实景三维模型地理精度检测与分析

郭林凯

(大连市测绘研究院，辽宁 大连 116011； 2.大连市基础地理信息中心，辽宁 大连 116011)

实景三维模型地理精度检测与分析

郭林凯*

(大连市测绘研究院，辽宁 大连 116011； 2.大连市基础地理信息中心，辽宁 大连 116011)

为研究采用“机载LiDAR+倾斜摄影”技术制作的实景三维模型地理精度，以建筑的点、面、体为地理空间特征，采用内外业检测对比的方法，结合数据源分析倾斜影像、LiDAR点云数据对实景三维模型地理精度影响的原因以及分布规律，总结出实景三维模型地理精度检测，可以简化为对建筑楼顶点、楼侧点、楼底点的检测，来评价实景三维模型的地理空间精度。

倾斜摄影；机载LiDAR；实景三维模型；地理精度；精度检测

1 引 言

随着倾斜摄影、机载LiDAR、车载信息采集系统等技术手段不断应用于测绘生产，由于其能够获取全面、丰富、真实的地表覆盖信息，因而能够大大提高地表三维测量的可靠性和测量精度，可以快速建立城市实景三维模型，简化了模型纹理获取和处理方法[1]。也随着大数据、大智慧、云计算技术推动，人们利用计算机识别事物空间地理位置的需求从三维模拟地图上升了到实景三维模型，实景三维模型因其具有精细化、真实化、可量测、可分析的特征，近年来，已成为国内外科技关注的热点[2]。然而，实景三维模型作为一种新型的测绘产品，有必要研究实景三维模型地理空间位置的准确性，通过研究有利于提高实景三维模型在“智慧城市”应用中准确性、可靠性分析。

2 实景三维模型概况

以大连主城区制作的实景三维模型为研究对象，基本信息以及实现过程如下：

2.1 数据源

(1)建筑物纹理

采用直升机平台搭载多角度倾斜摄影测量系统SWDC-5获取 6 cm倾斜航空影像，下视角影像由 50 mm镜头获取，主要用于实景三维模型的顶部纹理；前后左右四个视角影像由呈45°视角 80 mm镜头获取，主要用于实景三维模型的侧面纹理[3]。

(2)激光点云

采用运-5飞机平台搭载ALS70-HP机载LiDAR测量系统，点间距优于0.5 m，点密度大于等于4点/m2。

(3)POS系统

SWDC-5和ALS70-HP集成了POS系统，基于全球定位系统(PGS)和惯性测量装置(IMU)，直接测定5个视角的每张倾斜影像外方位元素和激光点的外方位元素[4]。

(4)地面控制

以测区内的大连市连续运行基准站综合服务系统(DLCORS)2个站点作为倾斜摄影和机载LiDAR测量的地面站点；采用GPS精密单点定位，IMU和GPS数据联合解算的平面位置偏差不大于 0.15 m，高程位置偏差不大于 0.5 m，速度偏差不应大于 0.6 m/s；以DLCORS为基准，进行倾斜像控点的测量、LiDAR检校场测量和LiDAR参考面检核，平面精度不大于 0.05 m，高程精度不大于 0.05 m。

2.2 数据处理及精度

(1)倾斜空三加密

将倾斜影像的5个视角导入空三加密软件中，引入航片的POS元素信息，确定单张航片在空中的大概位置以及航片间相对位置关系，建立核线几何条件约束下的航带间影像点位置关系，采用逐级匹配策略自动进行像点连接，并进行无约束平差解算，剔除粗差较大像点后，添加像控点坐标进行约束平差解算，形成空三加密成果[5]，其平面中误差为 ±0.04 m，高程中误差为 ±0.09 m。

(2)激光点云处理

联合机载POS数据和激光测距数据，附加系统检校数据，对每条航带进行点云数据解算，生成地面目标点的三维空间坐标(X，Y，Z)数据，即三维点云；分析、剔除异常激光点云；根据每条航带的实际变化情况进行航带间平差，完成测区点云数据处理[6]，其点云高程中误差为 ±0.148 m。

2.3 实景三维模型制作

大连主城区的实景三维模型制作采用“机载LiDAR点云构建三维模型体+倾斜影像配准贴纹理”的建模方式。简单来说，就利用专业建模软件对平差后的机载点云数据进行自动或人工处理提取建模物矢量特征线，生成精细化的建筑物三维模型体，将空三加密纠正后多角度影像纹理与建筑物三维模型体进行坐标匹配，实现模型与纹理的自动映射，完成实景三维建筑物模型的制作[7]。

3 实景三维模型地理精度检测与分析

三维地理信息模型数据产品质量检查与验收，国家颁布CH/T 9024-2014标准，从数据组织、空间参考系、几何精度、模型精细度、纹理精度、时间精度等方面检查与验收[8]。但是，实景三维模型的地理位置精度检测没有具体的检查方法，仅从宏观方面进行约束，对不同等级的三维模型仅从建模物体长、宽、高等任意维度变化上进行区分，如精细等级三维模型(如LOD3、LOD4)要求：大于 0.5 m的屋檐、阳台应表示，模型的高度精度应优于 1 m，模型的屋顶应反映屋顶结构形式、附属设施等细节，模型的基底应与所处地形位置处于同一水平面上，并与地形起伏相吻合等[9]。

3.1 检测思路

地形图是地物要素投影到地面上符号化，其地理精度检测一般是在抽样图上选取若干检查点，将图上坐标与外业实地测量的同名点坐标进行比较，计算中误差，确定其数学精度[10]。对三维模型的地理精度检测，不能像检测地形图一样，因为它是一个多维的实体[11]，对其进行地理精度检测，就必须考虑搭建的三维模型是否产生的形变、位移、扭曲问题[10]。本实验提出从建筑物的点、面、体三个方面进行模型地理精度检测，并进行分析。

本实验实景三维模型地理精度检测采用高精度检测[12]，首先，内业测量待检测建筑物，在专业软件下直接量取实景三维模型上对应的点位坐标、面积、体积，其次，外业采用全站仪对建筑物进行测量，获取检测建筑物的点坐标、面积、体积，最后比较同名检测点、检测面、检测体，统计、分析实景三维模型地理精度[13]，检查思路如图1所示。

图1 实景三维模型地理精度检测思路

3.2 实景三维模型精度检测与分析

(1)点位精度检测与分析

实景三维模型点位精度检测从建筑物的楼顶点、侧面窗户点、楼底点(如图2所示)进行检测，检测情况如表1所示。

实景三维模型点位精度 表1

从表1看出，实景三维模型楼顶的精度较高，平面精度优于 1∶1 000地形图(1∶1 000平面中误差要求小于 0.5 m)的精度要求；实景三维模型楼底部的精度一般，平面精度基本满足 1∶1 000地形图的精度要求；侧面窗户精度较差，平面精度达不到 1∶1 000地形图的精度要求。实景三维模型的高程精度从高到低：楼顶点>楼底点>侧面窗户点。原因分析如下：

①实景三维模型的模型体是由LiDAR点云数据进行建模的，机载LiDAR对于建筑物顶部的点云密度要优于侧面和底部，在提取模型矢量边线时顶部损失的精度要比侧面和底部要小[14]，因此，顶部的平面和高程精度较高。

②实景三维模型顶部的纹理来源倾斜摄影的下视角影像，将纹理(正射影像)自动匹配到模型体上时发生变形很小，侧面纹理来源于倾斜摄影的左右、前后视角影像，将纹理匹配到模型体上时，以顶部和底部为边界，对纹理进行了微小拉伸，形成了模型顶部精度最好，底部次之，窗户精度较差的特点[15]。

(2)面精度检测与分析

实景三维模型面精度检测从建筑物的楼顶面、楼侧面(如图3所示)进行检测，检测情况如表2所示。

图3 检测面示意图

实景三维模型面精度 表2

从表2看出：实景三维模型楼顶的楼顶面精度比楼侧面面积精度略高，楼顶面、楼侧面室内测量面积与实际面积相差不大。原因分析如下：

①楼顶点的点位精度优于楼底部的点位精度，因此，以楼顶点构面的楼顶面积精度要高于以楼顶点与楼底部点构面的楼侧面面积精度。

②本实验实景三维模型的顶部面、侧面都是通过点云数据构成矢量特征性线生成三维模型体面，由于其空间位置精度较高，因而内业测量面积与实际面积相差不大。

(3)体精度检测与分析

实景三维模型体精度检测相对较困难，由于大多数建筑实际包含了女儿墙、房檐、窗户、阳台等部件，结构比较复杂，不利于外业实际测量工作的开展，因此，本次检测为提高效率和说明问题，选择忽略女儿墙、没有房檐的建筑(如图4所示)进行测试，并忽略窗户、阳台等建筑物细小部件对体积影响，检测了11个相对独立的建筑物，检测情况如表3所示。

图4 检测建筑示意图

实景三维模型体精度 表3

从表3看出：实景三维模型室内测量体积与外业检测的实际建筑物体积差值不大，即形变很小，说明采用“机载LiDAR+倾斜摄影”方式构建的实景三维模型真实地反映了建筑物的形态，在实际具有很强的应用价值。

4 结 论

通过本实验发现，采用机载LiDAR、倾斜摄影等技术，能够获取待建建筑物的高精度空间位置信息，经过一系列技术处理后搭建的实景三维模型，地理精度检测结论如下：

(1)采用高新测量设备和技术手段，搭建的实景三维模型具有真实的空间位置关系，其形变、位移、扭曲等方面误差较小。

(2)通过对实景三维模型点位、面积、体积的精度检测，发现建筑物实景三维模型地理精度检测，主要体现在点位精度上，因此，可以将实景三维模型的检测简化为对楼顶点、楼侧点、楼底点等建筑物特征区域、特征点的检测，来评价实景三维模型的质量。

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Detection and Analysis of Real 3D Geographic Accuracy Model

Guo Linkai

(1.Surveying & Mapping Institute of Dalian，Dalian 116011，China； 2.Geomatics Center of Dalian，Dalian 116011，China)

For the study of using “airborne LiDAR+ tilt photography” technology in the production ofreal 3D model of geographical accuracy，building point，area and volume for the geographic features，methods of detection and contrast by inside and outside the industry，combined with the data source analysis of the influence of tilt images of LiDAR point cloud data on the Shi Jingsan dimension model precision and geographic distribution，summary a real 3D model of geographic precision detection can be simplified to the detection of building，building，building the vertex side of the bottom point，to evaluate the real 3D model of geographical space precision.

tilt photography；airborne LiDAR；three-dimensional model；geographic accuracy；accuracy test

1672-8262(2017)02-105-04

P237

B

2016—11—08

郭林凯(1979—)，男，高级工程师，注册测绘师，主要从事航空摄影测量与遥感、地理空间信息处理、实景三维建模等方面工作。