基于“多測合一”的部件級實景三維建設探索

摘要：文章以貴陽市甲秀樓部件級實景三維建設為例，研究基于無人機傾斜攝影、貼近攝影測量技術在工程建設項目“多測合一”中應用推廣的可行性，探索通過傾斜攝影、貼近攝影測量技術[1-2]等手段形成甲秀樓部件級實景三維模型，結合新型基礎測繪體系建設中實景三維建設的要求，進行二、三維地理實體構建，最后形成“多測合一”竣工驗收的部件級實景三維成果，以為自然資源管理部門提供更為詳盡、真實、準確的基礎數(shù)據(jù)，也可作為實景三維貴陽貴安建設眾源數(shù)據(jù)之一，為實景三維中國建設添磚加瓦。

關鍵詞：貼近攝影測量；多測合一；三維建模；地理實體；部件級實景三維模型

中圖分類號：TP3 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2024）19-0101-03

0 引言

自然資源部印發(fā)的《實景三維中國建設總體實施方案（2023—2025年）》中明確指出，可通過公共財政支持、市場化運作等多元投入方式來開展部件級實景三維建設。傳統(tǒng)的“多測合一”測繪成果主要以數(shù)字線劃圖為表達形式；然而，在新型基礎測繪業(yè)務格局之下，實景三維已成為基礎測繪的主要成果展現(xiàn)方式。筆者認為，“多測合一”測繪業(yè)務與部件級實景三維建設高度契合。本文從“多測合一”竣工驗收階段的測繪業(yè)務切入，研究和探索基于“多測合一”的部件級實景三維建設，其中，無人機技術與新型測繪技術的結合是實現(xiàn)此目標的重要手段之一。

1 建設思路

貴州省“多測合一”竣工驗收階段的主要測繪成果形式包括竣工地形圖、竣工平面圖、建筑分層平面圖、竣工圖片及匯總表等文檔資料。根據(jù)實景三維建設的技術要求，“多測合一”竣工驗收測繪成果要以部件級實景三維成果形式體現(xiàn)，第一步是利用無人機傾斜攝影測量技術獲取竣工范圍的傾斜數(shù)據(jù)，制作竣工區(qū)域的三維場景表達；第二步利用傾斜模型數(shù)據(jù)生產(chǎn)二維地理實體數(shù)據(jù)，并掛接相應的屬性信息，同時在此基礎上派生竣工地形圖、竣工平面圖、建筑分層平面圖；第三步通過貼近攝影測量對竣工區(qū)域建筑物、構筑物及附屬設施進行數(shù)據(jù)采集，實現(xiàn)建筑物、構筑物及附屬設施的三維精細化模型重建。最終形成一套完整的既達到現(xiàn)行“多測合一”竣工驗收要求的測繪成果，又符合實景三維建設要求的部件級實景三維成果。其技術路線如圖1所示。

2 建設內容

2.1 數(shù)據(jù)獲取

本文以貴陽市甲秀樓部件級實景三維建模為例[3-5]，甲秀樓位于貴陽市南明河上，是貴陽文化歷史的見證，其建筑特點是三層三檐四角攢尖頂閣樓式建筑，樓層逐層收進，樓整體由石拱“浮玉橋”連接兩岸，橋面至樓頂高約20米，由12根石柱托檐，樓邊護以白色雕花石欄桿合圍。選擇甲秀樓進行部件級實景三維建模，主要是因為其具有一定的復雜性，便于探討和總結在部件級實景三維建設中成本控制及實踐經(jīng)驗。

利用無人機對甲秀樓景區(qū)大約0.05平方千米區(qū)域進行3cm的傾斜攝影，對甲秀樓建筑及周邊附屬設施進行分辨率優(yōu)于1cm的貼近攝影測量所需影像采集[5]。對建筑的彩繪圖案、雕刻等重點細節(jié)及無人機無法進入的區(qū)域，主要集中在一樓外的廊道，需要補拍影像數(shù)據(jù)，以保證建模紋理細節(jié)的完整性。經(jīng)過研究對比，選擇了具有衛(wèi)星定位、慣導和視頻攝影測量RTK設備進行補拍，既能保障精度又能滿足后期三維建模要求，可以作為貼近攝影測量數(shù)據(jù)的一種便捷有效的補充手段。航線點云數(shù)據(jù)如圖2所示。

2.2 空三建模

將無人機傾斜影像、貼近攝影影像、RTK補拍影像、控制點成果導入建模軟件中分別進行空三加密。1） 無人機傾斜影像使用地面控制點進行平差，并生成粗模[6]；2） 貼近攝影影像結合補拍影像進行密集匹配，為保證和前者數(shù)據(jù)具有統(tǒng)一的空間參考基準，從傾斜影像生成的粗模中選取明顯特征點作為控制點輔助貼近攝影影像進行空三加密。

要得到傾斜影像和貼近影像融合后的精細化模型，需要對兩者空三成果進行融合，即空三加密點的融合拼接。在融合拼接完成后，利用建模軟件構建TIN結構，對三角網(wǎng)進行優(yōu)化，選擇最佳的目標影像進行紋理映射與優(yōu)化，劃分精細三維模型小區(qū)域瓦片，通過多節(jié)點集群系統(tǒng)并行處理，完成三維模型重建。

在三維重建基礎上進行檢查，檢查航片質量，剔除不合格的影像，檢查模型是否存在空洞、拉花、漂浮物等不合格項，對影響模型效果的質量問題進行修復，如果影響重建效果還須進行補拍。均無誤后可以詳細瀏覽所建成的甲秀樓實景三維模型的精細化紋理，碑文上的刻字清晰可見，景區(qū)導覽二維碼可在瀏覽器上進行掃描識別，樓體和牌坊的檐廊下雕花、鐫刻圖案栩栩如生，色彩紋理反映得明艷真實，達到對建筑單體的部件級實景三維建模效果，如圖3所示。

2.3“ 多測合一”地理實體分類

“多測合一”地理實體分類標準的確定是進行二維地理實體生產(chǎn)的前提，分類中涉及的建筑物、構筑物之類的地理實體可直接按新型基礎測繪基礎地理實體分類，涉及規(guī)劃控制方面的地理實體可以歸到管理實體的一級類（國土空間規(guī)劃）中二級類（規(guī)劃控制線）里，包括規(guī)劃用地紅線、規(guī)劃道路紅線、綠化保護帶、河道保護藍線、歷史文物保護紫線、高壓走廊黑線等。

2.4 二維地理實體生產(chǎn)

2.4.1 地理實體方案配置

在進行地理實體生產(chǎn)之前須對地理實體進行方案配置。根據(jù)“多測合一”地理實體分類標準：1） 定制FeatureCodeTB表（一般稱為編碼表），設置編碼、實體名稱、圖層、線寬、顏色、對象類型（點、線、面）等內容，通過字段名稱、字段含義、字段說明三項對編碼表進行詳細說明，如表1所示。2） 主要依據(jù)2017版國家基本比例尺地形圖圖式定義各要素的符號化樣式，通過修改符號描述表進行（SymbolScriptTB表）。按照地物類型及其圖式符號特征，EPSE地理實體工作站基本可以分為七大類符號定制方式。屬性表的字段由基本屬性加該圖層內所有實體的專用屬性的并集組成，包含字段名、字段別名、字段類型、字段描述、值域等。

2.4.2 地理實體定義

按照“多測合一”地理實體分類標準對實體進行定義。根據(jù)現(xiàn)實世界中已知的信息，預定義基本實體關系，在生產(chǎn)過程中，根據(jù)實際應用需要增加、修改、刪除實體關系。同時，定義地理實體語義規(guī)則，可根據(jù)語義化應用需要對地理實體語義關系進行增加、修改、刪除。

2.4.3 地理實體生產(chǎn)

在進行地理實體方案配置、地理實體定義工作后，開始進行地理實體生產(chǎn)工作，全要素地形數(shù)據(jù)和地理實體的數(shù)據(jù)格式采用山維EPS的EDB格式。地理實體制作的流程包括源數(shù)據(jù)收集分析、實體編輯、語義化處理、數(shù)據(jù)質檢4個環(huán)節(jié)。源數(shù)據(jù)是處理好的竣工區(qū)域傾斜模型，在傾斜模型上進行實體圖形和屬性的采集、編輯。實體編輯主要為線實體和面實體的編輯，屬性采集、編輯主要為對屬性信息的提取，如道路名稱、建筑層數(shù)面積等。語義化處理包括實體屬性掛接、屬性編輯、空間身份編碼賦值、實體關系構建等，生產(chǎn)過程中要對實體分類名稱賦值，還要對實體身份編碼賦值，以便生產(chǎn)軟件自動構建實體關聯(lián)關系；最后根據(jù)實體建立規(guī)則定制質檢方案和質檢功能，對實體圖形從空間邏輯、實體屬性、實體關系等多個維度的質量檢查，滿足質檢規(guī)范要求。質量檢查通過后，在實體數(shù)據(jù)基礎上派生竣工地形圖，制作竣工平面圖、建筑分層平面圖。

3 工作量測算

通過上述工作完成甲秀樓部件級實景三維的建設以后，筆者對工作量進行了測算，目的是對基于“多測合一”竣工驗收中的部件級實景三維生產(chǎn)可推廣性和成果的多樣性、可用性進行評估。

經(jīng)過測算，竣工現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集花費6小時，按一個工作日計算。地理實體生產(chǎn)3小時，按半個工作日計算。建?？杖\算耗時4小時，三維建模耗時8小時，是建模軟件自動運算，24小時運行，可基本不占用工作時間。完成甲秀樓部件級實景三維工作大約需要兩個工作日。甲秀樓部件級實景三維能提供的成果包括竣工范圍內傾斜模型及派生真正射影像（TDOM） 、數(shù)字高程模型（DEM） 、數(shù)字表面模型（DSM） ，二維地理實體及派生的數(shù)字線劃圖（DLG） 。按現(xiàn)行的工作方式對甲秀樓區(qū)域進行竣工測量并完成最終成果提交所需時間大約一個工作日。

4 結束語

目前，“多測合一”竣工驗收成果主要是二維的DLG線劃圖，對驗收項目整體信息反饋相對抽象、單一。結合新型基礎測繪體系建設和實景三維中國建設的推進，筆者通過研究、實踐，探索出一些有意義的經(jīng)驗。一是摸索出一套基于“多測合一”竣工驗收中的部件級實景三維生產(chǎn)全新的、可行的工藝流程；二是部件級實景三維模型能夠提供精細的、豐富的紋理細節(jié)信息，而地理實體數(shù)據(jù)成果將模型語義化，兩者結合使它既能真實地反映竣工建筑物實體的紋理和屬性信息，滿足行業(yè)管理部門查詢、瀏覽、規(guī)劃設計等功能需求，又能滿足建設項目實行精細化、數(shù)字化管理的需要；三是助力數(shù)字政府建設，為城市更新、應急救災等提供支撐服務，還可通過“互聯(lián)網(wǎng)+”技術打造數(shù)字文旅，實現(xiàn)文化旅游的線上導覽，為文物建檔、修繕保護等提供數(shù)字化文檔資料；四是竣工驗收部件級實景三維模型可作為實景三維中國建設的數(shù)據(jù)源之一，避免重復測繪，減少時間和財政的多次投入，達到節(jié)能增效的目的。隨著科技的不斷發(fā)展，實景三維在“互聯(lián)網(wǎng)+”、云計算等技術的背景下產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟效益，具有廣闊的應用前景，但是在數(shù)據(jù)輕量化、軟硬件配套等方面還需要一段時間的摸索，我們將在今后的應用中持續(xù)探索，精益求精。

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