傾斜航攝的時間協(xié)同窗口。

（1）中小建成區(qū)（高層較少）傾斜航攝的時間協(xié)同窗口，夏季為8：00—16：00，春季和秋季為9：00—15：00，冬季為11：00—12：00。

（2）大規(guī)模建成區(qū)（高層密集）傾斜航攝的時間協(xié)同窗口，夏季為10：00—14：00，春季和秋季為9：00—15：00，冬季不建議采集。

時間協(xié)同窗口的確定，為航攝計劃和多設備協(xié)同作業(yè)的開展提供了時間保證，對后期的影像處理和三維模型場景制作提供了質量保障，可以減少數(shù)據處理的工作量。

1.1.2 空間協(xié)同

空間協(xié)同是指航攝數(shù)據采集時，按照數(shù)據規(guī)格、航攝儀性能和采集范圍劃定航攝區(qū)域，為避免各攝區(qū)之間數(shù)據出現(xiàn)漏洞現(xiàn)象，要求航線設計時攝區(qū)之間必須保留一定的重疊度，保證數(shù)據采集接邊。這里主要考慮到大范圍實景三維數(shù)據建設通常需要投人多種航攝設備和多種規(guī)格數(shù)據（不同分辨率）。這種多設備、多規(guī)格數(shù)據的采集方式雖然能夠滿足不同區(qū)域和不同精度的需求，但也帶來了數(shù)據漏洞、接邊不一致和多源數(shù)據融合等困難。為確保空間協(xié)同有效，要做到選優(yōu)選配好設備，在此基礎上合理兼顧DOM地物特征和DSM高程信息的攝區(qū)劃分，并保證攝區(qū)與攝區(qū)間一定的重疊度，確保數(shù)據接邊處無縫銜接。

1.1.3 設備協(xié)同

設備協(xié)同是指在空天地多源多尺度數(shù)據采集中，通過多種設備的協(xié)同作業(yè)，實現(xiàn)高效、精準的數(shù)據獲取與處理。在實景三維城市構建中，由于不同需求和場景的多樣性，往往需要特定的設備組合來完成任務。例如，在特大范圍場景中可能需要使用有人機搭載高精度航攝儀進行大范圍快速覆蓋；在精細化場景中則需要借助無人機搭載小型傳感器以及地面手持設備（如激光掃描儀或全景相機）進行高分辨率數(shù)據采集。為確保各種設備間數(shù)據采集一致性，通常需要采用統(tǒng)一的坐標和時間基準，進行設備檢校和標定，確定好場景規(guī)劃和設備部署，做好質量控制等。

1.1.4 色彩協(xié)同

色彩協(xié)同是指由于采集時間和采集設備不同等造成的數(shù)據成果的不一致。數(shù)據成果不一致可采用兩種方式：一是使用前對各設備進行調參，使拍攝出的像片達到一致；二是對獲取的影像成果進行勻光勻色處理，使它們達到接近一致的色調，且無明顯的拼接縫。同時，在后期模型制作過程中，對于大范圍一致性成果色彩微調，達到整體一致性效果。

1.2面向大范圍場景實景三維高效建模

由于測量比例尺精度要求及測區(qū)大小的不同，數(shù)據量也不同，但是無論哪種級別，傾斜攝影相對于其他數(shù)據的數(shù)據量都非常龐大，屬海量級大數(shù)據，一個小區(qū)域有幾十個GB的數(shù)據量，較大面積的測區(qū)有TB級別數(shù)據容量，各數(shù)據都要多次反復運算。因此，各種處理計算對計算機軟硬件都是極大的考驗。解決大范圍實景三維場景[7-11]高效建模，一是解決大體量數(shù)據解算過程調用、傳輸吞吐瓶頸。建成集硬件、網絡環(huán)境和存儲環(huán)境于一體的實景三維數(shù)據建模集群系統(tǒng)，將計算、存儲、節(jié)點等統(tǒng)一部署在數(shù)據機房，通過萬兆網線接人核心網絡，服務器與工作站訪問數(shù)據存儲均使用IPSAN協(xié)議，提高數(shù)據傳輸效率。二是搭建分布式的物理計算機集群。僅靠單臺物理計算機運行，無法執(zhí)行如此海量的大數(shù)據，需搭建分布式的物理計算機集群進行實景三維建模，形成可按需橫向擴容的通用計算、GPU圖形計算、對象存儲、文件存儲支撐能力，并利用多節(jié)點技術，提升整體運算效率。

2 項目應用

2.1 研究區(qū)域概況

當前，常州市正在全力推進數(shù)字政府、數(shù)字經濟和數(shù)字社會發(fā)展進人“快車道”，著力加強“一網統(tǒng)管”能力。以實景三維為代表的空間地理信息數(shù)據是城市運行“一網統(tǒng)管”建設的基礎底座，是城市運行指揮調度系統(tǒng)、城市社會治理現(xiàn)代化指揮中心的數(shù)據底座，是提高城市治理現(xiàn)代化水平、服務保障民生、減輕基層負擔的關鍵環(huán)節(jié)。根據常州市“一網統(tǒng)管”城市運行一張圖三維數(shù)據建設方案要求，通過市縣協(xié)同方式，分階段統(tǒng)籌推進常州市“一網統(tǒng)管”城市運行一張圖三維數(shù)據建設。根據建設要求，通過航空攝影方式，獲取1121平方千米的重點區(qū)域地面分辨率優(yōu)于3公分傾斜影像，3251平方千米的其他區(qū)域地面分辨率優(yōu)于5公分傾斜影像（見圖1），完成重點區(qū)域3cm 分辨率實景三維模型、其他區(qū)域 5cm 分辨率實景三維模型生產等。

2.2 傾斜航空攝影

根據研究區(qū)域實際情況，為高效推進實景三維建設，根據研究內容和方法總結情況，大范圍場景數(shù)據采集采用有人機和大型航攝儀獲取。為確保時效一致性，本次研究投入了兩架大棕熊固定翼、SWDC-Max6航攝儀和CityMapper-2L航攝儀。

在實施前期劃定檢校場，做好航攝儀參數(shù)的調整，使兩臺航攝儀獲取的數(shù)據基本一致，減少人工處理工作。航飛的過程中根據空中管制單位調配，嚴格按照航攝時間要求，合理優(yōu)化飛行路線，兩架飛機在各自區(qū)域順利完成了航飛任務。其中，重點區(qū)域 3cm 分辨率傾斜航攝實際航飛總時長112小時，獲取有效影像60.7萬張，其他區(qū)域 5cm 分辨率傾斜航攝實際航飛總時長203小時，獲取有效影像88.4萬張。整體航攝時間跨度從秋季到冬季。

2.3影像一致性處理

由于空中管制整體航攝周期跨度較大，為了保證獲取的影像色調盡可能一致，本次研究先后進行了影像內一致性處理、影像間一致性處理、影像數(shù)據集間一致性處理。

影像內一致性處理：主要包括影像去霧和勻光兩個處理步驟，影像去霧是盡可能消除影像內的噪聲，還原最真實的地物信息；勻光處理主要是確保去霧后影像內明暗度保持一致。

影像間一致性處理：主要是利用已有DOM和DEM等資料，通過共線方程建立待處理影像與DOM之間的投影關系，并根據DOM和影像的投影關系對影像進行調色處理，以確保相鄰影像顏色平滑過渡，達到影像間色調一致性要求。

影像數(shù)據集間一致性處理：影像數(shù)據集一般以采集時間劃分，同一時間段采集的數(shù)據為一個數(shù)據集，同時在已有數(shù)據中選取一定數(shù)量的標準影像作為調色參考影像，統(tǒng)計參考影像和待處理影像數(shù)據集的直方圖信息并進行直方圖匹配，建立待處理影像數(shù)據集與參考影像數(shù)據之間的直方圖映射關系，根據映射關系調整單張影像直方圖，最終得到所有的影像與參考影像色調一致。

2.4像控點布設及測量

本次研究像控點布設利用已有的像控點庫成果結合航拍后原始影像及全市正射影像數(shù)據結合的辦法進行點位設計。像片選刺采用內業(yè)布設大概位置，外業(yè)現(xiàn)場電子平板選點刺點的方式，實地像片控制點目標選刺時，一般選擇在一些交角良好的線狀地物交點、道路標識線直角處，所選點位高程變化一般較小，同時刺點點位在相鄰像片上影像清晰且便于網絡RTK測量。像片現(xiàn)場電子平板刺點時采用現(xiàn)場刺點，描述點號、刺點位置，并拍攝現(xiàn)場照片記錄。本任務最終采集到的像片控制點共計2462個。

2.5傾斜三維建模

2.5.1 區(qū)域網劃分

本項目根據項目需求，將常州全域劃分為地面分辨率優(yōu)于 3cm 航攝區(qū)域以及地面分辨率優(yōu)于 5cm 航攝區(qū)域。綜合考慮計算機設備的處理能力、軟件和網絡承載能力、磁盤空間等因素，在滿足空中三角測量平差精度的情況下，將地面分辨率優(yōu)于 3cm 的航攝區(qū)域劃分為39個區(qū)域網，將常州市剩余 5cm 區(qū)域分為47個區(qū)域網。

2.5.2 空三處理

本次研究傾斜三維建模在自主搭建分布式的物理計算機集群處理，集群規(guī)模物理節(jié)點150臺。根據項目情況合理調配空三和建模計算節(jié)點，有序生產傾斜三維模型。本次研究共劃分86個區(qū)域網，各區(qū)域網均布設了檢查點。空三加密后各區(qū)域網檢查點的平面精度中誤差最大為 ±0.12m ，高程精度中誤差最大為 ±0.11m ，指標均滿足相關要求。

2.5.3 傾斜攝影三維模型生產

實景三維建模采用ContextCapture軟件，利用傾斜影像數(shù)據及空中三角解算后影像精確的內、外方位元素進行多視影像密集匹配，得到密集地表三維點云；基于已定向的密集三維點云，構建不規(guī)則三角網，得到三角網表面模型（白模），并利用傾斜影像及精確的內、外方位元素來確定物方與像方的幾何關系，對白模進行自動紋理映射，得到傾斜攝影三維模型。

模型構建完成后，對模型的精度進行了檢測，采用外業(yè)實測點位對比計算平面中誤差與高程中誤差如表1所示。

3結語

本研究針對大范圍城市級實景三維模型[建設中的數(shù)據采集與處理[13-18]、高效建模等關鍵技術進行了深人探討，并在常州市全域實景三維城市建設中進行了實踐應用。通過時間協(xié)同、空間協(xié)同、設備協(xié)同和色彩協(xié)同等多方面的優(yōu)化，顯著提高了數(shù)據采集的標準化程度[19-22]和處理效率。同時，通過搭建分布式物理計算機集群，解決了海量數(shù)據處理中的計算瓶頸問題，實現(xiàn)了高效建模。研究結果表明，本文所提出的方法和技術路線能夠有效支持大范圍城市級實景三維模型的快速構建，為城市治理現(xiàn)代化提供了堅實的數(shù)據基礎。

未來的研究可進一步探索智能化、自動化的數(shù)據處理技術，提高數(shù)據處理的自動化水平，進一步提升實景三維模型在城市規(guī)劃[23]、應急管理、智慧交通等領域的應用價值，為數(shù)字中國建設貢獻更多力量。

參考文獻

[1]孫愷.SWDC-5Ap在大比例尺城市三維模型建設中的應用[J].北京測繪，2021（9）：1183-1186.

[2]黎新宇，莫基琳.基于無人機攝影測量技術的三維建模研究：東江森林公園高精度三維建模研究及應用[J].林業(yè)與環(huán)境科學，2018（6）：103-107.

[3]曹峰，紀思源.基于傾斜攝影與車載移動測量互補的實景三維建模技術初探[C].2019年省測繪地理信息學會學術年會論文集.2019.

[4]郭梁，周玉岑.多攝影測量技術融合在古建筑實景三維建模中的應用[J].測繪與空間地理信息，2024（7）：177-179.

[5]楊斌，龐正輝，溫萬喜.貼近攝影測量技術在古建筑實景三維建模中的應用研究[J].測繪標準化，2023（4）：110-114.

[6]劉小軍，杜文俊，龔緒才.基于多尺度影像數(shù)據融合的實景三維建模[J].測繪與空間地理信息，2024（12）：136-139.

[7]單杰，李志鑫，張文元.大規(guī)模三維城市建模進展[J].測繪字報，2019（12）：1523-1541.

[8]張光偉，吳昊，郭震冬.實景三維多源數(shù)據場景融合[J].測繪通報，2022（8）：155-159.

[9]張萌萌，喬俊平，張顯志，等.基于城市級的大場景實景三維模型優(yōu)化技術研究[J].測繪技術裝備，2023（2） ：95-99.

[10]肖建華，李鵬鵬，彭清山，等.武漢市實景三維城市建設的實踐和思考[J].城市勘測，2021（1）：8-11.[11]紀亮.三維模型精細化及三維應用平臺構建研究[J].測繪與空間地理信息，2021（12）：156-158.

[12]徐丹丹.實景三維場景模型建設和融合方法應用[J].無線互聯(lián)科技，2025（6）：25-28.

[13]李佳俊.面向對象的精細化建模分析[J].測繪通報，2022（12）：1-6.

[14]何潔，王悅，董愷.多源數(shù)據融合的城市三維實景建模技術應用[J].測繪與空間地理信息，2021（12）：121-124.

[15]焦甲堯.多種攝影方式的精細化三維建模方法與應用[J].北京測繪，2022（8）：1024-1029.

[16]謝云鵬，呂可晶.多源數(shù)據融合的城市三維實景建模[J].重慶大學學報，2022（4）：143-154.

[17]王峰，滕俊利，王希秀.多源數(shù)據融合實景三維建模關鍵技術研究[J].山東國土資源，2022（1）：70-73.

[18]盧丹丹，彭清山，孫雅庚，等.基于實景三維模型的多源數(shù)據集成技術研究[J].地理空間信息，2020（3）：9-11.

[19]買小爭，馮學勝，顏振能，等.貼近攝影影像與傾斜影像融合精細化建模方法［J].北京測繪，2022（9） ：1188-1192.

[20]曾政祥，何晶晶，張婧.融合激光點云的城市級高精度建模技術[J].測繪通報，2023（3）：133-138.[21]江宇，韋興榮，王國飛，等.機載和車載LiDAR融合構建高精三維城市模型研究[J].地理空間信息，2021（12） ：81-83.

[22]李鵬，馬建芳.融合點云及傾斜攝影三維單體化建模技術研究[J].測繪通報，2021（增刊1）：29-32.[23]李佩，呂志慧.實景三維在城市更新微改造方面的應用研究[J].無線互聯(lián)科技，2025（2）：92-95.

（編輯 李春燕）

Research on the construction and application of large-scale urban-level realistic 3D models

GUO Zhendong，WU Hao， SHAO Heng （Jiangsu Provincial Institute of Surveying and Mapping Engineering，Nanjing 21OO13，China）

Abstract：Theconstructionofareal-world 3D China isacore componentof the Digital China framework．Although significant progress has been made in city-level real-world3D technology，chalenges such asextensive manual intervention and loweficiency persist in dataacquisition and processng.This paperproposesstandardized data colection and high-effciency modeling methods for large-scale scenarios：ensuring data consistency through temporal coordination （optimizing aerial photography windows），spatial coordination （rationalpartitioning of shooting areasand overlap），equipment coordination（unified scheduling of multi-source devices）and colorcoordination（image homogenizationandcolor balancing）and addressing computational botlenecks in massive oblique photogrammetrydata modelingusing distributed computer cluster technology for eficient processing.Taking the city-widereal-world 3D construction of Changzhou asanexample，this paper employed two fixed-wing aircraftandhigh-precision aerial cameras in coordinated operations to complete data acquisition covering 1，121 km2（3 cm resolution） and 3，251km²（5 （2號 cmresolution）.Throughaerial triangulation and modeling，theresulting models achieved planeand elevation mean square errors that met regulatory requirements，validating the feasibilityand precision of the proposed methods.The research outcomes provide standardized workflows and eficient technical pathways forcity-levelreal-world 3D construction， supporting digital governance and smart city applications.

Key words： realistic 3D；data collection and processing; efficient modeling