提高城市实景三维质量的研究与实践——以天府新区实景三维建设为例

刘浪涯

（成都市勘察测绘研究院）

1 引言

相比传统测绘成果，实景三维场景具有更真实的视觉效果，可以为城市规划、建设、管理等工作提供可视化的地理空间信息。近年来，北京、武汉等城市已开展了城市实景三维建设，取得了良好的社会经济效益和示范作用[1-2]。

目前，实景三维技术依然存在部分地形地物细节表现不足、建筑模型精度较低等质量问题，无法满足各领域对高精度、高真实感的地理空间信息需求。为解决该问题，本文对实景三维各类型数据进行了分析，从数据构成、单体化生产、数据质量检查等方面对如何提高成果质量进行了研究和实践。

2 三维数据生产

2.1 数据构成方式

在三维表现方面，连续三角面模型可以准确表达除建筑以外的大部分地形地物，此类数据由大量不规则三角面组成，也被称为“一张皮模型”，是目前实景三维最具代表性的成果。连续三角面模型可由Context Capture等软件自动生成，该类型数据目前广泛应用于地形图测量、景观三维展示等。

单体化模型可以准确表达建筑等人工地物或设施，该类数据由传统手工三维建模结合倾斜摄影技术发展而来，先利用人工建模的方式制作出形状真实合理的模型，然后利用倾斜影像自动映射纹理[3]。经过人工编辑的模型可以确保其形状和外观的准确性，并且可以在三维GIS中进行模型的属性查询、空间分析等操作[4]。

因此，可以将这两类模型进行组合，对自然地形、植被等要素使用连续三角面模型，对建筑物、构筑物等要素使用单体化模型，既能避免连续三角面模型中建筑扭曲变形的问题，又能弥补单体化模型只能表现特定类型地物的局限，起到扬长避短，优化场景的作用，此两类模型的特点如表1所示。

表1 各类模型质量要素对比

2.2 单体化生产方式

目前，单体化模型主要以连续三角面模型为基础，通过人工观察模型认识建筑物的形状，然后通过套合原有模型的方式制作单体化模型。由于在连续三角面模型中建筑存在较多的扭曲变形，制作的单体化模型的位置和形状依然会与实际场景存在较大偏差，并且人工建模时，单体化模型同原有三角面模型的套合紧密度主要取决于作业员的观察视角和经验，容易出现偏离原有位置的情况，使得模型的空间位置可靠性进一步降低。

为解决此类问题，可以利用激光点云数据辅助完成单体化建模。激光扫描获取的点云具有较高的空间位置精度，不会出现因弱纹理造成的扭曲变形，并且点云自动建模的技术较成熟，可以快速完成大范围的建筑自动建模，因此，可以利用该建模方式提高单体化模型的位置精度[5-6]。

相比于倾斜影像，激光点云存在采样率密度偏低、缺乏纹理等问题，自动生成的模型会缺少纹理和小尺寸的形状细节，因此需要在自动建模的基础上，人工对模型进行细节形状补充编辑和纹理映射，最终得到兼具空间位置精度、结构形状和真实纹理的单体化模型。

2.3 质量检查

上述手段可以在一定程度上提高实景三维的质量，但为进一步确保模型的质量，需要对成果采取严格的质量标准和完善的检查方式[2,7-8]。

2.3.1 连续三角面模型检查

对连续三角面模型需要检查模型的空间位置精度和完整性。

①空间位置精度检查：在测区利用全站仪或GPS-RTK等方式实测一定数量的检查点，并对模型中相对应的位置点进行对比检查[8]，检查点需要选取裸露于地表的明显特征点，如道路标记线等。

②完整性检查：通过目视方式检查模型是否覆盖完整、水面是否存在漏洞。

2.3.2 单体化模型检查

单体化模型需检查模型的空间位置精度、形状完整性、纹理真实性，及与连续三角面模型的结合程度。

①空间位置精度检查：在测区内利用全站仪测量一定数量的检查点，并对单体化模型的对应位置点进行对比检查，检查点应选取建筑上的形状特征点，如房角、窗台角等。

②模型形状检查、纹理检查：通过目视方式，以倾斜航空影像和现场地面照片为依据，判读单体化模型的形状是否真实准确、细节结构的取舍是否合理，检查模型纹理是否真实、完整。

2.3.3 场景结合度检查

在三维GIS中同时加载连续三角面模型与单体化模型，目视检查两类模型之间的结合程度，检查是否存在冲突、分离等结合问题。

3 实际案例

为验证上文中改进措施的有效性，项目组在四川天府新区实景三维生产项目中进行测试。天府新区是国家级新区及公园城市典范，区域内有众多的地标建筑及园林绿地，均需在实景三维中准确表达。

项目采用了连续三角面模型和单体化模型组合的方式，以同时满足建筑和植被的场景质量要求，并且采用了激光点云辅助单体化方式和全面完整的质量检查措施，整个项目的生产流程如图1所示。

图1 天府新区某项目实景三维生产流程

3.1 单体化模型生产

使用点云中建筑类点云进行自动建模处理，对于农村房屋等非重点区域建筑，自动生成模型的形状已满足要求。对于重点建筑，在自动生成的模型的基础上进行编辑，补充模型上必要的形状细节，并完成纹理映射处理，得到重点建筑物的模型成果。

3.2 连续三角面模型处理

在实景三维模型编辑软件中对连续三角面模型进行处理，对已经完成单体化的建筑、桥梁、设施等地物进行删除或压平，并对水面、悬浮物等进行处理，确保模型的整体显示效果[9-10]。

3.3 模型质量检查

3.3.1 位置精度检查

外业实测了654个地面特征点和413个建筑特征点用于模型的位置精度检查，通过将模型上对应位置的坐标值与实测坐标值进行对比检查，最终得到的精度情况如表2所示。

表2 模型精度统计（单位/米）

检查结果表明，两类模型的位置精度均满足对应成果类型的精度要求。

3.3.2 形状、纹理检查

以倾斜影像和地面实地影像为依据，对模型的形状和纹理进行检查，发现部分单体化模型存在的形状取舍不当、纹理错位等质量问题，需要对质量问题的模型进行修改。

3.3.3 结合度检查

在三维GIS中将单体化模型和连续三角面模型同时显示，人工检查两类模型在地面的衔接位置，通过检查发现部分区域存在两类模型重叠过多或间隙过大等情况，需要对相应的位置进行修改处理。

经过上述系列检查处理后，整体数据成果质量合格，表现质量有显著提高，局部场景成果如图2所示。

图2 模型组合显示

4 结语

目前，城市实景三维成果存在一定的场景质量和精度质量问题，不能较好地满足各个应用领域的需求，因此，本文从实景三维的数据构成、单体化生产、质量检查等方面提出了优化改进方法，通过连续三角面模型和单体化模型组合的构成方式、点云辅助单体化的方式提高了模型的整体精度和三维展示效果，并进一步采用完善的质量检查措施确保成果的整体质量水平。在实践中，以天府新区实景某三维生产项目为例，充分验证了此类措施的可行性和有效性，确保了项目的成果质量，进一步为实景三维成果的多领域应用奠定了基础。