實(shí)景三維模型的建設(shè)技術(shù)與應(yīng)用

樂黎明，覃雪梅，王 祥，王力斌，賈小霞，周 威

（1.武漢追月信息技術(shù)有限公司，湖北 武漢 430051；2.武漢市測(cè)繪研究院，湖北 武漢 430022）

1 實(shí)景三維的研究背景

面對(duì)不斷變化的內(nèi)外部環(huán)境和百年未有之大變局，新時(shí)代下的測(cè)繪行業(yè)面臨著新挑戰(zhàn)、新機(jī)遇。黨的十八大以來，習(xí)近平總書記多次考察信息化建設(shè)情況，強(qiáng)調(diào)要加快建設(shè)數(shù)字中國。黨的十九大報(bào)告明確提出，建設(shè)數(shù)字中國，以更好服務(wù)我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和人民生活改善。2015年國務(wù)院批復(fù)同意的《全國基礎(chǔ)測(cè)繪中長期規(guī)劃綱要（2015-2030年）》指出，要加快推進(jìn)新型基礎(chǔ)測(cè)繪體系建設(shè)，不斷提升基礎(chǔ)測(cè)繪保障服務(wù)能力和水平。2019年印發(fā)的《自然資源部信息化建設(shè)總體方案》中提出，推進(jìn)三維實(shí)景數(shù)據(jù)庫建設(shè)。2020年全國國土測(cè)繪工作會(huì)議提出新時(shí)期測(cè)繪工作“兩服務(wù)、兩支撐”的根本定位，明確要求大力推動(dòng)新型基礎(chǔ)測(cè)繪體系建設(shè)，構(gòu)建實(shí)景三維中國。2021年自然資源部印發(fā)的《自然資源三維立體時(shí)空數(shù)據(jù)庫建設(shè)總體方案》要求，切實(shí)履行自然資源統(tǒng)一調(diào)查監(jiān)測(cè)職責(zé)，加強(qiáng)自然資源調(diào)查評(píng)價(jià)監(jiān)測(cè)工作。站在服務(wù)國家發(fā)展大局和支撐人類命運(yùn)共同體建設(shè)的高度，推動(dòng)實(shí)景三維建設(shè)是落實(shí)數(shù)字經(jīng)濟(jì)戰(zhàn)略的重要舉措，是實(shí)現(xiàn)國家新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的具體部署，是推動(dòng)傳統(tǒng)基礎(chǔ)測(cè)繪轉(zhuǎn)型升級(jí)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是推進(jìn)新型基礎(chǔ)測(cè)繪的生動(dòng)表達(dá)，在城鄉(xiāng)規(guī)劃建設(shè)、統(tǒng)籌管理和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展中起到了舉足輕重的作用。因此，實(shí)景三維建設(shè)是大勢(shì)所趨、勢(shì)在必行。

2 實(shí)景三維的定義內(nèi)涵

實(shí)景三維是對(duì)人類生產(chǎn)、生活和生態(tài)空間進(jìn)行真實(shí)、立體、時(shí)序化反映和表達(dá)的數(shù)字虛擬空間，是室內(nèi)外、地上下、水陸域等各類地物具有精準(zhǔn)三維幾何信息、豐富語義屬性、準(zhǔn)確空間關(guān)系和按需多細(xì)節(jié)表達(dá)的空間數(shù)據(jù)集，是新型基礎(chǔ)測(cè)繪標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品，是國家新基建的重要組成部分，為經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和各部門信息化提供了統(tǒng)一的空間基底。實(shí)景三維是客觀真實(shí)反映現(xiàn)實(shí)世界的三維模型，具有真實(shí)、現(xiàn)實(shí)和景觀可視的特點(diǎn)，是單體化、實(shí)體化、結(jié)構(gòu)化、語義化、支持人機(jī)兼容理解和物聯(lián)實(shí)時(shí)感知的基礎(chǔ)地理實(shí)體（圖1），是可空間量算和綜合分析的三維模型[1]。按照建設(shè)層級(jí)和表達(dá)內(nèi)容，通常分為地形級(jí)、城市級(jí)和部件級(jí)。

圖1 實(shí)景三維的特點(diǎn)

3 實(shí)景三維的主要技術(shù)流程

實(shí)景三維的技術(shù)流程主要包括無人機(jī)傾斜攝影、傾斜三維自動(dòng)化建模、傾斜三維單體化、傾斜三維模型發(fā)布與應(yīng)用。首先需要利用無人機(jī)搭載多視角相機(jī)獲取地面影像，即傾斜攝影影像；再通過傾斜攝影三維建模系統(tǒng)，將影像恢復(fù)成實(shí)景三維模型[2]；然后將模型進(jìn)行單體化；最后通過GIS平臺(tái)將三維模型發(fā)布出來，并基于三維模型進(jìn)行各種分析和應(yīng)用。具體作業(yè)流程如圖2所示。

圖2 實(shí)景三維技術(shù)流程圖

4 實(shí)景三維的關(guān)鍵技術(shù)支撐

實(shí)景三維技術(shù)支撐主要依賴于硬件和軟件技術(shù)的發(fā)展。隨著智能制造、北斗全球定位系統(tǒng)的組網(wǎng)、高精度地基增強(qiáng)系統(tǒng)的完善等硬件技術(shù)以及人工智能、計(jì)算機(jī)視覺、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等信息技術(shù)的發(fā)展，共同構(gòu)成了實(shí)景三維的關(guān)鍵技術(shù)支撐。

4.1 硬件平臺(tái)技術(shù)

在硬件方面，有3項(xiàng)技術(shù)至關(guān)重要：①無人機(jī)制造技術(shù)，經(jīng)過多年發(fā)展，以大疆為代表的成熟的工業(yè)級(jí)無人機(jī)生產(chǎn)制造技術(shù)保障了無人機(jī)的安全可靠與持續(xù)飛行能力，使廣大用戶能放心使用無人機(jī)，并具備一定的生產(chǎn)能力；②工業(yè)級(jí)五鏡頭傾斜攝影相機(jī)系統(tǒng)的生產(chǎn)與制造能力，實(shí)景三維最重要的數(shù)據(jù)源為傾斜影像，分辨率更高、色彩更逼真的傾斜影像保障了實(shí)景三維模型的精細(xì)度；③覆蓋全國的地基增強(qiáng)衛(wèi)星定位服務(wù)系統(tǒng)，能為無人機(jī)和傾斜影像提供精確的位置信息，不僅可實(shí)時(shí)監(jiān)控?zé)o人機(jī)位置，保障飛行安全，而且具備高精度位置信息的傾斜影像也能提高實(shí)景三維模型制作的精度和效率[3]。目前，無人機(jī)傾斜攝影系統(tǒng)數(shù)據(jù)的獲取效率（采集分辨率為2 cm以內(nèi)且適用于精細(xì)三維模型制作的傾斜影像）可達(dá)到2 km2/d/架。

4.2 軟件平臺(tái)技術(shù)

軟件平臺(tái)技術(shù)包括傾斜攝影三維建模軟件、傾斜攝影三維模型單體化軟件以及傾斜攝影三維模型快速發(fā)布與應(yīng)用平臺(tái)。傾斜攝影三維建模軟件是數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，長期以來該環(huán)節(jié)被國外軟件廠商壟斷。近年來國產(chǎn)傾斜攝影三維建模軟件陸續(xù)研發(fā)成功，其效果和效率均可達(dá)到國際廠商的水平。隨著人工智能、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等技術(shù)的應(yīng)用，當(dāng)前的傾斜攝影三維建模系統(tǒng)可支持12臺(tái)每天面積2 km2的臺(tái)集群全自動(dòng)實(shí)景三維模型的規(guī)模化制作。傾斜攝影三維模型單體化軟件解決了三維模型從看到實(shí)用的關(guān)鍵問題，使三維模型具有更高的觀賞價(jià)值和實(shí)用價(jià)值。傾斜攝影三維模型快速發(fā)布與應(yīng)用平臺(tái)最核心的能力是數(shù)據(jù)的承載量。對(duì)于小范圍數(shù)據(jù)，一般廠商可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)布并能達(dá)到良好的分析應(yīng)用功能；然而實(shí)景三維模型的應(yīng)用，從誕生起就注定是一個(gè)大數(shù)據(jù)平臺(tái)，需承載海量的三維模型、視頻流等物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)。現(xiàn)有的實(shí)景三維模型快速發(fā)布平臺(tái)可支持超過20 TB實(shí)景三維場景數(shù)據(jù)的在線瀏覽，能滿足城市級(jí)別實(shí)景三維模型的發(fā)布與應(yīng)用。

5 實(shí)景三維在自然資源管理中的應(yīng)用

實(shí)景三維技術(shù)深度融合人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、區(qū)塊鏈、5G通信等新技術(shù)，是黨中央、國務(wù)院要求大力發(fā)展“產(chǎn)業(yè)數(shù)字化、數(shù)字產(chǎn)業(yè)化”、“統(tǒng)籌新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)”，推動(dòng)測(cè)繪產(chǎn)業(yè)面向新需求快速轉(zhuǎn)型的催化劑；是城市精細(xì)化治理和應(yīng)急管理面臨巨大挑戰(zhàn)的壓艙石；是新時(shí)期自然資源管理、生態(tài)文明建設(shè)、智慧城市建設(shè)、城市更新和精細(xì)化治理的指揮棒[4-5]。由此可見，實(shí)景三維的應(yīng)用已滲透自然資源管理和社會(huì)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的各個(gè)方面。

5.1 自然資源調(diào)查、利用與管理

黨的十八以來，習(xí)近平總書記從生態(tài)文明建設(shè)的整體視野提出“山水林田湖草是生命共同體”的論斷，而實(shí)現(xiàn)實(shí)景三維則可全方位、全地域、全過程開展自然資源管理和生態(tài)文明建設(shè)。廣東省自然資源廳發(fā)布的《關(guān)于加強(qiáng)三維基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)建設(shè)的通知》提出，整合基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)資源，建設(shè)并持續(xù)更新三維基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)，形成基于三維空間的自然資源數(shù)據(jù)一體化展示和分析能力。利用三維基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)疊加山、水、林、田、湖、草等各類已有數(shù)據(jù)庫信息，并與實(shí)景三維進(jìn)行比對(duì)和修改，完善各類自然資源統(tǒng)計(jì)信息，實(shí)現(xiàn)無需到野外實(shí)地即可完成自然資源的調(diào)查與利用。

摸清家底是實(shí)現(xiàn)自然資源資產(chǎn)化管理的重要一步，只有把握現(xiàn)在的數(shù)據(jù)與趨勢(shì)，才能決策未來的目標(biāo)與方向。自然資源的管理主要依托實(shí)景三維發(fā)布平臺(tái)，通過系統(tǒng)門戶了解資源的概括情況，包括各類自然資源的數(shù)量情況、自然資源類別的分布情況、自然資源與空間管制的情況等。通過對(duì)數(shù)據(jù)的集中管理，方便一體化展示各類自然資源信息[6]。

5.2 國土空間規(guī)劃

多規(guī)合一是為了順應(yīng)新時(shí)期新形勢(shì)下的城市規(guī)劃，綜合多部門資源和需求著力推行的新專項(xiàng)工程。該專項(xiàng)開展4年來，探索了很多先進(jìn)規(guī)劃方案，如廈門市利用高精度三維模型構(gòu)建房屋、市政設(shè)施的BIM體系，引入物聯(lián)網(wǎng)和人工智能技術(shù)，將規(guī)劃、國土、住建、環(huán)保的部分標(biāo)準(zhǔn)、參數(shù)、部件、需求統(tǒng)一到同一系統(tǒng)下，兼顧未來可持續(xù)的方針，進(jìn)行全市頂層設(shè)計(jì)。2016年莫拉蒂臺(tái)風(fēng)給廈門造成嚴(yán)重危害后，利用全要素化的社會(huì)資源，一天之內(nèi)所有垃圾清理、水電維護(hù)、設(shè)備搶修都在中樞系統(tǒng)安排下有條不紊地完成了災(zāi)后重建。精確真實(shí)的城市三維數(shù)據(jù)是未來城市精細(xì)化管理和高質(zhì)量發(fā)展的基石。

地下管線是一座城市的“生命線”。利用三維GIS對(duì)整個(gè)城市的三維立體空間進(jìn)行統(tǒng)一描述，并充分準(zhǔn)確地集成表達(dá)地下的地質(zhì)、管線、構(gòu)筑物以及地上的土地、交通、建筑、植被等，形成與現(xiàn)實(shí)世界一致的三維立體空間框架。在單體建筑方面，利用三維城市規(guī)劃系統(tǒng)，在仿真城市場景中實(shí)時(shí)互動(dòng)評(píng)估與分析規(guī)劃方案，為規(guī)劃管理者提供更直觀與科學(xué)的依據(jù)。結(jié)合歷史和規(guī)劃數(shù)據(jù)，可瀏覽整個(gè)城市的演變歷程和未來面貌，為空間規(guī)劃提供支撐。

5.3 三維礦體管理

自然資源是生態(tài)環(huán)境的命脈，利用三維的方式可為自然資源“把脈”。若沒有了高度，山會(huì)變成平原；若沒有了樹木，山也不會(huì)是金山銀山；若沒有地下空間，也不會(huì)看到金礦銀礦。自然資源在空間分布上不僅具有廣度，還具有深度。通過自然資源三維建設(shè)，實(shí)現(xiàn)從地面到地下，從整體到個(gè)體，直觀展示多層次、多維度、多元化的自然資源空間分布情況。全方位、立體、直觀的實(shí)景三維有效解決了三維礦體的管理難題。

5.4 不動(dòng)產(chǎn)確權(quán)登記

不動(dòng)產(chǎn)登記客體信息具備空間性質(zhì)，第三維信息僅用樓層、高度、朝向等屬性內(nèi)容來表述，未準(zhǔn)確反映各地籍實(shí)體的空間位置與范圍，難以確定產(chǎn)權(quán)體空間位置的“唯一性”。利用建筑物三維表達(dá)客體的真實(shí)空間位置情況，利用三維樓盤表達(dá)不動(dòng)產(chǎn)單元的抵押、查封等信息，再將樓盤表、分戶圖、屬性數(shù)據(jù)三者相結(jié)合，全方位還原不動(dòng)產(chǎn)登記信息。

5.5 應(yīng)急災(zāi)害防治

2018年10月10日中央財(cái)經(jīng)委員會(huì)第三次會(huì)議提出，大力提高我國自然災(zāi)害防治能力，實(shí)施自然災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警信息化工程。隨后，圍繞普適型地災(zāi)監(jiān)測(cè)設(shè)備研發(fā)、隱患調(diào)查、信息化建設(shè)等方面，自然資源部大力推進(jìn)地質(zhì)災(zāi)害防治工作，我國地災(zāi)防治市場也由此進(jìn)入一個(gè)新階段。自然資源部部長陸昊在相關(guān)會(huì)議上強(qiáng)調(diào)，要綜合運(yùn)用合成孔徑雷達(dá)測(cè)量、高分辨率衛(wèi)星遙感、無人機(jī)遙感、機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量等多種新技術(shù)手段，搞清楚“隱患點(diǎn)在哪里”。

我國地形復(fù)雜、山高谷深、溝壑縱橫，地質(zhì)條件復(fù)雜，易發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害。根據(jù)高程數(shù)據(jù)三維地形建模成果，利用坡度分析功能可快速、全面、準(zhǔn)確地找到地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，為應(yīng)急救災(zāi)提供決策支撐。2020年面對(duì)突如其來的新冠肺炎疫情，實(shí)景三維助力智慧防疫，匯總?cè)懈餍^(qū)樓棟戶信息、集中辦公點(diǎn)數(shù)據(jù)以及醫(yī)療資源信息，并將醫(yī)院、方艙、社區(qū)的實(shí)時(shí)監(jiān)控視頻與三維模型無縫融合，嚴(yán)格監(jiān)測(cè)管控區(qū)域疫情發(fā)展情況，為統(tǒng)籌全民“戰(zhàn)疫”提供了技術(shù)支撐。2021年鄭州特大暴雨給人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全帶來了嚴(yán)重威脅，實(shí)景三維為開展災(zāi)后救災(zāi)提供了詳實(shí)的數(shù)據(jù)支撐。

5.6 城市規(guī)劃設(shè)計(jì)

在城市規(guī)劃設(shè)計(jì)方面，可利用日照分析、通視分析等三維分析功能，在虛擬三維空間中模擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境，并對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而分析建筑的日照是否滿足要求，道路的通視是否合理等，做好精準(zhǔn)合理的規(guī)劃[7]。通過傾斜攝影技術(shù)完成城市實(shí)景三維模型建設(shè)，全要素、真實(shí)地反映地物的外觀、位置、高度等屬性，能更加直觀地聯(lián)合多部門進(jìn)行城市規(guī)劃和綜合決策。

6 結(jié)語

傾斜攝影測(cè)量、三維激光掃描等技術(shù)的迅猛發(fā)展給實(shí)景三維的信息采集奠定了堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)獲取基礎(chǔ)，5G通信技術(shù)的逐漸普及給實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)的在線瀏覽和應(yīng)用提供了強(qiáng)大的技術(shù)支撐，大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等技術(shù)給實(shí)景三維的海量信息搭建了可靠的數(shù)據(jù)平臺(tái)。未來的實(shí)景三維將會(huì)“飛入尋常百姓家”，讓社會(huì)大眾足不出戶即可沉浸式周游神州大地，滿足新時(shí)代自然資源“兩統(tǒng)一”職責(zé)履行和城市更新等各方面的新需求，推動(dòng)基礎(chǔ)測(cè)繪服務(wù)能力和水平的大幅躍升。