劉浪涯

（成都市勘察測繪研究院）

1 引言

相比傳統(tǒng)測繪成果，實景三維場景具有更真實的視覺效果，可以為城市規(guī)劃、建設、管理等工作提供可視化的地理空間信息。近年來，北京、武漢等城市已開展了城市實景三維建設，取得了良好的社會經(jīng)濟效益和示范作用[1-2]。

目前，實景三維技術依然存在部分地形地物細節(jié)表現(xiàn)不足、建筑模型精度較低等質(zhì)量問題，無法滿足各領域?qū)Ω呔?、高真實感的地理空間信息需求。為解決該問題，本文對實景三維各類型數(shù)據(jù)進行了分析，從數(shù)據(jù)構(gòu)成、單體化生產(chǎn)、數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查等方面對如何提高成果質(zhì)量進行了研究和實踐。

2 三維數(shù)據(jù)生產(chǎn)

2.1 數(shù)據(jù)構(gòu)成方式

在三維表現(xiàn)方面，連續(xù)三角面模型可以準確表達除建筑以外的大部分地形地物，此類數(shù)據(jù)由大量不規(guī)則三角面組成，也被稱為“一張皮模型”，是目前實景三維最具代表性的成果。連續(xù)三角面模型可由Context Capture等軟件自動生成，該類型數(shù)據(jù)目前廣泛應用于地形圖測量、景觀三維展示等。

單體化模型可以準確表達建筑等人工地物或設施，該類數(shù)據(jù)由傳統(tǒng)手工三維建模結(jié)合傾斜攝影技術發(fā)展而來，先利用人工建模的方式制作出形狀真實合理的模型，然后利用傾斜影像自動映射紋理[3]。經(jīng)過人工編輯的模型可以確保其形狀和外觀的準確性，并且可以在三維GIS中進行模型的屬性查詢、空間分析等操作[4]。

因此，可以將這兩類模型進行組合，對自然地形、植被等要素使用連續(xù)三角面模型，對建筑物、構(gòu)筑物等要素使用單體化模型，既能避免連續(xù)三角面模型中建筑扭曲變形的問題，又能彌補單體化模型只能表現(xiàn)特定類型地物的局限，起到揚長避短，優(yōu)化場景的作用，此兩類模型的特點如表1所示。

表1 各類模型質(zhì)量要素對比

2.2 單體化生產(chǎn)方式

目前，單體化模型主要以連續(xù)三角面模型為基礎，通過人工觀察模型認識建筑物的形狀，然后通過套合原有模型的方式制作單體化模型。由于在連續(xù)三角面模型中建筑存在較多的扭曲變形，制作的單體化模型的位置和形狀依然會與實際場景存在較大偏差，并且人工建模時，單體化模型同原有三角面模型的套合緊密度主要取決于作業(yè)員的觀察視角和經(jīng)驗，容易出現(xiàn)偏離原有位置的情況，使得模型的空間位置可靠性進一步降低。

為解決此類問題，可以利用激光點云數(shù)據(jù)輔助完成單體化建模。激光掃描獲取的點云具有較高的空間位置精度，不會出現(xiàn)因弱紋理造成的扭曲變形，并且點云自動建模的技術較成熟，可以快速完成大范圍的建筑自動建模，因此，可以利用該建模方式提高單體化模型的位置精度[5-6]。

相比于傾斜影像，激光點云存在采樣率密度偏低、缺乏紋理等問題，自動生成的模型會缺少紋理和小尺寸的形狀細節(jié)，因此需要在自動建模的基礎上，人工對模型進行細節(jié)形狀補充編輯和紋理映射，最終得到兼具空間位置精度、結(jié)構(gòu)形狀和真實紋理的單體化模型。

2.3 質(zhì)量檢查

上述手段可以在一定程度上提高實景三維的質(zhì)量，但為進一步確保模型的質(zhì)量，需要對成果采取嚴格的質(zhì)量標準和完善的檢查方式[2,7-8]。

2.3.1 連續(xù)三角面模型檢查

對連續(xù)三角面模型需要檢查模型的空間位置精度和完整性。

①空間位置精度檢查：在測區(qū)利用全站儀或GPS-RTK等方式實測一定數(shù)量的檢查點，并對模型中相對應的位置點進行對比檢查[8]，檢查點需要選取裸露于地表的明顯特征點，如道路標記線等。

②完整性檢查：通過目視方式檢查模型是否覆蓋完整、水面是否存在漏洞。

2.3.2 單體化模型檢查

單體化模型需檢查模型的空間位置精度、形狀完整性、紋理真實性，及與連續(xù)三角面模型的結(jié)合程度。

①空間位置精度檢查：在測區(qū)內(nèi)利用全站儀測量一定數(shù)量的檢查點，并對單體化模型的對應位置點進行對比檢查，檢查點應選取建筑上的形狀特征點，如房角、窗臺角等。

②模型形狀檢查、紋理檢查：通過目視方式，以傾斜航空影像和現(xiàn)場地面照片為依據(jù)，判讀單體化模型的形狀是否真實準確、細節(jié)結(jié)構(gòu)的取舍是否合理，檢查模型紋理是否真實、完整。

2.3.3 場景結(jié)合度檢查

在三維GIS中同時加載連續(xù)三角面模型與單體化模型，目視檢查兩類模型之間的結(jié)合程度，檢查是否存在沖突、分離等結(jié)合問題。

3 實際案例

為驗證上文中改進措施的有效性，項目組在四川天府新區(qū)實景三維生產(chǎn)項目中進行測試。天府新區(qū)是國家級新區(qū)及公園城市典范，區(qū)域內(nèi)有眾多的地標建筑及園林綠地，均需在實景三維中準確表達。

項目采用了連續(xù)三角面模型和單體化模型組合的方式，以同時滿足建筑和植被的場景質(zhì)量要求，并且采用了激光點云輔助單體化方式和全面完整的質(zhì)量檢查措施，整個項目的生產(chǎn)流程如圖1所示。

圖1 天府新區(qū)某項目實景三維生產(chǎn)流程

3.1 單體化模型生產(chǎn)

使用點云中建筑類點云進行自動建模處理，對于農(nóng)村房屋等非重點區(qū)域建筑，自動生成模型的形狀已滿足要求。對于重點建筑，在自動生成的模型的基礎上進行編輯，補充模型上必要的形狀細節(jié)，并完成紋理映射處理，得到重點建筑物的模型成果。

3.2 連續(xù)三角面模型處理

在實景三維模型編輯軟件中對連續(xù)三角面模型進行處理，對已經(jīng)完成單體化的建筑、橋梁、設施等地物進行刪除或壓平，并對水面、懸浮物等進行處理，確保模型的整體顯示效果[9-10]。

3.3 模型質(zhì)量檢查

3.3.1 位置精度檢查

外業(yè)實測了654個地面特征點和413個建筑特征點用于模型的位置精度檢查，通過將模型上對應位置的坐標值與實測坐標值進行對比檢查，最終得到的精度情況如表2所示。

表2 模型精度統(tǒng)計（單位/米）

檢查結(jié)果表明，兩類模型的位置精度均滿足對應成果類型的精度要求。

3.3.2 形狀、紋理檢查

以傾斜影像和地面實地影像為依據(jù)，對模型的形狀和紋理進行檢查，發(fā)現(xiàn)部分單體化模型存在的形狀取舍不當、紋理錯位等質(zhì)量問題，需要對質(zhì)量問題的模型進行修改。

3.3.3 結(jié)合度檢查

在三維GIS中將單體化模型和連續(xù)三角面模型同時顯示，人工檢查兩類模型在地面的銜接位置，通過檢查發(fā)現(xiàn)部分區(qū)域存在兩類模型重疊過多或間隙過大等情況，需要對相應的位置進行修改處理。

經(jīng)過上述系列檢查處理后，整體數(shù)據(jù)成果質(zhì)量合格，表現(xiàn)質(zhì)量有顯著提高，局部場景成果如圖2所示。

圖2 模型組合顯示

4 結(jié)語

目前，城市實景三維成果存在一定的場景質(zhì)量和精度質(zhì)量問題，不能較好地滿足各個應用領域的需求，因此，本文從實景三維的數(shù)據(jù)構(gòu)成、單體化生產(chǎn)、質(zhì)量檢查等方面提出了優(yōu)化改進方法，通過連續(xù)三角面模型和單體化模型組合的構(gòu)成方式、點云輔助單體化的方式提高了模型的整體精度和三維展示效果，并進一步采用完善的質(zhì)量檢查措施確保成果的整體質(zhì)量水平。在實踐中，以天府新區(qū)實景某三維生產(chǎn)項目為例，充分驗證了此類措施的可行性和有效性，確保了項目的成果質(zhì)量，進一步為實景三維成果的多領域應用奠定了基礎。