大規(guī)模中心城區(qū)精細化建模及可視化研究

華安中,孫 灝

(南京市測繪勘察研究院股份有限公司,江蘇 南京 210000)

實景三維是新型基礎(chǔ)測繪建設(shè)的重要方向,也是智慧城市建設(shè)的必然要求[1]。隨著城市規(guī)劃建設(shè)的不斷發(fā)展,城市管理工作的復(fù)雜性也在不斷提升,傳統(tǒng)的二維地理信息數(shù)據(jù)存在可視化程度低、交互性差、空間分析不足等短板,難以滿足城市精細化、信息化管理的需求[2-3]。三維城市模型是城市各類管理對象的三維表達,可直觀、準確地展現(xiàn)出城市基本情況,尤其在復(fù)雜地理空間信息的表達上有其獨特的優(yōu)勢,因此越來越多的三維模型用于城市規(guī)劃、建設(shè)、管理等領(lǐng)域[4-5]。

傳統(tǒng)的三維城市場景構(gòu)建大都依賴于三維建模軟件,對于大場景的三維模型構(gòu)建存在著周期長、真實性不足的問題[6-7]。近年來信息技術(shù)的發(fā)展帶動了無人機傾斜攝影測量等高新技術(shù)的興起,打破了傳統(tǒng)的三維建模方式,憑借其高效率、真實性等優(yōu)勢,逐漸成為三維城市建設(shè)的主要技術(shù)手段。然而受光照變化、地面遮擋、建模機制等因素影響,其構(gòu)建的三維模型在智慧城市的管理及可視化應(yīng)用上都存在一定的限制[8-10]; 同時隨著城市規(guī)劃、管理等工作的不斷深入,管理對象的尺度也逐步縮小。因此,構(gòu)建大規(guī)模城市單體精細化模型及可視化應(yīng)用成為了智慧城市建設(shè)重要課題[11-12]。

本文以南京市江寧區(qū)三維城市模型建設(shè)項目為研究對象,融合應(yīng)用無人機傾斜攝影測量、車載移動測量、地面近景影像、大比例尺地形圖等多源異構(gòu)數(shù)據(jù),以實現(xiàn)大規(guī)模中心城區(qū)三維精細化場景的構(gòu)建,同時借助數(shù)字孿生平臺搭建三維可視化系統(tǒng),以滿足智慧城市管理對三維模型數(shù)據(jù)的需求。

1 研究概況

1.1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)域位于南京市江寧區(qū)中心城區(qū),總面積約100 km2,區(qū)域內(nèi)地勢復(fù)雜、要素眾多、交通便捷、水網(wǎng)發(fā)達,密集多元的居民住宅群、特征鮮明的城市地標、產(chǎn)業(yè)集聚的城市新城互相交織;多條高速公路與城市道路相互貫通,高速鐵路跨境而過;秦淮河主流縱貫?zāi)媳?支流密布?？傮w而言,研究區(qū)域內(nèi)地形地貌特點鮮明,城市建設(shè)成熟度高,研究區(qū)域概況如圖1所示。

圖1 研究區(qū)域概況

1.2 技術(shù)路線

基于研究區(qū)域內(nèi)地形、地貌、交通、建筑等要素分布情況,在充分進行實地踏勘,并考慮項目建設(shè)需求的前提下,設(shè)計了技術(shù)流程,如圖2所示。

圖2 技術(shù)流程

2 多源數(shù)據(jù)采集及利用

2.1 無人機影像數(shù)據(jù)采集

傾斜攝影測量是以無人機為載體,搭載多臺傳感器對地面進行多視角影像采集,憑借其機動靈活、高效精細等技術(shù)優(yōu)勢,成為實景三維數(shù)據(jù)的主要采集手段。本文采用了飛馬V100固定翼無人機搭載D-OP3000五鏡頭相機傳感器進行航空影像數(shù)據(jù)采集,在無人機航飛前,根據(jù)區(qū)域內(nèi)地形高差、高層建筑物分布、飛行安全等因素,將研究區(qū)合理細分為多個航攝分區(qū)。在航線設(shè)計時,根據(jù)區(qū)域內(nèi)高層建筑物的分布情況,按照“高度<120 m”“120 m≤高度<150 m”“高度≥150 m”作為三級分布式統(tǒng)計,合理設(shè)計飛行參數(shù),具體參數(shù)設(shè)置見表1。

表1 固定翼無人機航線參數(shù)設(shè)計

對于區(qū)域內(nèi)的高層建筑物,固定翼無人機航飛時為顧及地面分辨率要求,造成了部分高層建筑物頂部重疊度偏低,制作出的模型出現(xiàn)破洞、不完整現(xiàn)象。針對此類問題,本文采用了大疆M300 RTK、精靈4 RTK旋翼機對此類區(qū)域設(shè)計插補航線進行補飛。而在三維重建時,由于兩類影像數(shù)據(jù)源不同導(dǎo)致像片參數(shù)不一致等,往往會造成空三失敗的情況,因此,首先將兩類影像單獨進行空三加密,再將兩種加密成果合并為新的空三加密成果,大大提高了空三成功率及三維模型重建質(zhì)量。

2.2 車載移動測量數(shù)據(jù)采集

無人機傾斜攝影測量技術(shù)在獲取地面影像時,往往由于道路兩側(cè)的植被遮擋等原因,制作出的實景三維模型存在交通部件要素丟失或不完整情況,而交通要素是城市建設(shè)的重要基礎(chǔ)設(shè)施,其部件多、功能性強。因此,本文利用了車載移動測量的方式獲取道路及其兩側(cè)的三維激光點云數(shù)據(jù),并同步獲取全景影像數(shù)據(jù),彌補此類情況資料缺失的問題。

本文使用的車載移動測量系統(tǒng)搭載的三維激光掃描儀可獲取發(fā)射中心100 m范圍內(nèi)可觸及的點位信息,5臺尼康D820相機的分辨率為1億像素,可分別獲取車行方向前、后、左、右、上的影像信息,并且車載移動測量系統(tǒng)借助車載平臺向前移動獲取空間三維點信息。經(jīng)過后處理差分定位得到每個點的絕對坐標,平面和高程的標稱精度均可達到5 cm,同時搭載的全景相機和面陣相機系統(tǒng)可獲取車行路徑的全景影像,這可作為道路精細化建模所需的紋理數(shù)據(jù)。車載移動測量系統(tǒng)技術(shù)指標見表2。

表2 車載移動測量系統(tǒng)技術(shù)指標

2.3 地面近景影像采集

無人機傾斜攝影技術(shù)在遮擋區(qū)域存在攝影盲區(qū),會造成數(shù)據(jù)缺失的情況,車載移動測量技術(shù)也只對道路兩側(cè)的無遮擋區(qū)域采集較為完整,而中心城區(qū)復(fù)雜性強,兩種數(shù)據(jù)采集方法進行精細化建模無法顧及全部場景,均存在一定的局限性。因此,本文對于地面或近地面遮擋嚴重的區(qū)域,且車載移動測量系統(tǒng)采集的全景影像無法補充,如店鋪招牌等要素,采用了人工實地近景影像進行補充采集。

由于地面凈空對無人機采集存在一定的安全隱患,地面近景影像采集主要使用了人工手持數(shù)碼相機的方式拍攝。補拍的近景影像既可用于無人機影像的聯(lián)合建模,提高模型精細度,又可用于紋理數(shù)據(jù)庫的建設(shè),補充缺失的紋理。地面近景影像采集主要遵循以下原則:拍攝時選擇光線較為柔和的環(huán)境,避免環(huán)境對所拍對象的顏色影響,保證精細化建模紋理色彩的統(tǒng)一;建筑物立面補拍要拍攝局部特征寫照,能反映建筑結(jié)構(gòu)、紋理不同部位特征,同時拍攝范圍應(yīng)大于特征范圍。

2.4 1∶500地形圖

1∶500比例尺地形圖在服務(wù)城市建設(shè)管理領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用,這也推動著地形圖生產(chǎn)技術(shù)的快速發(fā)展。目前,1∶500地形圖生產(chǎn)方式主要是全野外數(shù)據(jù)采集、無人機傾斜攝影測量和三維激光點云等,數(shù)據(jù)精度高、邏輯性強,同時依托城市地形圖動態(tài)維護更新項目,數(shù)據(jù)的現(xiàn)勢性也較好。

在地形圖中,點、線、面都包含屬性值,如房屋的擴展屬性包含名稱、材質(zhì)、層數(shù)、建筑高度等信息。基于地形地物的矢量輪廓面及屬性值,也可實現(xiàn)三維模型的建立,這為三維城市建模提供了另一種途徑。因此,本文將1∶500地形圖用于實景三維模型遮擋、蠟熔區(qū)域的模型構(gòu)建,提取其屬性信息賦值到三維模型屬性,進行白模的構(gòu)建,同時地形圖也可以用于實景三維模型的精度檢核。

3 精細化建模及結(jié)果分析

3.1 模型層級分類

對于大規(guī)模、多細節(jié)層次的三維城市模型,不僅需要大容量的數(shù)據(jù)存儲空間承載海量數(shù)據(jù),更需要高性能的計算能力支撐模型運行及數(shù)據(jù)處理需求。因此,為降低數(shù)據(jù)的存儲要求,通常以LOD表達不同的模型的細節(jié)層次,實現(xiàn)高效、流暢的三維可視化,同時按照不同的數(shù)據(jù)應(yīng)用需求,調(diào)整模型復(fù)雜度和冗余度[13]。

根據(jù)細節(jié)表示的不同,模型層次可分為LOD0、LOD1、LOD2、LOD3、LOD4 5類。其中,LOD0表示2.5維的數(shù)字地形圖;LOD1表示無屋頂結(jié)構(gòu)的體塊模型;LOD2指包含屋頂結(jié)構(gòu)和貼圖的城市場地模型;LOD3為細節(jié)層次更豐富、貼圖分辨率更高的城市場地模型;LOD4細節(jié)層次最為豐富,包含了建筑的內(nèi)部結(jié)構(gòu)[14-15]。模型多層級分類見表3。

表3 三維城市模型多層級分類

本文主要涉及LOD2和LOD3層級模型。其中,LOD2級覆蓋面積約68 km2,主要為小區(qū)、單位內(nèi)部等非重點表達區(qū)域;LOD3級覆蓋面積約30.1 km2,主要為城市中心、副中心、歷史文化街區(qū)等需重點、精細表達的區(qū)域;此外,在LOD3級模型基礎(chǔ)上,根據(jù)應(yīng)用需求,對部分城市主次干道,增加了表示道路地面標識線、交通信號燈、路燈等交通附屬設(shè)施,達到了道路部件級精細建模標準,此區(qū)域面積約1.9 km2。

3.2 精細化建模

無人機傾斜攝影測量在照片重疊度不足、遮擋嚴重區(qū)域,制作出的實景三維模型會出現(xiàn)扭曲、變形等現(xiàn)象,尤其在玻璃幕墻的建模中,還會受到光照、入射角等多種因素影響,制作出的三維模型變形狀況尤為明顯,這對三維模型的使用造成了一定影響。此外,傾斜攝影建模是基于建模軟件實現(xiàn)空三加密、三維重建等步驟,自動化程度高。然而由于其建模機制,構(gòu)建的三維模型是一塊完整連續(xù)的TIN三角網(wǎng)格,無法進行各單體設(shè)施的應(yīng)用管理。因此實景三維模型要應(yīng)用于智慧城市的管理,還需要進行單體精細化建模。

本文根據(jù)模型等級劃分范圍,基于實景三維模型進行了各要素的精細化模型制作;制作過程主要包含了白模制作和紋理模型制作兩大步驟。白模制作主要是通過位置、范圍和高度制作模型的主體結(jié)構(gòu);紋理模型制作是在白模的基礎(chǔ)上通過照片、影像對模型結(jié)構(gòu)進行細化和貼圖,最終完成精細化建模。

基于傾斜實景三維模型,結(jié)合車載移動測量數(shù)據(jù)和1∶500地形圖,利用3ds Max軟件分別對建筑、交通、水系、植被和場地等要素進行了白模制作;同時利用實景三維模型、全景影像和地面近景影像進行材質(zhì)紋理的制作。賦予白模后,構(gòu)建紋理模型數(shù)據(jù),再將建筑、交通、地形、其他要素紋理模型成果進行場景融合、要素接邊,保證場景的完整性、準確性和色彩一致性。項目部分區(qū)域精細化建模場景如圖3所示。

圖3 部分區(qū)域精細化模型成果

3.3 結(jié)果分析

3.3.1 模型完整度分析

三維模型完整度是評價模型質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一,主要包含了模型的幾何完整度和表面紋理的完整度,這直接決定了三維模型的視覺展示效果和適用場景。與無人機實景三維模型相比,精細化建模是多源數(shù)據(jù)融合應(yīng)用的結(jié)果,尤其在部分困難區(qū)域更是應(yīng)用了二維和異源數(shù)據(jù)建模。而無人機實景三維模型受數(shù)據(jù)采集時的環(huán)境影響較大,制作的實景三維模型不可避免會出現(xiàn)變形現(xiàn)象,因此精細化建模的幾何完整度要遠好于無人機實景三維模型。在表面紋理的完整度上,無人機實景三維模型是相機拍攝照片的直接映射,在一些變形區(qū)域會出數(shù)據(jù)缺失、缺乏紋理信息的現(xiàn)象;同時由于拍攝時天氣、光照的不同,可能會出現(xiàn)區(qū)域紋理反差過大現(xiàn)象。而精細化建模統(tǒng)籌考慮整個區(qū)域,建立了材質(zhì)紋理庫,對每張紋理貼圖的亮度、對比度、色相飽和度、色階等參數(shù)進行了調(diào)整,使紋理貼圖整體色調(diào)與現(xiàn)狀保持了一致,保證了場景色彩的一致性,其視覺沖擊感更強。本文部分區(qū)域無人機攝影測量建模及精細化建模效果對比如圖4所示。

圖4 模型效果對比

由圖4可以看出,精細化建模的模型完整度更高,模型表達更加細膩,細節(jié)比例程度更高,更適應(yīng)智慧城市的管理應(yīng)用需求。

3.3.2 數(shù)學(xué)精度評價

為評價構(gòu)建三維模型的整體精度,首先利用全站儀和GPS對區(qū)域內(nèi)主要地物的部分平面和高程進行了坐標采集;然后以實地測量檢查點坐標為真值,在三維模型上拾取相同位置的點位坐標;最后利用模型采集坐標和實地采集坐標進行對比,計算中誤差以衡量模型的數(shù)學(xué)精度。平面和高程中誤差計算公式分別為

(1)

式中,σs、σh分別表示三維模型的平面中誤差和高程中誤差;Δx、Δy、Δh分別表示模型采集坐標和實地采集坐標的差值。

分析檢測坐標可以得出,共檢測平面坐標點位1344個,高程坐標點位1322個,其中建筑要素占比66.3%,交通要素22.8%,水系、植被、場地等其他要素占比約10.9%,檢測點在區(qū)域內(nèi)基本分布均勻。根據(jù)式(1)計算出三維模型平面和高程的中誤差、平均誤差、最大誤差和最小誤差,并對誤差大小和數(shù)量分布進行函數(shù)擬合,結(jié)果分別如表4和圖5所示。

表4 三維模型精度統(tǒng)計 m

圖5 三維模型數(shù)學(xué)精度檢測誤差分布

綜合以上誤差統(tǒng)計結(jié)果可知,精度檢測結(jié)果分布相對穩(wěn)定,呈正態(tài)分布,同時各類檢測要素覆蓋齊全,檢測數(shù)量充足,檢測點位分布均勻。因此,本文數(shù)學(xué)精度檢測結(jié)果可靠,滿足三維城市建模的精度要求。

4 三維可視化系統(tǒng)搭建

三維城市模型是智慧城市的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)底座,城市的精細化管理需要一套真實、穩(wěn)定、輕量化的可視化平臺支撐,而基于多源異構(gòu)數(shù)據(jù)制作的三維城市模型存在著數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)復(fù)雜度高、可視化困難等特點。因此,建立三維可視化平臺承載大場景的三維城市模型,直觀展現(xiàn)城市基礎(chǔ)設(shè)施且進行數(shù)據(jù)的管理應(yīng)用對于智慧城市建設(shè)是十分必要的。

本文作業(yè)范圍大,100 km2中心城區(qū)無人機傾斜航飛的影像數(shù)據(jù)量高達80多萬張,制作的三維精細化城市模型更是占用海量存儲,對如此海量數(shù)據(jù)的管理應(yīng)用十分困難,因此選擇合適的承載系統(tǒng)進行三維城市模型的可視化尤為重要。本文基于某數(shù)字孿生平臺構(gòu)建了三維可視化系統(tǒng),利用SOA技術(shù)進行系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計,基于Web Service的方式實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的共享,達到了跨平臺異構(gòu)多源數(shù)據(jù)的訪問和互操作。在數(shù)據(jù)展示上,首先基于矢量瓦片切片技術(shù)將矢量數(shù)據(jù)切割成矢量瓦片緩存數(shù)據(jù),然后結(jié)合矢量要素按級別展示到顯示屏幕時最小展示單元為像素的特點,按照級別將要素坐標轉(zhuǎn)化為整數(shù)瓦片坐標,并采用算法進行要素化簡,按級別縮減小比例尺下要素的顯示點陣數(shù),將化簡后的圖形和原要素的屬性信息同時按級別存儲至索引中。此方式保存了各瓦片中所有的要素的圖形和屬性。一方面通過本級無損的抽稀與切割,達到屏幕顯示圖形無損;另一方面也可為矢量數(shù)據(jù)在瀏覽過程中的查詢、過濾提供屬性信息。在數(shù)據(jù)渲染上,通過矢量瓦片渲染引擎,將矢量瓦片數(shù)據(jù)按照配圖樣式進行系統(tǒng)出圖。瀏覽器前端加載矢量切片和切片樣式,通過前端canvas繪制出圖,一套矢量切片數(shù)據(jù)可以配置多種樣式,從而達到一圖多用的效果,減少了切片數(shù)據(jù)的重復(fù)生產(chǎn),最終實現(xiàn)了大規(guī)模三維城市模型的快速加載和渲染。本文構(gòu)建的三維可視化系統(tǒng)某視角展示如圖6所示。

圖6 三維可視化展示

基于數(shù)字孿生平臺構(gòu)建的三維可視化系統(tǒng),不僅能加載大規(guī)模精細三維數(shù)據(jù),還可接入地下管線、地下空間等數(shù)據(jù),支持二三維一體化、地上地下一體化、室內(nèi)室外一體化等數(shù)據(jù)融合及服務(wù)功能,并且可進行功能需求的定制開發(fā),基于此系統(tǒng)可進行城市管理的各項應(yīng)用,如空間規(guī)劃、應(yīng)急管理、數(shù)字化治理等,從而助力城市的精細化、智慧化管理。

5 結(jié) 論

從信息化到智能化再到智慧化,智慧城市的建設(shè)進程在不斷邁進,以三維城市模型為載體的數(shù)據(jù)應(yīng)用也將會越來越多,其需求從主功能性也逐漸擴充到應(yīng)用體驗性。本文以南京市江寧區(qū)為研究對象,融合利用多源異構(gòu)數(shù)據(jù)開展了大規(guī)模中心城區(qū)三維精細化模型的構(gòu)建及可視化研究,得出以下結(jié)論:

(1)以固定翼無人機傾斜攝影測量為主要數(shù)據(jù)采集方式,輔以多旋翼無人機傾斜攝影測量、車載移動測量、地面近景影像采集等多種方式融合建模的技術(shù)路線可行,不僅可提高實景三維模型的生產(chǎn)效率,而且提高了實景三維模型的精細度。

(2)單體化建模方案解決了實景三維模型無法直接管理應(yīng)用的技術(shù)缺陷,并可構(gòu)建出精細化的三維城市模型,模型數(shù)學(xué)精度高,完整性更優(yōu),細節(jié)表達更加細膩,可滿足智慧城市建設(shè)與管理的應(yīng)用需求。

(3)利用數(shù)字孿生平臺構(gòu)建三維可視化系統(tǒng),具備著大規(guī)模三維場景的海量數(shù)據(jù)承載和運行能力,并可接入各類城市管理數(shù)據(jù),按需定制服務(wù),可真正為城市的精細化、智慧化管理賦能。

實景三維技術(shù)的不斷成熟,推動著數(shù)字孿生在城市各領(lǐng)域更廣泛深入的應(yīng)用,如何快速構(gòu)建輕量化、可視性強的大數(shù)據(jù)平臺,并將其貫穿于城市全生命周期管理之中,將是未來智慧城市重要的研究方向。