江西地名研究

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摘要：以省縣級市為研究區(qū)域，選用智能型無人機搭載5鏡頭傾斜相機，實施傾斜攝影數(shù)據(jù)采集，采用地物點、靶標(biāo)點相結(jié)合的方式布設(shè)控制網(wǎng)，綜合應(yīng)用Das GET3D Cluster、Context Capture、SvsGeoModeler、MapEasy等軟件，在規(guī)模化多節(jié)點大算力集群環(huán)境下進行空中三角測量、實景三維模型構(gòu)建與精細(xì)化表達(dá)，生成高精度三維Mesh模型。基于高精度三維Mesh模型成果進行真正射影像（TDOM）制作、城市實景三維模型快速構(gòu)建和城市地理信息公共服務(wù)平臺地名／地址提取更新等。經(jīng)檢測，三維Mesh模型平面中誤差可達(dá)0.0476m，高程中誤差可達(dá)0.0382m，遠(yuǎn)高于規(guī)范要求。相關(guān)研究成果可為城市級實景三維模型構(gòu)建及城市更新提供參考。

關(guān)鍵詞：無人機傾斜攝影；高精度三維Mesh建模；城市三維模型（LOD1.3）；真正射影像圖；地名／地址調(diào)查建庫

實景三維是對人類賴以生存、生產(chǎn)和生活的自然物理空間進行真實、立體、時序化反映和表達(dá)的數(shù)字虛擬空間，是國家新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重要組成部分，為經(jīng)濟社會發(fā)展和各部門信息化與智能化提供統(tǒng)一的空間基底，是落實建設(shè)數(shù)字中國、智慧社會的技術(shù)支撐，分為地形級、城市級、部件級三級。一般地形級實景三維建設(shè)屬于省級任務(wù)，城市級、部件級實景三維建設(shè)由市縣主導(dǎo)。人工智能算法、大數(shù)據(jù)、計算能力“三駕馬車”是地理信息產(chǎn)業(yè)和時空數(shù)據(jù)應(yīng)用轉(zhuǎn)型升級的關(guān)鍵。隨著地理信息不斷轉(zhuǎn)型升級應(yīng)用和實景三維中國建設(shè)的快速推進，目前城市級的實景三維模型重建已成為研究重點。Mesh是由相互連接的節(jié)點構(gòu)成的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，可以表示為一個由不規(guī)則三角格網(wǎng)（triangulated irragular network,TIN）面片組成的面片集合，Mesh模型是通過Mesh共享邊或頂點相互連接并映射紋理構(gòu)成，是重要的城市級實景三維數(shù)據(jù)，其質(zhì)量好壞直接影響著實景三維應(yīng)用效果。無人機作為低空經(jīng)濟的對地觀測平臺，具備高效率、高精度、低成本等特點，在大比例尺測繪產(chǎn)品生產(chǎn)、快速實景三維建模、目標(biāo)識別與分類、定量監(jiān)測等方面得到廣泛應(yīng)用，已成為城市級實景三維遙感數(shù)據(jù)采集的重要載體。

河南省地形級實景三維建設(shè)正在有序開展，城市級、部件級實景三維建設(shè)亟待推進，而如何選擇數(shù)據(jù)獲取設(shè)備、建模處理軟件，在高精度要求下高效完成任務(wù)方面，經(jīng)驗略顯不足。本文以縣級城市建成區(qū)實景三維建設(shè)為例，探索以無人機低空遙感和算力集群為基礎(chǔ)，選擇高效穩(wěn)定的建模軟件，構(gòu)建高精度實景三維Mesh模型，并應(yīng)用于真正射影像圖(true digital orthophoto map,TDOM)制作、城市三維模型快速構(gòu)建、地名／地址調(diào)查建庫更新等，為縣級城市實景三維建設(shè)提供參考。

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方法論述

首先，采用傾斜攝影測量方式對建成區(qū)開展無人機航空攝影，獲取高清影像，利用省級衛(wèi)星導(dǎo)航定位基準(zhǔn)服務(wù)系統(tǒng)及全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（global navigation satellite system,GNSS）載波動態(tài)實時差分（real time kinematic,RTK）技術(shù)實施外業(yè)像片控制測量；其次，選用建模軟件，通過空中三角測量、數(shù)字表面模型（digital surface model,DSM）匹配、紋理映射等初步建立三維Mesh模型；然后，對模型進行精細(xì)化處理生成高精度實景三維Mesh模型；最后，基于高精度模型進行TDOM制作、城市實景三維模型快速構(gòu)建和城市地理信息公共服務(wù)平臺地名／地址提取更新。其中，城市三維模型的構(gòu)建是通過采集建（構(gòu)）筑物基底數(shù)據(jù)，經(jīng)三維拉伸處理、通用紋理映射和屬性關(guān)聯(lián)完成。無人機航空攝影、規(guī)?；笏懔τ布?、控制網(wǎng)布設(shè)、建模軟件等，是保障高精度城市級實景三維Mesh建模及應(yīng)用一體化的關(guān)鍵?？傮w技術(shù)流程如圖1所示。

1.1 建模配置

建模硬件主要是無人機遙感設(shè)備和大算力集群。其無人機選擇垂直起降固定翼無人機，對起降場地要求不高，便于空域申請，搭載多鏡頭傾斜攝影相機；大算力集群需滿足≥100節(jié)點算力，支撐Mesh建模數(shù)據(jù)處理，提供規(guī)?；植际讲⑿杏嬎阒С?；對應(yīng)建模數(shù)據(jù)處理關(guān)鍵工序分類選擇不同軟件，如表1所示，分別用于空中三角測量、Mesh模型構(gòu)建及模型精細(xì)化表達(dá)等。

1.2 傾斜攝影技術(shù)指標(biāo)

傾斜攝影技術(shù)是城市實景高精度三維建模的關(guān)鍵技術(shù)，使用無人機傾斜攝影采集多位姿高清影像，可真實地反映地理要素，廣泛應(yīng)用于NeRF、點云多源融合高精度建模、城中村精細(xì)化測繪等。面向城市級實景三維Mesh建模，綜合建成區(qū)地形、空域、天氣等因素，影像數(shù)據(jù)源獲取技術(shù)指標(biāo)如表2所示。

1.3 控制網(wǎng)布設(shè)策略

控制網(wǎng)為高精度城市級實景三維Mesh建模提供坐標(biāo)基準(zhǔn)。采用地物點與地面靶標(biāo)點相結(jié)合的規(guī)則布網(wǎng)方式，航向間隔6~16條基線、旁向間隔4~8條航帶布點，點間距200~500m。控制點布設(shè)在清晰易于判別、四周空曠無遮擋的地面，檢查點均勻布設(shè)在遠(yuǎn)離控制點、精度控制薄弱位置。

特殊區(qū)域采用不規(guī)則區(qū)域網(wǎng)布點法，如凹角轉(zhuǎn)折處或凸角轉(zhuǎn)折處增設(shè)像控點，舍棄理論落水點并在該點位附近雙向增設(shè)2個像控點。靶標(biāo)形狀為“L”型，統(tǒng)一測量至外拐角。飛行期間部分靶標(biāo)損毀的，選取特征地物點補測。采用GNSS RTK設(shè)備測量獲取控制點坐標(biāo)，并進行投影和高程轉(zhuǎn)換。

1.4 Mesh模型構(gòu)建

1.4.1 分區(qū)空中三角測量

空中三角測量主要是將5個視角的影像數(shù)據(jù)以及通過機載定位定向系統(tǒng)（positioning and orientationsystem,POS）獲得初始傾斜影像的外方位元素同時導(dǎo)入程序中，再利用正視、斜視影像構(gòu)建區(qū)域網(wǎng)，自動匹配多視角影像；經(jīng)過反復(fù)濾波、平差，解算得到符合精度要求的精確外方位元素，進行控制點和加密點量測，通過平差計算獲得加密成果。

為確?？罩腥菧y量成果滿足Mesh模型構(gòu)建要求，在數(shù)據(jù)整理時，將影像文件、POS數(shù)據(jù)統(tǒng)一重命名，結(jié)合相機信息建立信息庫，使影像空間位置和姿態(tài)信息保持一致；像控點標(biāo)記時，每個點位至少需要3~5張影像，將點位放置到像素內(nèi)，可有效減少人為誤差。

1.4.2 Mesh模型構(gòu)建

利用自動化建模軟件，采用影像匹配技術(shù)和三維網(wǎng)格優(yōu)化算法，自動生成精準(zhǔn)的三維模型以及格網(wǎng)面片的影像紋理，確保格網(wǎng)頂點放置在最佳位置；此建模方法能夠表現(xiàn)更精細(xì)的細(xì)節(jié)和更銳利的邊緣，從而提高幾何精度。選用自動化程度較高、算法先進的主流軟件，根據(jù)空中三角測量加密匹配的密集點云，構(gòu)成不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN），優(yōu)化生成目標(biāo)物白模，計算對應(yīng)的紋理，將紋理映射到對應(yīng)的白模上，重建實景三維Mesh模型，并按分塊矩形格網(wǎng)形式輸出。

1.4.3 Mesh模型精細(xì)化表達(dá)

雖然在上一步建模過程中，采取了調(diào)整軟件參數(shù)、幾何約束條件等方法進行優(yōu)化處理，但存在城市公共區(qū)域道路不平、建筑物扭曲、道路車輛糊影、紋理破洞、色彩斑駁等模型缺陷，需進行人工交互處理，進而實現(xiàn)Mesh模型精細(xì)化表達(dá)。

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實例分析

以河南省某縣級建成區(qū)為例，研究區(qū)域如圖2所示，建成區(qū)總面積約57.28km2，其中主城區(qū)面積為25km2。該區(qū)域北延寧洛高速，西依沙河、S232省道，南接灰河，東至S83蘭南高速，地形基本是平原，平均海拔約80m，最大高差約20m；城區(qū)居民區(qū)密集，分布較多高層建筑物，航空攝影困難類別Ⅱ級。

圖2研究區(qū)域范圍示意圖

2.1 傾斜攝影及控制測量

傾斜攝影測量硬件包括飛行平臺、航攝傳感器、地面控制站三部分。飛行平臺為智能型CW15Ⅱ長航時垂直起降固定翼無人機，搭載全畫幅、2.1億像素CA503R五鏡頭傾斜相機。根據(jù)區(qū)域概況，采用長焦鏡頭，航攝時間為9月上旬，南北方向飛行，每天10：00~15：30時間段作業(yè)，獲取影像139155張（“*.jpg”格式）及POS數(shù)據(jù)（“*.txt”格式）；控制點布設(shè)平均點間距400m，共布設(shè)像控點、檢查點451個。傾斜攝影技術(shù)指標(biāo)如表3所示、航線設(shè)計及控制網(wǎng)布設(shè)如圖3所示。

2.2 Mesh建模及精細(xì)化表達(dá)

應(yīng)用Das GET3D Cluster，針對139155張“*.jpg”格式影像數(shù)據(jù)源，分2個區(qū)，投入20節(jié)點算力，每個分區(qū)通過集群算力網(wǎng)在線分發(fā)至網(wǎng)內(nèi)10個算力節(jié)點進行空中三角測量處理；應(yīng)用Context Capture，投入100節(jié)點算力計算，經(jīng)構(gòu)建TIN、生白模、紋理映射等重建輸出Mesh模型成果，建模流程如圖4所示；應(yīng)用SvsGeoModeler，對模型勻色、刪除電力線懸浮地物碎片、采集水涯線作為特征線修補河流湖泊等面積較大的無數(shù)據(jù)水體漏洞區(qū)域、去除主干道路上移動車輛、樹影、編輯修正重要企事業(yè)單位和標(biāo)志性建筑物等模型扭曲變形等，形成高精度實景三維Mesh模型。模型處理前后對比如圖5所示。

2.3 Mesh模型精度檢測

2.3.1 空中三角測量精度檢測

由Das GET3D Cluster軟件導(dǎo)出空中三角測量精度檢測報告，如表4所示，平均地面分辨率、連接點及控制點重投影中誤差、定向點和檢查點中誤差等重點指標(biāo)項均符合要求。

2.3.2 三維Mesh模型精度檢測

針對三維Mesh模型2個分區(qū)分別進行，各抽取13處模型特征點，共26個檢查點，通過模型點與實測檢查點對比檢測，計算精度誤差。檢測結(jié)果如表5所示，（a）組平面中誤差為0.1195m，高程中誤差為0.0398m；（b）組平面中誤差為0.0476m，高程中誤差為0.0382m。對比規(guī)范中平面中誤差允許值為0.6m、高程中誤差允許值為0.4m、2倍中誤差為最大限差的要求，文中建立的三維Mesh模型精度遠(yuǎn)高于規(guī)范要求。

2.4 三維Mesh模型應(yīng)用

2.4.1 TDOM制作

傳統(tǒng)數(shù)字正射影像圖（digital orthophoto map,DOM）由于投影差導(dǎo)致的建筑物傾斜、遮擋嚴(yán)重，而數(shù)字TDOM引補了空白，能夠提供更科學(xué)精準(zhǔn)、無投影差的影像數(shù)據(jù)。

應(yīng)用Context Capture軟件，將高精度實景三維Mesh模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入軟件中，計算模型俯視圖、輸出TDOM成果為非壓縮TIF格式和地理信息頭文件“*.tfw”格式，如圖6所示。在俯視角度下，逐屏檢查TDOM，對存在的建筑物邊緣明顯鋸齒、扭曲變形，內(nèi)部道路邊緣扭曲、道路中線錯位，建筑物附近的漏洞等缺陷的圖像，使用Photoshop、DP-modeler或貼圖大師等軟件編輯處理且同步檢修三維Mesh模型，采用1∶1000比例尺正方形分幅內(nèi)圖廓線范圍外擴10m進行分幅裁切，生成281幅標(biāo)準(zhǔn)圖。

2.4.2 城市三維模型快速構(gòu)建

城市三維模型是指用棱柱體表示的城市上人工建（構(gòu)）筑物的體塊模型，概要反映城市建筑物主體結(jié)構(gòu)的三維模型單體，一般頂部為平頂或者接近真實頂部形狀無紋理結(jié)構(gòu)，立面為直立面狀無紋理結(jié)構(gòu)，整體以無真實紋理的白模形式表達(dá)。城市三維模型表達(dá)了建筑的輪廓、高度信息，是城市三維模型構(gòu)建的基礎(chǔ)，也是目前省市縣多級實景三維建設(shè)工作的重點之一。

1）模型構(gòu)建流程。對重點區(qū)域的普通房屋、棚房、門頂、雨罩、廁所、出入口、亭、壇、工業(yè)用塔、廊、崗?fù)?、崗樓、巡警平臺、碑、像、室外樓梯、扶梯、電梯、停車場、樓、土地廟、小廟等建（構(gòu)）筑物等，利用某縣建設(shè)的大比例尺地形圖，三維Mesh模型更新采集附帶高程、高度屬性的基底數(shù)據(jù)（基底面積大于12m2且高度大于3m），應(yīng)用SvsGeoModeler軟件實施三維拉伸處理，完成通用紋理映射和屬性信息采集、提取、掛接，快速構(gòu)建城市三維模型，技術(shù)流程如圖7所示。

2）建（構(gòu)）筑物高度提取。高度提取主要利用實景三維Mesh模型、基底數(shù)據(jù)，計算獲取建（構(gòu)）筑物頂部高程和基底高程的平均差值。頂部為坡面且坡度大于30°的建（構(gòu)）筑物，高度取基底到其檐口與屋脊的平均高度，如圖8所示。

3）模型快速構(gòu)建。利用SvsGeoModeler軟件，根據(jù)基底數(shù)據(jù)和高度信息進行三維拉伸處理，構(gòu)建城市三維模型，如圖9所示，該模型采用“*.ojb”格式三維模型數(shù)據(jù)、“*.jpg”格式紋理數(shù)據(jù)、“*.shp”格式屬性數(shù)據(jù)及“*.xls”格式元數(shù)據(jù)。主城區(qū)三維模型（LOD1.3）構(gòu)建數(shù)量共計55770個，占地6163953.66m2，其中主要是普通房屋，共計53765個，如表6所示。

4）城市三維模型精度。經(jīng)檢測，基于Mesh模型快速構(gòu)建的城市三維模型成果的整體平面中誤差為0.21m（允許值2.5m），高程位置中誤差為0.31m（允許值0.5m），幾何位移、建（構(gòu)）筑高度差等均符合規(guī)范。

2.4.3 地名／地址調(diào)查建庫

地名／地址是城市地理信息公共平臺／市縣級天地圖節(jié)點的重要內(nèi)容，為政府、社會、公眾提供地理信息公共服務(wù)的支撐數(shù)據(jù)。基于三維Mesh模型，利用自主開發(fā)軟件完成數(shù)據(jù)編輯入庫等工作，更利于解決數(shù)據(jù)采集、入庫數(shù)據(jù)丟失和錯漏的問題，提高工作效率。

建成區(qū)地名／地址采集內(nèi)容如表7所示。結(jié)合收集的已有地名／地址資料，利用高精度三維Mesh模型開展建成區(qū)地名／地址內(nèi)業(yè)調(diào)查和整理，并進行外業(yè)調(diào)查核實補充，選用自主研發(fā)的MapEasy數(shù)字制圖建庫一體化軟件完成地名／地址數(shù)據(jù)庫，成果為“*.shp”格式，照片資料為“*.jpge”格式。如圖10所示。

1）內(nèi)外業(yè)調(diào)查。根據(jù)三維Mesh模型逐街道、小區(qū)、村莊核對位置名稱，查漏補缺。個別遮擋不清楚的內(nèi)業(yè)分類分色標(biāo)記，如普通點黑色；遮擋區(qū)用紅色，制作外業(yè)調(diào)查底圖。外業(yè)利用電子工作底圖，完成地名／地址的采集、屬性錄入及拍照等補充調(diào)查。

2）整理入庫。①位置校準(zhǔn)：利用高精度三維Mesh模型校準(zhǔn)核對外業(yè)補調(diào)點位置。②屬性完善：調(diào)用MapEasy數(shù)字制圖建庫一體化軟件，通過圖形拓?fù)潢P(guān)系、字段關(guān)聯(lián)計算等完成屬性賦值。如：要素代碼賦值、街巷地址名稱及編號提取、經(jīng)緯度坐標(biāo)計算、照片關(guān)聯(lián)等。③檢查入庫：檢查點位位置、屬性內(nèi)容、屬性表與圖形數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)性。

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結(jié)論

針對城市級實景三維建設(shè)在數(shù)據(jù)獲取、模型構(gòu)建及應(yīng)用方面經(jīng)驗不足，選用CW15Ⅱ智能型無人機搭載CA503R五鏡頭傾斜相機進行數(shù)據(jù)采集，綜合應(yīng)用Das GET3D Cluster、Context Capture、SvsGeoModeler、MapEasy等軟件，在計算集群環(huán)境下進行空中三角測量及自動化三維建模，精細(xì)化表達(dá)生成高精度三維Mesh模型。實踐證明，研究方法可行，模型成果精度可靠，并成功應(yīng)用于城市三維模型快速構(gòu)建、真正射影像圖制作和地名／地址調(diào)查建庫等。可為城市整體發(fā)展戰(zhàn)略制定、城市安全運行管理等全局性宏觀決策提供全空間地理信息服務(wù)。將來在政府及社會各行業(yè)應(yīng)用中，發(fā)揮高精度城市級實景三維Mesh模型數(shù)字化空間地理表達(dá)、動態(tài)三維信息呈現(xiàn)優(yōu)勢，通過數(shù)據(jù)拆分細(xì)化、關(guān)聯(lián)掛接業(yè)務(wù)管理數(shù)據(jù)，可實現(xiàn)城市立體可視化的協(xié)同更新及業(yè)務(wù)辦理與管理，全面提升其決策能力和服務(wù)水平。

作者：王永生，許穎，

朱慧，趙春生，孫萌，施淮艦

來源：《測繪工程》2025年第3期

選稿：耿 曈

編輯：汪鴻琴

校對：賀雨婷

審訂：耿 曈

責(zé)編：楊 琪

（由于版面有限，文章注釋內(nèi)容請參照原文）

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