学生视角丨三维实景建模技术助力构建智慧城市

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编者按：由中国石油大学（华东）万剑华教授主讲的《时空信息与智慧城市》课程已结课，学生们结合自己的兴趣点，通过查阅资料，积极思考，撰写了短文，陆续在【慧天地】“学生视角”栏目刊发。刊发这些短文的目的是鼓励在校大学生、研究生们不要拘泥于书本和课堂，要有独立思考的能力，写出自己的所思所想。尽管这些文章在专家们看来显得稚嫩，甚至或多或少存在一些问题，但考虑他们的身份是学生，还望以育人的初心对他们的文章进行批评指正，谢谢大家。【慧天地】也欢迎全国各高校的同学们向本栏目投稿（点击文末“阅读原文”查看投稿指南）。

智慧城市近两年发展如火如荼，国家层面高度重视，很多地方也开始迈向智慧城市的建设。智慧城市的基本框架由信息支撑技术、基本内容、服务对象三个部分组成。首先，智慧城市建设的信息支撑技术主要包括信息技术系统、全球定位系统、城市综合功能 GIS 技术、数字城市的管理信息技术、虚拟技术、数据库建设技术、元数据和宽带网络，通过使用这些技术能够对当代空间信息数据进行综合性分析整理。其次，智慧城市建设的基本内容作为城市信息综合信息平台以及城市电信基础核心系统具有重要应用价值。最后，智慧城市的服务对象是人，以人为本是智慧城市建设的精髓。

近年来，随着我国“数字城市”向“智慧城市”的不断转型升级，以二维矢量数据为主的 GIS 应用已经难以满足当前的需求，一种所见即所得、更加直观的城市三维实景模型逐渐成为大众热衷的表达方式，目前，其已成为三维基础地理信息系统的重要数据载体，因此，如何快速构建城市三维实景模型成为当前 GIS 应用领域研究的一个热点问题。在构建城市三维实景模型技术方案中，传统的人工单体建模存在建设周期长、成本高、精度低、与真实世界反差大等缺点; 基于激光扫描和雷达技术的三维建模虽然精度高，但受制于成本高昂、数据处理量大等弱点，只适用于小范围的精细模型构建，目前也难以普及应用。

无人机倾斜摄影测量技术的出现较好地解决了以上难题，该技术通过在无人飞行平台上搭载多台传感器，同时从多个角度来采集地面物体的影像，借助于全自动高性能倾斜影像处理软件，可快速构建出城市三维实景模型。将倾斜摄影测量技术应用于智慧城市和数字城市建设，利用 GNSS 定位技术、GIS 技术、影像数字化处理技术，能够真实反映地物纹理信息，自动化生产实景三维模型。相比于传统三维建模，应用无人机倾斜摄影测量技术构建的三维模型真实逼真、纹理丰富，且具有较高的位置和属性精度，大大降低了三维建模的成本并有效提升了模型生产的效率，如今已成为城市三维实景建模的主流趋势。

倾斜摄影测量技术原理

倾斜摄影测量技术是国际遥感领域近年来新兴发展的一项高新测绘技术，我国自 2010

年开始引进国内，现已得到迅猛发展。该技术有效融合了常规航空摄影测量与近景摄影测量技术的优势，但又与常规航空摄影测量只能拍摄地面俯视信息不同，它通过在飞行平台上搭载五镜头相机和先进的定姿定位系统，能同时从 1 个垂直方向和 4 个倾斜角度来采集地面影像( 如图 1 所示) ，其中垂直于地面的正片用于制作传统的 4D 产品，另 4 组斜片可用于获取到地物侧面的纹理信息。所拍摄的倾斜影像再借助于全自动高性能后处理系统，可快速构建出具有地物准确位置和清晰纹理的高分辨率真三维场景，相较于传统三维模型庞大的数据量，倾斜摄影测量的数据格式可兼容多种GIS应用，并可快速进行网络发布，实现应用共享。

图1 无人机倾斜影像获取示意图

无人机倾斜摄影测量三维建模技术流程

无人机倾斜摄影测量三维建模技术是以当前流行的无人机作为飞行平台，飞机携带五镜头相机进行倾斜影像的采集，其应用于三维建模的技术流程主要有: 倾斜影像数据采集( 外业航飞、像控测量) 、多视角三维空中三角测量、真三维模型自动生产( 模型重建、模型修复、生成实景真三维模型)。

外业航飞

航测前期准备需确认飞机硬件正常、电池电量足够、PPK及采集像控的RTK等工具设备准备齐全；测区周边环境勘察确认测区大小、地物的疏密、航测范围起伏及坡度及预估测区最高地物等，并以此选取最佳起飞平台及进行航线规划参考。

像控点布设及测量

像控布设需囊括测区并均匀分布，携带网络RTK功能及ppk功能无人机可根据实际情况减少50%-80%像控；像控布设以遵循标注清晰、视野开阔、均匀分布、覆盖测区、像控位置固定、像控布设在无高差平面上为原则；以外业无人机能清晰明显拍摄，内业能容易准确找到为标准。像控点采集如下图所示。

图2像控点采集

多视角三维空中三角测量

无人机航测数据及pos数据整理好后进行航测数据处理。内业数据处理主要分为四部分：1、照片及pos导入；2、空三加密；3、像控点平差；4、模型构建。以下以国外常用软件Context Capture如图3所示：

图3 ContextCapture数据处理

实景真三维模型生成

1) 模型重建

进行空中三角测量后获取了测区足够密集、排列紧密、具有颜色信息的海量三维点云数据，为构建不规则三维 TIN 格网，按照数据密集程度将测区分割成多块，创建白体三维模型。倾斜影像都具有精确的地理坐标位置，已实现模型和影像之间的映射关系，对TIN网模型自动纹理映射，以此生成基于真实影像位纹理的高分辨率实景真三维模型，对场景还原到无限接近真实世界。支持输出包括OBJ、OSGB(OSG)等通用兼容格式，方便导入各主流应用平台，生成多级别金字塔模型，能够流畅应用平台浏览。 

2）模型修复

在三维模型重建过程中，由于水域等光滑表面的反光，或者空三加密时一些高大物体如建筑物、树木难以正确匹配到连接点，通常会出现水域空缺、模型漏洞或者扭曲变形的现象，此时可借助 Smart3D 软件筛选出需编辑的模块，或者采取补飞措施后重新生成模型，直到三维成果满足要求。

3) 生成实景真三维成果

利用 ContextCaptureViewer 平台对实景真三维成果进行展示及管理，实现三维数据可视化漫游、多源数据融合及空间查询统计分析等。ContextCaptureViewer 平台二三维一体化展示系统可对海量、多源、多尺度的三维空间数据进行全空间、无级、无缝的三维可视化浏览，以及实现真三维场景下的漫游飞行、查询定位、空间分析等应用操作。

智慧城市是真实城市环境与虚拟城市环境的融合与协同，三维实景建模技术在其中发挥重要的时空信息承载和纽带作用，并提供了有力的可视化分析方法和支撑手段，正日益成为政府、企业和公众不可或缺的科学的、定量与定性结合的、直观方便的助手。基于倾斜摄影实景三维技术构建的地理信息公共服务平台，作为新型智慧城市建设基础地理底层的技术支撑，将在未来智慧城市建设中发挥重要作用。

参考文献

[1]  于丽丽.基于无人机倾斜摄影测量技术的城市三维实景建模研究[J].测绘与空间地理信息,2021,44(05):86-88.

[2]  李兴久.浅谈无人机倾斜摄影技术在城市实景三维建模中的应用[J].测绘标准化,2021,37(01):75-78.

[3]  [1]徐建明.三维实景建模技术在智慧交通领域的新发展与深入应用[J].中国安防,2019(10):58-63.

[4]  [1]龚强,王丽欣.对新型智慧城市三维模型“计算思维”的思考[J].测绘与空间地理信息,2017,40(11):1-2+8.

  作者简介 

蒋景晖，中国石油大学（华东）资源与环境2020级硕士研究生

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指导：万剑华教授