摘要:地形圖質(zhì)量的高低直接關(guān)系到地理信息中各項功能的有效性,在決策制定、自然資源管理和應急響應等方面,地形圖提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù),而其質(zhì)量的高低直接決定了這些應用的精度和可信度。錯誤的地形信息可能導致錯誤的分析結(jié)論,對于土地利用規(guī)劃、災害風險評估等具有重要意義的決策過程產(chǎn)生深遠的影響。因此,地形圖質(zhì)量對于地理信息的應用至關(guān)重要,而實景三維模型的應用為提升地形圖的質(zhì)量和真實感提供了新的可能性。深入探討實景三維模型地形圖在地形圖中的質(zhì)量檢驗方法,專注于地形圖的空間精度、拓撲精度、真實感等關(guān)鍵質(zhì)量特征。通過對多源數(shù)據(jù)一致性、大規(guī)模數(shù)據(jù)處理、自動化檢測與修復等技術(shù)挑戰(zhàn)的專業(yè)闡述,提供全面的視角,以解決實際應用中地形圖質(zhì)量檢驗的關(guān)鍵問題。
關(guān)鍵詞:實景三維模型地形圖質(zhì)量檢驗
中圖分類號:P284
QualityInspectionMethodforTopographicMapsBasedonRealistic3DModels
WANGXuanjie
ShanxiConservancyTechnicalCollege,Yuncheng,ShanxiProvince,044000China
Abstract:Thequalityoftopographicmapsdirectlyimpactstheeffectivenessofvariousfunctionswithingeographicinformation.Indecision-making,naturalresourcemanagement,andemergencyresponse,topographicmapsprovidebasicdata,andthequalitydirectlydeterminestheaccuracyandreliabilityoftheseapplications.Incorrecttopographicinformationcanleadtoincorrectanalyticalconclusions,profoundlyaffectingdecision-makingprocesses,suchaslanduseplanning,disasterriskassessment.Therefore,thequalityoftopographicmapsiscrucialfortheapplicationofgeographicinformation.Theapplicationofrealistic3Dmodelsopensupnewpossibilitiesforenhancingthequalityandrealismofterrainmaps.Thispaperdeeplydiscussedthequalityinspectionmethodsoftopographicmapsusingrealistic3Dmodels,focusesonkeyqualitycharacteristicssuchasspatialaccuracy,topologicalaccuracy,andrealism.Throughprofessionalelucidationofchallengessuchasmulti-sourcedataconsistency,large-scaledataprocessing,automateddetection,andrepairtechniques,acomprehensiveperspectiveisprovidedtoaddressthekeyissuesintopographicmapqualityinspectioninpracticalapplications.
KeyWords:Realistic;3Dmodel;Topographicmap;Qualityinspection
實景三維模型作為一種先進的地圖制作技術(shù),通過高精度的激光掃描和影像融合,能夠還原真實場景的地形和紋理,這為地形圖的制作提供了更加真實、細致的數(shù)據(jù),為地理信息應用提供了更為精準的基礎(chǔ)。然而,實現(xiàn)這一目標需要面對地形圖質(zhì)量檢驗的挑戰(zhàn),確保實景三維模型與實地一致,使其在地理信息中發(fā)揮更大的作用。
1實景三維模型地形圖的質(zhì)量特征
1.1空間精度
地形圖的空間精度是評估其質(zhì)量和真實性的關(guān)鍵指標之一,受到多方面因素的影響。首先,空間精度受到數(shù)據(jù)采集技術(shù)的直接制約,激光雷達、衛(wèi)星遙感和攝影測量等多種技術(shù)的選擇直接決定了地形模型的空間分辨率和幾何精度。以激光雷達為例,其高精度的測距能力使得采集到的點云數(shù)據(jù)具有較高的空間精度,特別適用于對復雜地形進行精細表達,然而在采集過程中,遮擋、反射等問題可能導致數(shù)據(jù)缺失或誤差,從而影響空間精度。數(shù)據(jù)采集過程中不同技術(shù)的組合使用也可能對地形模型的綜合精度產(chǎn)生影響。例如:將激光雷達數(shù)據(jù)與衛(wèi)星影像結(jié)合使用,有望提高模型的空間分辨率,進一步優(yōu)化地形圖的精度,因此在進行質(zhì)量檢驗時,需要全面考慮數(shù)據(jù)采集技術(shù)的選擇、組合和校正,以確??臻g精度的穩(wěn)定性和準確性[1]。另一個影響空間精度的關(guān)鍵因素是模型分辨率,模型分辨率反映了模型中表面細節(jié)的呈現(xiàn)程度,直接影響地形圖的空間精度。一般而言,模型分辨率越高,地形圖表達的細節(jié)就越豐富,相應的,空間精度也更高。但需要注意的是,過高的分辨率可能導致數(shù)據(jù)冗余和存儲問題,而過低的分辨率則可能導致地形細節(jié)的丟失,從而影響地形圖的真實性。
1.2拓撲精度
拓撲精度也是檢驗實景三維模型的重要指標之一,在實景三維模型中,地物之間的拓撲關(guān)系包括了鄰接關(guān)系、相交關(guān)系以及連接關(guān)系等,這些關(guān)系對于地形圖的真實性和可用性至關(guān)重要,例如:在城市場景中,建筑物之間的鄰接關(guān)系決定了街區(qū)的布局,而道路和河流之間的連接關(guān)系則直接影響了交通網(wǎng)絡的模擬和分析。通過采用拓撲關(guān)系矩陣等方法,量化不同地物之間的拓撲關(guān)系,再對比實地數(shù)據(jù)與模型生成數(shù)據(jù),可以評估模型中地物之間拓撲關(guān)系的準確性,這種分析有助于識別和定量拓撲關(guān)系中的誤差,為拓撲錯誤的檢測和修復提供基礎(chǔ)[2]。拓撲錯誤可能包括但不限于重疊、斷裂、孤立等問題,在拓撲錯誤的檢測方面,可以采用拓撲關(guān)系驗證算法、圖論方法等,這些方法可以自動識別拓撲錯誤,幫助制圖人員迅速定位問題。
1.3表達真實感
實景三維模型地形圖的真實感是評價其視覺效果和應用效能的重要因素,表達真實感的質(zhì)量特征涉及的紋理映射與真實場景還原以及光照效果對地形圖表達的影響。紋理映射是通過將真實場景的表面紋理投影到模型表面,以增強地形圖的真實感。該過程需要考慮拍攝設備、光照條件以及紋理的分辨率等因素,可以通過定量評估紋理映射的效果,比較模型表面的紋理與實地場景的一致性[3]。數(shù)據(jù)的紋理分析可通過計算模型表面的紋理映射與實地圖像的相似性指標,如結(jié)構(gòu)相似性等來實現(xiàn),該分析可以定量評估紋理映射的精度,并指導在模型生成過程中優(yōu)化紋理映射的策略。光照效果是實景三維模型地形圖中影響真實感的重要因素,合理的光照模擬可以使地形圖更生動、真實,但不當?shù)墓庹招Ч赡軐е逻^度曝光、陰影失真等問題,地形模型的光照模擬效果一般采用光照效果的數(shù)據(jù)分析定量進行評估。
2現(xiàn)有實景三維模型地形圖質(zhì)量檢驗方法
2.1視覺檢驗方法
視覺檢驗是地形圖質(zhì)量檢驗中的重要環(huán)節(jié),直接關(guān)系到地圖的真實感和用戶體驗,人眼評價是最直觀的地形圖質(zhì)量檢驗方法之一,通過專業(yè)人員或用戶直接觀察地圖,評估其真實性和逼真程度[4]。以城市規(guī)劃為例,專業(yè)規(guī)劃師可以通過觀察地形模型中的建筑物、道路、綠地等要素,判斷模型的還原度和幾何精度,某城市規(guī)劃項目中采用了激光雷達、衛(wèi)星影像等多源數(shù)據(jù)生成了實景三維模型。規(guī)劃師團隊通過人眼評價對比實景場景和模型地形圖,觀察建筑物的形狀、道路的走向、綠地的分布等要素,再通過實地調(diào)查和模型對比,直觀地評估了地形圖的可信度,并提出了一些改進建議。為提高評價的客觀性和可量化程度,主觀評價和客觀評價通常結(jié)合使用,主觀評價通過專家或用戶的主觀意見獲取信息,而客觀評價則通過算法、指標等客觀手段來進行。在上述城市規(guī)劃項目中,主觀評價后規(guī)劃團隊引入了結(jié)構(gòu)相似性指數(shù)(StructuralSimilarityIndexmeasure,SSIM)等客觀評價指標,通過計算模型地形圖的紋理映射與實景場景的相似性,以及模型的高程數(shù)據(jù)與實際地形的差異,得到了一系列客觀評價數(shù)據(jù)。結(jié)合主觀和客觀評價的綜合分析,規(guī)劃團隊更全面地了解了模型的優(yōu)勢和不足,為后續(xù)優(yōu)化工作提供了有力的支持。
2.2數(shù)據(jù)對比方法
數(shù)據(jù)對比方法是評估實景三維模型地形圖質(zhì)量的重要手段,它通過實景數(shù)據(jù)與地圖數(shù)據(jù)的對比分析以及檢測不一致性的算法與工具,為評估地形圖的真實性、準確性和一致性提供全面的信息。例如:某城市規(guī)劃項目中,實景激光雷達掃描數(shù)據(jù)被用于創(chuàng)建實景三維模型,并采用了均方根誤差(RootMeanSquareError,RMSE)和結(jié)構(gòu)相似性指數(shù)(StructuralSimilarityIndexmeasure,SSIM)等指標,對模型生成的地形圖與實景激光雷達掃描數(shù)據(jù)的對比分析。
對于一般地圖或城市規(guī)劃應用,RMSE閾值應在0.5~1m之間,紋理映射一致性(SSI)的范圍為[-1,1],一般而言,SSI在0.8以上可以認為是較好的一致性。如表1結(jié)果所示,RMSE的值為0.75m說明模型的幾何還原精度相對較高,并且通過SSI的分析,顯示模型的紋理映射與衛(wèi)星影像的一致性較好。這樣的對比分析充分了解了模型的幾何和紋理還原度,為地形圖的真實性提供了客觀依據(jù)。為了自動化地發(fā)現(xiàn)地形模型與實景數(shù)據(jù)之間的差異,項目還采用了基于拓撲關(guān)系的不一致性檢測算法,該算法通過分析模型地形圖和實景激光雷達數(shù)據(jù)中地物的關(guān)系,自動檢測拓撲錯誤,如建筑物之間的重疊、道路的斷裂等。同時,還應用了高程差異分析,通過計算實景激光雷達數(shù)據(jù)與模型生成的高程數(shù)據(jù)的差異,發(fā)現(xiàn)地形高程不一致性。這個案例中自動檢測到的拓撲錯誤和高程不一致性為后續(xù)的精細調(diào)整提供了有效的參考,通過這兩種方法的綜合應用,可以全面評估實景三維模型地形圖的質(zhì)量,發(fā)現(xiàn)潛在誤差并提供改進的空間,這種綜合分析方法為地形圖的質(zhì)量保障和優(yōu)化提供了全面而有效的手段。
2.3拓撲檢驗方法
拓撲關(guān)系檢測算法旨在分析模型中地物之間的關(guān)系,包括鄰接關(guān)系、相交關(guān)系、連接關(guān)系等,這些關(guān)系對于地形圖的真實性和可用性至關(guān)重要,拓撲關(guān)系檢測的方法通常涉及圖論、空間數(shù)據(jù)庫以及拓撲關(guān)系矩陣等[5]。采用拓撲關(guān)系矩陣等方法,可以量化不同地物之間的拓撲關(guān)系,這能夠通過對比實地數(shù)據(jù)與模型生成數(shù)據(jù),評估模型中地物之間拓撲關(guān)系的準確性,通過這種分析可以識別和定量拓撲關(guān)系中的誤差,為后續(xù)的錯誤修復提供基礎(chǔ)。在拓撲檢驗中發(fā)現(xiàn)的拓撲錯誤需要進行及時的修復和優(yōu)化,錯誤修復與優(yōu)化策略通常包括拓撲錯誤的自動修復算法和人工干預的手動修復方法。自動修復算法可以根據(jù)拓撲錯誤的類型采取不同的策略。例如:在處理建筑物之間的重疊問題時,可以使用空間分析算法進行自動調(diào)整,而對于道路斷裂等問題,可以通過道路網(wǎng)的拓撲修復算法進行處理。手動修復則需要操作人員根據(jù)實地調(diào)查和專業(yè)知識進行干預,通過地圖編輯工具手動調(diào)整地物的位置、形狀等,確保拓撲關(guān)系的準確性。
3地形圖質(zhì)量檢驗的關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)
3.1大規(guī)模數(shù)據(jù)處理
大規(guī)模數(shù)據(jù)的存儲和傳輸是首要的技術(shù)挑戰(zhàn)之一。高分辨率的地理信息數(shù)據(jù)通常具有龐大的體量,需要高效的存儲和傳輸手段,傳統(tǒng)的存儲系統(tǒng)可能面臨性能瓶頸,而高速傳輸則需要考慮網(wǎng)絡帶寬和延遲等問題,數(shù)據(jù)存儲方案和傳輸協(xié)議的選擇將直接影響到后續(xù)的數(shù)據(jù)處理效率和質(zhì)量評估的實時性。其中,海量地理信息數(shù)據(jù)往往包含了大量的噪聲和無效信息,需要進行有效的數(shù)據(jù)預處理和清洗,這涉及去除采集誤差、過濾異常點、統(tǒng)一坐標系統(tǒng)等步驟,數(shù)據(jù)的清洗質(zhì)量直接關(guān)系到后續(xù)分析的可信度,因此需要設計高效的算法和工具來應對大規(guī)模數(shù)據(jù)的清洗任務。同時,大規(guī)模數(shù)據(jù)處理需要考慮分布式計算和并行處理技術(shù),以提高數(shù)據(jù)處理的效率。并行計算能夠有效地利用多核處理器和分布式計算集群,加速數(shù)據(jù)處理過程,這需要設計并實現(xiàn)適用于大規(guī)模數(shù)據(jù)處理的分布式算法和并行計算框架。
3.2多源數(shù)據(jù)一致性
不同數(shù)據(jù)源采集的地理信息數(shù)據(jù)往往存在幾何差異,包括坐標系統(tǒng)不同、分辨率不同、形狀不同等問題,在進行多源數(shù)據(jù)一致性檢驗時,應有效融合和匹配幾何特征,這需要考慮不同數(shù)據(jù)源的幾何信息轉(zhuǎn)換和校正,確保各個數(shù)據(jù)源在幾何上的一致性。實景三維模型地形圖還涉及的語義信息包括建筑物、道路、水體等多種要素,而不同數(shù)據(jù)源對這些要素的描述可能存在差異,關(guān)鍵問題在于如何建模并驗證這些語義信息的一致性,這需要采用先進的語義建模技術(shù),同時設計有效的驗證算法,確保不同數(shù)據(jù)源的語義信息在地形圖中的一致性。其次,多源數(shù)據(jù)可能來自不同時間點的采集,而地形圖質(zhì)量檢驗需要考慮時間上的一致性,處理不同時間點數(shù)據(jù)的同步問題是一個技術(shù)挑戰(zhàn),尤其是在涉及城市規(guī)劃或更新的場景中,有效的時間戳記和時間戳記同步算法是解決時間一致性問題的關(guān)鍵。此外,多源數(shù)據(jù)一致性檢驗還通常涉及到跨源的數(shù)據(jù)訪問和管理,數(shù)據(jù)的高效訪問和管理是一個技術(shù)挑戰(zhàn),特別是在處理大規(guī)模數(shù)據(jù)時。采用分布式數(shù)據(jù)庫、高效的數(shù)據(jù)索引和存儲技術(shù),以及高效的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議,對于解決這一問題至關(guān)重要。
3.3自動化檢測與修復
在實景三維模型地形圖的質(zhì)量檢驗中,自動化檢測與修復是提高效率、降低人工成本的重要環(huán)節(jié),這涉及一系列技術(shù)挑戰(zhàn),包括幾何特征檢測、拓撲關(guān)系分析、錯誤修復策略等。自動化檢測需要準確識別模型中的幾何特征,如建筑物邊緣、道路中心線,幾何特征的識別涉及圖像處理、點云處理等領(lǐng)域,但面臨的挑戰(zhàn)在于不同模型的幾何特征表現(xiàn)形式多樣,需要設計通用而魯棒的算法。拓撲關(guān)系的分析對于自動化檢測與修復也至關(guān)重要,錯誤的定位需要深入理解模型中地物之間的拓撲關(guān)系,包括相鄰關(guān)系、連接關(guān)系等,其挑戰(zhàn)在于設計算法能夠快速而準確地定位拓撲錯誤,避免漏檢和誤報[6]。以某城市規(guī)劃項目為例,實景三維模型地形圖由于數(shù)據(jù)源不同步、拓撲關(guān)系錯誤等問題,導致了建筑物之間的相交和道路的斷裂,其通過自動化檢測與修復,應用了先進的幾何特征檢測算法,成功識別出建筑物相交的位置和道路斷裂的部分,接著通過拓撲關(guān)系分析,自動定位了相交和斷裂的拓撲錯誤。在錯誤修復階段,還采用了自適應的修復策略。對于建筑物相交,自動調(diào)整了其形狀,避免了相交部分;對于道路斷裂,通過道路網(wǎng)的優(yōu)化算法進行修復,確保道路的連接性。修復后的模型通過與實地數(shù)據(jù)的對比,驗證了修復的有效性,減少了拓撲錯誤的數(shù)量。
4結(jié)語
綜上所述,實景三維模型在地形圖制作中的應用為地理信息系統(tǒng)注入了新的動力,提升了地形圖的真實性和精準性。然而面對多源數(shù)據(jù)一致性、大規(guī)模數(shù)據(jù)處理等技術(shù)挑戰(zhàn),地形圖質(zhì)量的檢驗與優(yōu)化顯得尤為重要。通過本文的探討,能夠深刻認識到地形圖在地理信息中的關(guān)鍵作用,以及其對精準地理信息分析的不可或缺性。未來的研究應致力于突破技術(shù)瓶頸,進一步提升地形圖的質(zhì)量,以推動地理信息技術(shù)在社會、經(jīng)濟、環(huán)境等方面的廣泛應用。
參考文獻
[1]任江峰,穆志杰.實景三維模型在大比例尺測圖中的應用研究[J].經(jīng)緯天地,2022(6):83-86.
[2]董飛飛,許懿娜,孫越喬.多源影像實景三維融合建模及關(guān)鍵問題研究[J].現(xiàn)代測繪,2022,45(5):9-13.
[3]張光偉,吳昊,郭震冬.實景三維多源數(shù)據(jù)場景融合[J].測繪通報,2022(8):155-159.
[4]武劍,王宏昌,狄桂栓,等.地形級實景三維地理場景模型重建的研究[J].安徽地質(zhì),2022(S2):285-288.
[5]李俊.基于三維模型的鄉(xiāng)村規(guī)劃輔助系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[D].昆明:昆明理工大學,2023.
[6]趙新瑞.基于實景三維GIS的土地審批管理關(guān)鍵技術(shù)[D].成都:西南交通大學,2022.