激光点云与倾斜摄影多源数据深度融合快速构建城市级实景三维城市技术流程及应用
Editor's Note
采用LightSpeed、MicroStation&TerraSolid、Context Capture、3ds Max、PhotoShop等软件进行空三加密、影像校正、实景三维模型制作、三维模型单体化等数据处理与生产。
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摘要 ：实景三维城市已成为三维空间支撑基础设施，是新型基础设施建设的重要内容，地市级实景三维城市建设是全面构建实景三维中国的基础。本文结合实景三维临沂的建设，提出了在低重叠度下，激光点云与倾斜摄影多源数据深度融合技术快速构建城市级实景三维城市的技术流程与体系，其数据成果在大比例尺地形图测绘、智慧临沂时空信息云平台建设、三维不动产登记管理等方面被深入应用，对推动城市级实景三维城市建设及应用具有实践意义。
关键词：实景三维城市, 倾斜摄影, 单体化模型, 大比例尺地形图, 三维不动产
实景三维城市是对客观世界的真实表达，是利用测绘新技术获取的一种新型基础测绘成果。倾斜摄影、激光雷达、无人机航测、云计算、大数据等技术的快速发展，全面改变了传统三维城市建设模式，使得地市级城市可以低成本、高效快速构建全覆盖的实景三维城市或数字孪生城市。实景三维城市已成为智慧城市建设、城市精细化管理、应急管理、三维自然资源管理等方面重要的三维空间支撑基础设施，是新型基础设施建设的重要内容。自然资源部提出了构建实景三维中国的两步走战略和地形级、城市级、部件级3个层级构建体系。推进地市级实景三维城市建设是全面构建实景三维中国的基础，采用先进的技术手段高效快速构建地市级实景三维已成为研究重点。临沂市采用低重叠度下激光点云与倾斜摄影多源数据深度融合技术，快速实现了实景三维临沂建设。
1 数据获取
为满足基础地理信息数据库更新、智慧城市建设等需求，解决传统建模方式精度低、周期长、真实性差等问题,2016年9月组织实施了市辖区2300 km2实景三维临沂建设项目。采用运5飞机、RIEGL LMS-Q1560机载激光雷达、SWDC-5AP100倾斜航摄仪，分别获取了优于4点/m2的机载激光点云数据、优于0.05 m的正射影像和航空倾斜影像，航飞实际作业情况见表1。
表1 航飞作业情况
根据航摄设备、精度要求和航摄区平均高程等实际情况，机载激光雷达点云航高1800 m、旁向重叠度不低于20%、铺设航线52条；倾斜摄影航高930 m、航向重叠度不低于70%、旁向重叠度不低于40%、铺设航线220条，航线覆盖范围超出摄区边界至少一条基线，如图1所示。
图1 点云、倾斜航线铺设
2 数据处理与生产
通过航空摄影获取了多于100TB的多源原始数据，采用LightSpeed、MicroStation&TerraSolid、Context Capture、3ds Max、PhotoShop等软件进行空三加密、影像校正、实景三维模型制作、三维模型单体化等数据处理与生产。
2.1 像控点布设与采集
为满足航摄像片的空三加密、机载激光点云数据、DOM、DEM、实景三维数据成果精度，在目标影像上选择清晰、易于判读的细小线状物的交点、明显地物拐角点或像片上影像小于0.3 mm×0.3 mm的点状地物中心作为控制点和检查点。测区范围内实地布设并测定像控点和检查点共598个，如图2所示，采用临沂市似大地水准面精化成果进行正常高转换，以提高成果数据精度。
2.2 数据处理流程
在实景三维模型数据处理与生产过程中，点云数据与倾斜数据深度融合的处理流程如图3所示，主要分为点云数据处理和倾斜数据处理两部分。
(1) 点云数据处理：
导入GPS数据，对原始航飞点云数据进行坐标转换、航带拼接校正，导出LAS格式的点云数据。对点云数据进行检查、数据分类处理，利用地面点云生成DEM成果，利用构筑物点云构建单体化实景三维白模。
图2 像控点及检查点点位
(2) 倾斜数据处理：
导出原始8 bit真彩色影像原始数据，对下视E镜头数据进行传统空三数据处理，融合点云制作的DEM,生产航摄区DOM数据。进行五镜头倾斜数据空三加密处理，引入全部RIEGL LMS-Q1560激光点云数据进行低重叠度倾斜数据空三成果校正，生产格网三维模型。引入构筑物分类激光点云数据与白模数据，采用匹配算法自动从倾斜相片中采集模型纹理，生产单体化三维实景模型。
图3 数据融合处理流程
2.3 主要技术方法
在三维建筑物白模构建、倾斜摄影空三解算及建筑物纹理贴图方法等方面采用的主要技术方法包括：
(1) 采用点云数据与正射影像相结合的方法构建三维建筑物白模。通过对点云数据分类处理、构筑物点云高程渲染，将其与正射影像融合制作建筑物白模，保障建筑主体结构合理、模型细节有层次和高精度，优化减少模型面数和局部结构，减小模型数据量。
(2) 采用点云数据与倾斜影像联合平差的空三加密技术以提高倾斜影像空三加密精度。通过点云提供的密集控制信息，减少粗差连接点的数量，减少外业像控点的布设，有效抑制了自由网的内部扭曲与变形，提高了自由网平差的精度。有效改善了实景三维格网模型、倾斜影像单体化模型的建模效果，模型精度更加均匀可靠。
(3) 采用倾斜影像纹理与建筑物白模相对位置关系匹配的方法，自动识别和提取遮挡较少的底部影像纹理，并进行建筑物纹理自动贴图。对于确实存在遮挡的纹理，通过少量外业采集、修补或替换，保证建筑物模型具有较好的视觉效果。
3 实景三维成果及应用
本文获取了临沂市辖区2300 km2的1 m格网DEM与分辨率为0.1 m的DOM、1900 km2实景三维格网模型(Mesh)、400 km2单体化实景三维模型等数据成果，如图4所示。基于获取的上述成果，在1∶2000大比例尺地形图测绘、智慧临沂时空信息云平台建设、三维不动产登记管理、城市规划设计、辅助决策等方面得到深入应用。
3.1 1∶2000 DLG数据生产
利用点云数据与倾斜格网模型，采用EPS实景三维采集系统生产了1750 km2的1∶2000大比例尺地形图数据，如图5所示，建立了市辖区全覆盖的基础地形图库。二三维一体协调联动采编的数据获取较全野外数据采集效率大幅度提高，全图数据精度更加均衡，大幅度减少了外业工作量。
图4 主要成果
图5 基于实景三维的矢量化采集
3.2 智慧临沂时空信息云平台建设
实景三维数据在智慧临沂时空信息云平台建设中得到深入应用，如图6所示。在平台上开展了空间三维视域分析、透视分析；与监控视频网流式视频数据相融合，实现了虚拟与现实、动态与静态的一体无缝集成；与地下管线数据相融合，实现了地上、地下一体化集成展示；与POI、人口、法人等数据相融合，实现了基于三维空间的多因子关联分析，辅助决策支持分析。
3.3 三维不动产登记管理
以实景三维模型作为空间支撑，利用不动产分层分户图重构不动产单元三维实体，不动产三维实体与实景三维无缝集成与融合，实现用地批报、土地供应和不动产登记共3个阶段的全生命周期管理。前两个阶段实现了三维空间的土地位置、土地用途、投资主体性质及批准机构登记批准时间等土地的基本信息管理，如图7(a)所示。在不动产登记管理阶段实现了楼盘表中房屋状态的三维管理，以不同灰度直观表达房屋状态，如图7(b)所示的不同灰度。分别为登记且无抵押无限制查封的房屋，存在抵押的房屋，存在限制查封的房屋。三维不动产登记管理系统与临沂市不动产登记系统对接，实行数据共享与协同服务，在三维环境下集成了该房屋的单元信息、产权信息、图形浏览、楼盘表、分户图等。
图6 智慧临沂时空信息云平台建设中的应用
图7 三维不动产登记管理系统
4 结 语
针对地市级实景三维城市建设的实际需求，本文以实景三维临沂建设为例，探索了采用低重叠度下激光点云与倾斜摄影多源数据深度融合技术快速构建城市级实景三维城市的技术流程与体系，以较低成本获取了多类型空间地理数据，验证了该技术方法的高效性与可行性。基于实景三维临沂数据成果，探索了在大比例尺地形图测绘、智慧临沂时空信息云平台建设、三维不动产登记管理等方面的深入应用，为推动实景三维城市建设及其成果应用，实现自然资源管理由二维系统向三维系统演变，建立三维立体自然资源“一张图”具有现实意义。
原标题：地市级实景三维城市建设及应用
蔡振锋1, 彭斌2, 季霞2, 季鹏2
1. 临沂市兰山区自然资源局, 山东 临沂 276001;
2. 临沂市自然资源和规划局测绘院, 山东 临沂 276000
作者简介：蔡振锋(1982-),男,硕士,高级工程师,主要研究方向为倾斜摄影、智慧城市建设、地理信息系统等
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