广州市“数字绿化”三维实景平台建设

耿奕超，兰泽英

（1.广州市城市规划勘测设计研究院，广东广州 510060； 2.广东工业大学管理学院，广东广州 510520）

广州市“数字绿化”三维实景平台建设

耿奕超1∗，兰泽英2

（1.广州市城市规划勘测设计研究院，广东广州 510060； 2.广东工业大学管理学院，广东广州 510520）

广州市“数字绿化”三维实景平台建设是广州市青山绿地工程的重要内容。本文对该平台建设的主要内容和关键技术进行研究。包括广州市三维地理空间框架建设、城市园林绿化专题模型数据库建设、城市绿化全景影像数据库建设等三方面内容，并对基于ADS40航空摄影测量技术的地形地貌模型构建、基于地面LiDAR技术的建筑物精细模型建设、城市园林绿化专题要素符号库建设及三维建模、可量测移动全景影像采集等关键技术进行阐述。本文的研究成果对同类项目开展具有重要指导意义。

数字绿化；三维实景；园林绿化三维建模；ADS40；地面LiDAR；可量测全景影像

1 引 言

广州市“数字绿化”信息化建设是青山绿地工程的重点项目，旨在建立广州市先进、稳定、安全的林业园林信息共享平台。其中作为重要子项，构建了“数字绿化”三维地理空间信息框架，为林业和园林信息资源库的整合和分析提供三维地理空间支撑。融合了可量测全景影像和虚拟现实技术突破GIS技术在空间、要素结构和肌理表达方面的诸多限制，为林业和城市园林建设和管理者提供辅助决策支持，为公众提供以数字绿化旅游为核心的网络体验，展示“绿色广州、智慧广州”新形象。

本文研究内容包括三维地理空间框架建设、城市园林绿化专题模型数据库建设、城市绿化全景影像数据库建设等三方面重要内容。重点对基于ADS40航空摄影测量技术的地形地貌模型构建、基于地面Li-DAR技术的建筑物精细模型建设、城市园林绿化专题要素符号库建设及三维建模、可量测移动全景影像采集等关键技术进行阐述。

2 平台总体设计

平台总体上分为3个层次，即表现层、业务层和数据层。数据层自下而上涵盖城市三维地理空间框架、城市园林绿化二三维专题数据以及城市绿化移动全景影像数据。其中三维地理空间框架作为基础，包括全市域地形地貌模型、全市域建筑物白膜数据、森林公园及城市公园模型、中心城区建筑物精细模型等。城市园林绿化二三维专题数据由人行天桥与立交桥绿化三维模型、园林精品工程三维模型以及绿化普查数据组成。城市绿化移动全景影像数据主要沿城市绿道及游览线路进行采集，包括定点360°全景数据及移动全景数据。表现层采用B/S架构，利用三维仿真、虚拟现实技术及可量测移动全景技术，实现各种数据的一体化集成管理、三维浏览和移动全景展示，并支持城市园林专题数据的三维查询、三维空间分析、全景影像数据的空间量测等功能。业务层为中间层，通过功能插件与数据层连接。数据层和表现层是平台的核心，也是平台建设的重点。

3 平台数据库建设

平台数据库建设主要包括广州市三维地理空间框架构建、城市园林绿化专题要素三维模型库建设，可量测移动全景影像数据库建设等三方面的主要内容。

其中，广州市三维地理空间框架主要由全市域地形地貌模型及中心城区建筑物精细模型构成。前者包括广州市域 7 434 km2的地形地貌模型、17个森林公园与280多个城市公园的三维模型，首先采用ADS40航测技术获取 5 m网格数字高程模型数据和 0.2 m分辨率正射航空影像图数据，然后基于地形建模软件TerraBuilder来创建。后者包括广州市中心城区285 km2的建筑模型，采用CAD工程交互建模的技术方法及地面LiDAR建模技术构建，TerraExplorer Pro创建仿真场景。

城市园林绿化专题要素三维模型库建设的前提是构建园林绿化植物符号库，按用途共涵盖园景树、庭荫树、行道树、花果树、垂直绿化、绿篱、木本地被树、工矿绿化树、盆栽盆景树等9类植物的符号子库。然后，采用CAD构建几何体与skyline符号库与矢量数据关联相结合的建模方式构建285座人行天桥与立交桥绿化、10 km2园林精品工程的三维模型，并将绿化普查的二维GIS数据与之进行二三维集成化管理。

∗ 收稿日期:2015—12—17

作者简介:耿奕超（1984—），男，工程师，现主要从事规划测绘、地图学与GIS研究。

基金支持：国家自然科学基金青年科学基金项目（41301377）

此外，基于可量测移动全景影像采集技术获取绿道、森林公园与城市公园的游览线路约 120 km，8条城市干道约 60 km的全景影像数据，可实现360°全景浏览、全景影像与空间位置的精确匹配、影像数据与路网的关联融合实现增量式更新及历史数据回溯、影像可量测等主要功能。并将脱密后的移动全景影像与电子地图数据融合，基于网络客户端动态发布。

4 关键技术研究

4.1 基于ADS40航测技术的三维地形地貌模型构建

本文通过航空摄影测量ADS40技术获取DEM、DOM数据［1，2］，使用地形建模软件 TerraBuilder由DEM数据构建三角网，生成地形曲面模型，叠加DOM大地纹理，创建海量三维地表数据集。

具体技术流程如下:①源数据预处理:下载原始影像文件和POS数据文件，基于POSPac软件进行GPS差分处理，并初步获得方位数据。②生成L0及L1级影像:建立有地面控制支持的L0级原始影像文件，将其纠正到设定的高程平面，生成立体观测的L1级影像。③地面布设控制点:在每个摄区四角和中心布设5个控制点。④L0级影像的数字空中三角测量（ORIMA），主要包括连接点匹配与空三加密:在L0上做自动点匹配（APM），获得像片连接点，进入ORIMA，先对连接点和曝光点做空三平差。加载地面控制点，进入LPS（Leica Photogrammetry Suite软件）中对控制点进行量测。将量测完毕的地面控制点与连接点、曝光点联合进行空三平差，获取精确的外方位元素。在空三平差之前，需要将ADS40数据从WGS84坐标系转换到广州坐标系。⑤L1级影像纠正:将得到的外方位元素，重新引入GPro中，对L0级影像进行纠正，重新获取L1级影像，它将是进行立体观测和目标定位的基础。⑥对L1级影像进行相对定向、绝对定向建模，然后进行核线影像重采样:设置好DEM采样间隔，采用LPS的Inpho模块，在核线影像上自动提取格网点的同名像点，并根据外方位元素计算出该点的三维坐标，自动生成DEM并作人工检查纠正。⑦基于Inpho模块，采用基于DEM的单片微分纠正方法制作DOM数字正射影像图。⑧地形地貌模型MPT生成:采用TerraBuilder软件，对DOM及DEM数据自动识别数据分辨率精度并进行多分辨率分层、数据分块、数据压缩，创建一个可以支持快速浏览和调度的金字塔数据库。

4.2 基于地面LiDAR技术的复杂建筑物精细建模

为减轻整个仿真系统的数据负荷，首先将中心城区建筑精细模型分为三个等级精度来建立，如表1所示，依次从建筑特征（真实材质、表现建筑细节），建筑性质（真实材质、表现建筑信息）和地段特征（通用贴图，表现街区特点）等三个层次来反映。

建筑物精细模型的精度分级 表1

对于二、三级精度的建筑物三维建模本文采用CAD工程交互建模的技术方法:以城市地理基础信息数据库、建筑工程设计或测量资料、现实照片为数据源，基于几何形体建模方法建立“最简化模型”，并采用烘焙方式把明暗关系与阴影以贴图方式固化到模型中，以节约计算资源。

对于一级精度的建筑物，尤其是地标性、造型复杂的建筑物，本文采用地面LiDAR技术进行建模［3］，采用Riegl公司的VZ400三维激光扫描仪，可实现数据无线传输及照片纹理与激光点云的自动匹配，具体技术流程如下:①设置扫描站数和位置，保证扫描区域有公共部分，减少物体遮挡，每一控制点和至少两个其他控制点通视，且控制点通视区域应尽可能包含所有扫描区域。②对靶标编号，并利用城市CORS系统获取控制点的高精度坐标，为后续点云数据配准和拼接提供统一的空间参考。③依次架站扫描:不规则建筑弧形立面需布设多个测站拼接完成，扫描仪与建筑物保持一定距离，减少遮挡，并控制点云密度在 1 cm之内。④基于Geomagic Studio软件进行点云去噪及补洞处理:生成网格模型后，Geomagic Studio可自动识别模型孔洞，采用人机交互方式补齐。⑤数据拼接:将所有测站的点云数据转换到统一的控制网坐标框架下，基于靶标或重叠区域的同名点（靶标缺失时）进行点云拼接。⑥模型重建及自动贴纹理:采用Geomagic Studio软件根据点云数据生成三角网模型，并在多边形阶段对模型进行修补、调整以弥补点云离散而造成的模型缺陷，然后基于照片与模型的自动映射匹配功能，完成纹理的自动化渲染。图1为基于LiDAR技术的中山纪念堂精细建模效果。

图1　基于LiDAR技术的中山纪念堂精细建模

4.3 城市园林绿化专题要素符号库设计及三维建模

首先应构建广州常见园林绿化植物的符号（图片）库，为园林绿化要素建模提供真实准确的纹理贴图。具体要求是树种准确、树高体量接近真实，常见行道树、景观树同一品种应具有不同的树龄，同一树龄具有多种形态。园林绿化植物符号库包括源数据分库（保存原始采集照片）和表现分库（保存处理后的图片）。其中，表现分库按用途细分为园景树、庭荫树、行道树、花果树、垂直绿化、绿篱、木本地被树、工矿绿化树、盆栽盆景树等9类，每个符号（图片）具有唯一编码，并含有 5个精度等级，3种图片格式（tiff、tga、png），符号库的逻辑设计如图2所示。

图2　园林绿化专题要素符号库逻辑设计

园林绿化植物三维可视化应满足空间位置准确，树木的大小、高低、形态真实等要求。园林绿化专题要素建模主要包括人行天桥和立交绿化（主要是垂直绿化与绿篱）建模、绿化普查数据三维建模、园林绿化精品工程景观植物精细建模等三项内容，主要采用CAD构建几何体与 skyline符号库与矢量数据关联的方法［4］。以园林绿化精品工程精细建模为例，其具体技术流程是:根据竣工图和现场采集信息基础建模，乔木灌木十字面片建模、绿篱简单体量建模。基础建模完成后烘焙地面阴影同时输出植物的xyz空间坐标、树高属性、纹理名称的shp数据。在skyline中，关联输出的shp和纹理图片，实现始终面向镜头单片树的效果。园林绿化专题要素精细化建模效果如图3所示。

4.4 可量测移动全景影像采集及建库技术

移动全景影像采集系统可基于移动平台，集成GPS、IMU系统及全景相机等硬件实时采集道路周边影像数据，并传输到移动图形工作站软件对数据进行实时处理。全景影像数据库建设的关键技术包括360°全景技术、全景影像与空间坐标的关联及可量测技术、影像数据与路网数据的融合技术等，具体阐述如下，相关实例如图4所示。

移动全景影像使用连续视频与360°全景技术［5］，以每秒16帧的速度采集实景影像，经过数据切片、拼接，视频转换，坐标提取、校正与关联等处理步骤，最终通过全景浏览器组件播放360°全景视频。

图3　园林绿化专题要素精细化建模效果

图4　可量测移动全景影像采集技术实例

通过GPS和IMU系统，全景相机可以获取具有精确位置坐标和姿态信息的序列全景影像数据，采用全景影像核线匹配算法和空间前方交会可计算出物点的三维坐标［6］。具体流程是:构建影像间核线几何约束过程，在相邻影像间采用SIFT算法匹配同名点，并根据物点、摄像中心、像点三点共线原理，推导出全景影像的共线公式并利用前方交会原理计算出物点的三维坐标。最后通过地面控制点进一步检核并提高全景影像与空间位置的匹配精度，并使全景影像可量测。即基于内业影像处理软件，利用辅助网格可方便进行点位坐标采集，长度测量，面积测量，跨帧测量等，完成所见即所得的测量，无需实地操作。

移动实景影像与道路有直接的关联关系，将移动实景影像采集线路与路网进行融合，可以把视频在逻辑上与道路弧段单位进行关联，同一条视频线路被分解成多条逻辑上独立的路段视频单元，同一道路弧段单位可以与多条不同日期采集的全景视频进行关联，从而建立起移动全景影像库。移动全景影像库具备空间和时间属性，该特性可以支持移动全景影像库的增量式更新和历史数据的回溯查询。

5 小 结

“数字绿化”三维实景平台是“数字绿化”信息化建设的重要内容，它提供三维可视、真实可靠的地理信息环境，将数字绿化的空间表达从二维提升到三维，并通过实景影像将用户视觉进一步延伸。该平台面向城市林业和城市园林管理，集中展示广州近年来的城市园林绿化建设成果，为城市绿化建设、城市合理规划和布局、创造良好城市人居环境提供科学、直观参考，同时也为公众参与及领导决策提供有力支持。平台建设中综合采用了ADS40航测、基于LiDAR的建筑物精细建模、园林绿化三维建模以及可量测移动全景采集等众多先进技术，很好地保证了展示效果及运行效率。

［1］曾凡洋，钟若飞，宋杨等.车载全景影像核线匹配和空间前方交会［J］.遥感学报，2014，18（6）：1230～1236.

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［5］卢智婷，林慧敏，邹镰钊.广州市“数字绿化”仿真应用的城市园林景观3维可视化技术研究［J］.测绘与空间地理信息，2013，36（4）：147～149.

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［7］骆朝亮，杨晶.高清三维实景在数字城管中的创新应用［J］.测绘通报，2014，3：139～140.

［8］王雷.基于GIS的数字绿化系统设计与开发［J］.测绘与空间地理信息，2015，38（5）：120～121.

［9］田野，向宇，高峰等.利用Pictometry倾斜摄影技术进行全自动快速三维实景城市生产［J］.测绘通报，2013，2：59～62.

Guangzhou“Digital greening”Real Three-Dimensional Platform

Geng Yichao1，Lan Zeying2
（1.Urban Planning&Design Research Institute，Guangzhou 510060，China；2.Management of Guangdong University of Technology，Guangzhou 510520，China）

Guangzhou“Digital greening”three-dimensional real platform is an important part of Guangzhou verdant project.This paper studies the main content and key technology platform construction.It includes three aspects Guangzhou three-dimensional geographic space frame construction，urban landscaping thematic model database construction，urban greening panoramic image database construction，and terrain model based ADS40 aerial photographic measurement technology to build，ground-based LiDAR technology building fine key technical model construction，urban landscaping thematic elements symbol library construction and 3D modeling，scalable mobile panorama image acquisition and so forth. Results of this study have important guiding significance for similar projects undertaken.

digital green；real three-dimensional；landscaping dimensional modeling；ADS40；ground LiDAR；scalability panoramic images

1672-8262（2016）02-39-05中图分类号：P208.2

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