實(shí)景三維的實(shí)踐與思考
——以興仁市為例

李晨

貴州省第一測(cè)繪院 貴州 貴陽 550025

引言

實(shí)景三維是對(duì)一定范圍內(nèi)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)字空間，是新型基礎(chǔ)測(cè)繪的標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品，是國(guó)家重要的新型基礎(chǔ)設(shè)施，為經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和各部門信息化提供統(tǒng)一的空間基底[1]。

傾斜攝影測(cè)量技術(shù)是通過無人機(jī)等傳感設(shè)備，對(duì)地面進(jìn)行單垂直、多傾斜、多角度拍攝，根據(jù)傳輸設(shè)備自身的坐標(biāo)、航高、航速、航向及旁向重疊等參數(shù)及地理地形資料，得到詳細(xì)實(shí)測(cè)地物信息數(shù)據(jù)的新型技術(shù)之一[2]。該技術(shù)在歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)廣泛應(yīng)用于應(yīng)急指揮、國(guó)土安全、城市管理、房產(chǎn)稅收等行業(yè)[3]。

1 實(shí)景三維的發(fā)展和應(yīng)用

實(shí)景三維模型的歷史可以追溯至幾十年前。最初，這種技術(shù)主要是軍事上為了更好地進(jìn)行偵察和情報(bào)收集而開發(fā)的。后來，學(xué)術(shù)界和工業(yè)界開始利用實(shí)景三維模型技術(shù)進(jìn)行各種應(yīng)用研究。

目前，國(guó)外已經(jīng)成功利用衛(wèi)星遙感影像快速生產(chǎn)大規(guī)模城市實(shí)景三維模型。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感技術(shù)和圖像處理技術(shù)的不斷進(jìn)步，我國(guó)的實(shí)景三維建模技術(shù)也日益成熟和完善，產(chǎn)生了更加復(fù)雜、細(xì)致、真實(shí)的結(jié)果。這些進(jìn)步極大地提高了空間設(shè)計(jì)和展示效果，并展現(xiàn)出其強(qiáng)大的應(yīng)用前景。

一是城市規(guī)劃和建筑設(shè)計(jì)：實(shí)景三維模型可以幫助城市規(guī)劃者和建筑設(shè)計(jì)師更好地理解和預(yù)測(cè)城市發(fā)展情況，優(yōu)化城市布局和建筑設(shè)計(jì)，提高城市規(guī)劃的科學(xué)性和可行性。

二是景觀設(shè)計(jì)：實(shí)景三維技術(shù)可以幫助景觀設(shè)計(jì)師更好地模擬和展示景觀效果，使設(shè)計(jì)更加真實(shí)、具體和可視化，提供更好的決策依據(jù)。

三是旅游推廣：通過實(shí)景三維技術(shù)，可以將城市的旅游景點(diǎn)、自然風(fēng)光、文化遺產(chǎn)等進(jìn)行立體化的展示。這種虛擬旅游的體驗(yàn)不僅可以增加游客的參與感和互動(dòng)性，還可以提高旅游推廣的效果和影響力。

四是應(yīng)急救援：在地質(zhì)災(zāi)害、洪水災(zāi)害、公共衛(wèi)生事件和突發(fā)應(yīng)急等災(zāi)害防治方面，基于實(shí)景三維的技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)立體化的時(shí)空分析決策和實(shí)時(shí)物聯(lián)感知，為災(zāi)害預(yù)警和重大災(zāi)難事故的快速應(yīng)急提供科學(xué)依據(jù)和輔助決策支持。

五是展覽展示：實(shí)景三維技術(shù)可以創(chuàng)建高度逼真的展覽場(chǎng)景，提供更真實(shí)、交互性更強(qiáng)的展示效果，增強(qiáng)觀眾的參與感和體驗(yàn)感。

六是數(shù)字化圖書：實(shí)景三維技術(shù)可以用于數(shù)字化圖書的制作，使讀者可以通過三維模型更好地了解書中的內(nèi)容，提供更豐富、生動(dòng)的閱讀體驗(yàn)。

七是虛擬現(xiàn)實(shí)：實(shí)景三維技術(shù)可以與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)結(jié)合，創(chuàng)造出更加真實(shí)、沉浸式的虛擬世界，提供更真實(shí)的體驗(yàn)和交互方式等。

1.1 興仁市大規(guī)模實(shí)景三維建設(shè)實(shí)踐

貴州省興仁市作為一個(gè)歷史悠久的城市，擁有豐富的文化資源和獨(dú)特的風(fēng)景名勝。然而，由于城市發(fā)展的需要，傳統(tǒng)的城市規(guī)劃和建設(shè)方法已經(jīng)無法滿足人們對(duì)于城市環(huán)境的需求。因此，大規(guī)模實(shí)景三維建設(shè)成為了一種重要的手段。

興仁市大規(guī)模實(shí)景三維建設(shè)對(duì)城市發(fā)展有著積極的影響和作用。首先，通過實(shí)景三維建設(shè)，能夠展示城市獨(dú)特的文化和風(fēng)景，吸引更多的游客和投資者。其次，實(shí)景三維建設(shè)可以提升城市規(guī)劃和管理的效率。通過虛擬建模技術(shù)，城市管理者可以更加直觀地了解城市的發(fā)展需求和問題，從而更好地制定規(guī)劃、管理方案。

2 技術(shù)路徑

采用無人機(jī)搭載滿足測(cè)繪精度要求的攝影測(cè)量系統(tǒng)，獲取全域優(yōu)于20cm分辨率航空影像。

獲取城鎮(zhèn)開發(fā)邊界范圍內(nèi)優(yōu)于3cm高分辨率的航空遙感影像數(shù)據(jù)。

按區(qū)域網(wǎng)布點(diǎn)要求布設(shè)足夠數(shù)量的像控點(diǎn)，采用GPS（RTK）方式，結(jié)合GZCORS進(jìn)行外業(yè)像控點(diǎn)施測(cè)。

內(nèi)業(yè)利用 ContextCapture Center開展空三加密，生產(chǎn)實(shí)景三維模型、真正射影像TDOM及數(shù)字表面模型DSM。

基于全域?qū)嵕叭S模型及真正射影像，結(jié)合行政區(qū)、道路、交通、水利等要素，生產(chǎn)實(shí)景三維基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫。

依托興仁市實(shí)景三維基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫，充分利用自然資源調(diào)查監(jiān)測(cè)、三區(qū)三線劃定、建設(shè)用地批供數(shù)據(jù)、地災(zāi)數(shù)據(jù)、相關(guān)規(guī)劃等專題數(shù)據(jù)成果，完成可用于查詢、分析、統(tǒng)計(jì)、更新、管理、展示的實(shí)景三維地理空間數(shù)據(jù)分析與管理平臺(tái)建設(shè)。開展興仁市糧食作物種植情況監(jiān)測(cè)及用地選址分析模塊兩個(gè)示范應(yīng)用建設(shè)。

3 建設(shè)主要內(nèi)容

全域航空攝影：利用無人機(jī)獲取興仁市全域0.2m分辨率航空影像，制作0.2m分辨率正射影像，覆蓋面積1627.2km2。

地形級(jí)三維建設(shè)：利用獲取0.2分辨率的航空影像，開展興仁市農(nóng)村部分地形級(jí)實(shí)景三維模型建設(shè)，覆蓋面積1544.2km2。

城市級(jí)三維建設(shè)：通過無人機(jī)仿地飛行模式，獲取優(yōu)于0.03m高分辨率的傾斜攝影數(shù)據(jù)，完成興仁市城鎮(zhèn)部分83.0km2的實(shí)景三維模型制作。

實(shí)景三維地理空間數(shù)據(jù)分析與管理平臺(tái)建設(shè)：平臺(tái)采用開放性架構(gòu)設(shè)計(jì)、通用性接口和標(biāo)準(zhǔn)化服務(wù)，兼容市場(chǎng)上主流軟件系統(tǒng)與數(shù)據(jù)格式，依托興仁市實(shí)景三維基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫，融合無人機(jī)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)以及人工智能等新興技術(shù)，充分利用既有基礎(chǔ)測(cè)繪、糧食作物監(jiān)測(cè)、自然資源調(diào)查監(jiān)測(cè)、國(guó)土空間規(guī)劃、建設(shè)用地起底大調(diào)查等專題數(shù)據(jù)成果，搭建滿足各類實(shí)景三維數(shù)據(jù)和專題數(shù)據(jù)的一體化管理平臺(tái)等。

3.1 成果示范應(yīng)用

3.1.1 用地選址。根據(jù)用地選址要求，充分利用自然資源調(diào)查監(jiān)測(cè)、三區(qū)三線劃定、建設(shè)用地批供數(shù)據(jù)、地災(zāi)數(shù)據(jù)、相關(guān)規(guī)劃等專題數(shù)據(jù)成果，構(gòu)建興仁市用地選址分析功能模塊。通過各類系統(tǒng)平臺(tái)的互聯(lián)互通，實(shí)現(xiàn)“多規(guī)”信息的集成和運(yùn)用，依托平臺(tái)開展項(xiàng)目合規(guī)性審查，實(shí)現(xiàn)合理用地選址。

3.1.2 糧食作物常態(tài)化監(jiān)測(cè)。開發(fā)糧食作物監(jiān)測(cè)舉證App，用于實(shí)時(shí)收集興仁市范圍內(nèi)糧食作物的空間分布和種植面積等屬性情況，并將采集到的數(shù)據(jù)導(dǎo)入地理信息系統(tǒng)進(jìn)行處理和分析。利用空間分析技術(shù)，可以統(tǒng)計(jì)作物的空間分布，并將處理和分析后的數(shù)據(jù)可視化展示在實(shí)景三維地理空間框架中。該應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了對(duì)糧食作物種植情況的日常監(jiān)測(cè)，為興仁市農(nóng)業(yè)發(fā)展及有關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃提供數(shù)據(jù)支撐，并為市政府及農(nóng)業(yè)農(nóng)村相關(guān)部門提供決策研判。

4 實(shí)景三維建設(shè)的思考

4.1 關(guān)鍵技術(shù)與創(chuàng)新亮點(diǎn)

4.1.1 地形級(jí)生產(chǎn)。本次項(xiàng)目的創(chuàng)新之處在于地形級(jí)三維模型采用了無人機(jī)原始航片作為數(shù)據(jù)源，通過加載控制點(diǎn)和POS數(shù)據(jù)，經(jīng)一系列的處理步驟，實(shí)現(xiàn)了高度逼真的實(shí)景三維模型生產(chǎn)。與傳統(tǒng)的DEM數(shù)字高程模型與DOM正射影像疊加生產(chǎn)三維模型的方法相比，這種方法能夠解決地形模型層次不分明、建（構(gòu)）筑物不能較好體現(xiàn)等問題。

4.1.2 無人機(jī)仿地飛行。貴州山地落差較大，這對(duì)航空攝影測(cè)量也提出了更高的要求，常規(guī)航線設(shè)置獲取的航片存在山頂分辨率高而山腳分辨率低的問題，為了解決該困難，項(xiàng)目城鎮(zhèn)部分創(chuàng)新采用無人機(jī)仿地飛行模式開展傾斜攝影測(cè)量。通過精確的航線設(shè)計(jì)和控制算法，在飛行過程中可調(diào)整飛行高度獲取的地形數(shù)據(jù)，即保持對(duì)地表的恒定高差，以構(gòu)建精度較高的精細(xì)模型。

4.1.3 建立三維一張圖信息管理平臺(tái)。該項(xiàng)目依托興仁市實(shí)景三維基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)，融合了無人機(jī)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)以及人工智能等新興技術(shù)，承載三維傾斜數(shù)據(jù)展示及為各項(xiàng)示范應(yīng)用做底板支撐，建立了興仁市三維一張圖信息管理平臺(tái)，用于集中管理和整合各類實(shí)景數(shù)據(jù)，并進(jìn)行按需更新，提供給相關(guān)部門和企業(yè)使用，以避免數(shù)據(jù)孤島和重復(fù)建設(shè)，提高數(shù)據(jù)的共享和利用效率。

4.2 存在的挑戰(zhàn)

實(shí)景三維技術(shù)具有許多優(yōu)勢(shì)。然而，實(shí)景三維技術(shù)的應(yīng)用也面臨著一些挑戰(zhàn)。首先，數(shù)據(jù)獲取與處理復(fù)雜且耗費(fèi)大量時(shí)間和資源。需要對(duì)實(shí)景進(jìn)行大規(guī)模的數(shù)據(jù)采集、處理和整合，以確保數(shù)據(jù)的精確性和完整性。其次，實(shí)景三維技術(shù)的應(yīng)用需要具備高性能的計(jì)算機(jī)硬件和軟件支持，以保證實(shí)時(shí)渲染和交互效果的流暢性。此外，隱私和安全問題也需要引起重視，實(shí)景三維建設(shè)涉及大量的數(shù)據(jù)收集和處理，因此需要建立相關(guān)的隱私保護(hù)和安全措施，確保數(shù)據(jù)的安全性和合法性。

4.3 實(shí)景三維技術(shù)的發(fā)展策略

為了更好地推進(jìn)城市實(shí)景三維技術(shù)的發(fā)展，可采取以下策略。

4.3.1 加強(qiáng)數(shù)據(jù)采集與整合：建立完善的數(shù)據(jù)采集機(jī)制，整合不同部門和機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù)資源，提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性。

4.3.2 優(yōu)化技術(shù)支持：加強(qiáng)與計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、虛擬現(xiàn)實(shí)等相關(guān)領(lǐng)域的合作，提升實(shí)景三維技術(shù)的計(jì)算和渲染能力，使其更適應(yīng)大規(guī)模應(yīng)用的需求。

4.3.3 推動(dòng)政策和標(biāo)準(zhǔn)制定：制定相關(guān)政策和標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范實(shí)景三維技術(shù)的應(yīng)用和數(shù)據(jù)共享，加強(qiáng)隱私保護(hù)和安全管理。

4.3.4 加強(qiáng)應(yīng)用場(chǎng)景開發(fā)：結(jié)合城市規(guī)劃、社會(huì)治理、旅游推廣和文化傳承等需求，深入挖掘?qū)嵕叭S技術(shù)在不同領(lǐng)域的應(yīng)用潛力，開發(fā)更多的應(yīng)用場(chǎng)景和功能，提高用戶體驗(yàn)和參與度。

5 結(jié)束語

實(shí)景三維中國(guó)建設(shè)是一項(xiàng)具有劃時(shí)代意義的工程，它的推廣和應(yīng)用將帶來巨大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。本文通過對(duì)實(shí)景三維技術(shù)的發(fā)展、應(yīng)用實(shí)踐、關(guān)鍵技術(shù)與創(chuàng)新亮點(diǎn)、優(yōu)勢(shì)與挑戰(zhàn)進(jìn)行分析，可以得出一些發(fā)展策略，如加強(qiáng)數(shù)據(jù)采集與整合、優(yōu)化技術(shù)支持、推動(dòng)政策和標(biāo)準(zhǔn)制定、加強(qiáng)應(yīng)用場(chǎng)景開發(fā)等。這些策略的實(shí)施將為實(shí)景三維新型測(cè)繪技術(shù)的發(fā)展提供有力支持，促進(jìn)城市規(guī)劃、社會(huì)治理、旅游推廣和文化傳承等方面的進(jìn)步。