实景三维模型的建设技术与应用

乐黎明，覃雪梅，王 祥，王力斌，贾小霞，周 威

（1.武汉追月信息技术有限公司，湖北 武汉 430051；2.武汉市测绘研究院，湖北 武汉 430022）

1 实景三维的研究背景

面对不断变化的内外部环境和百年未有之大变局，新时代下的测绘行业面临着新挑战、新机遇。党的十八大以来，习近平总书记多次考察信息化建设情况，强调要加快建设数字中国。党的十九大报告明确提出，建设数字中国，以更好服务我国经济社会发展和人民生活改善。2015年国务院批复同意的《全国基础测绘中长期规划纲要（2015-2030年）》指出，要加快推进新型基础测绘体系建设，不断提升基础测绘保障服务能力和水平。2019年印发的《自然资源部信息化建设总体方案》中提出，推进三维实景数据库建设。2020年全国国土测绘工作会议提出新时期测绘工作“两服务、两支撑”的根本定位，明确要求大力推动新型基础测绘体系建设，构建实景三维中国。2021年自然资源部印发的《自然资源三维立体时空数据库建设总体方案》要求，切实履行自然资源统一调查监测职责，加强自然资源调查评价监测工作。站在服务国家发展大局和支撑人类命运共同体建设的高度，推动实景三维建设是落实数字经济战略的重要举措，是实现国家新型基础设施建设的具体部署，是推动传统基础测绘转型升级的关键环节，是推进新型基础测绘的生动表达，在城乡规划建设、统筹管理和经济社会发展中起到了举足轻重的作用。因此，实景三维建设是大势所趋、势在必行。

2 实景三维的定义内涵

实景三维是对人类生产、生活和生态空间进行真实、立体、时序化反映和表达的数字虚拟空间，是室内外、地上下、水陆域等各类地物具有精准三维几何信息、丰富语义属性、准确空间关系和按需多细节表达的空间数据集，是新型基础测绘标准化产品，是国家新基建的重要组成部分，为经济社会发展和各部门信息化提供了统一的空间基底。实景三维是客观真实反映现实世界的三维模型，具有真实、现实和景观可视的特点，是单体化、实体化、结构化、语义化、支持人机兼容理解和物联实时感知的基础地理实体（图1），是可空间量算和综合分析的三维模型[1]。按照建设层级和表达内容，通常分为地形级、城市级和部件级。

图1 实景三维的特点

3 实景三维的主要技术流程

实景三维的技术流程主要包括无人机倾斜摄影、倾斜三维自动化建模、倾斜三维单体化、倾斜三维模型发布与应用。首先需要利用无人机搭载多视角相机获取地面影像，即倾斜摄影影像；再通过倾斜摄影三维建模系统，将影像恢复成实景三维模型[2]；然后将模型进行单体化；最后通过GIS平台将三维模型发布出来，并基于三维模型进行各种分析和应用。具体作业流程如图2所示。

图2 实景三维技术流程图

4 实景三维的关键技术支撑

实景三维技术支撑主要依赖于硬件和软件技术的发展。随着智能制造、北斗全球定位系统的组网、高精度地基增强系统的完善等硬件技术以及人工智能、计算机视觉、大数据、云计算等信息技术的发展，共同构成了实景三维的关键技术支撑。

4.1 硬件平台技术

在硬件方面，有3项技术至关重要：①无人机制造技术，经过多年发展，以大疆为代表的成熟的工业级无人机生产制造技术保障了无人机的安全可靠与持续飞行能力，使广大用户能放心使用无人机，并具备一定的生产能力；②工业级五镜头倾斜摄影相机系统的生产与制造能力，实景三维最重要的数据源为倾斜影像，分辨率更高、色彩更逼真的倾斜影像保障了实景三维模型的精细度；③覆盖全国的地基增强卫星定位服务系统，能为无人机和倾斜影像提供精确的位置信息，不仅可实时监控无人机位置，保障飞行安全，而且具备高精度位置信息的倾斜影像也能提高实景三维模型制作的精度和效率[3]。目前，无人机倾斜摄影系统数据的获取效率（采集分辨率为2 cm以内且适用于精细三维模型制作的倾斜影像）可达到2 km2/d/架。

4.2 软件平台技术

软件平台技术包括倾斜摄影三维建模软件、倾斜摄影三维模型单体化软件以及倾斜摄影三维模型快速发布与应用平台。倾斜摄影三维建模软件是数据处理的关键环节，长期以来该环节被国外软件厂商垄断。近年来国产倾斜摄影三维建模软件陆续研发成功，其效果和效率均可达到国际厂商的水平。随着人工智能、大数据、云计算等技术的应用，当前的倾斜摄影三维建模系统可支持12台每天面积2 km2的台集群全自动实景三维模型的规模化制作。倾斜摄影三维模型单体化软件解决了三维模型从看到实用的关键问题，使三维模型具有更高的观赏价值和实用价值。倾斜摄影三维模型快速发布与应用平台最核心的能力是数据的承载量。对于小范围数据，一般厂商可实现数据发布并能达到良好的分析应用功能；然而实景三维模型的应用，从诞生起就注定是一个大数据平台，需承载海量的三维模型、视频流等物联网数据。现有的实景三维模型快速发布平台可支持超过20 TB实景三维场景数据的在线浏览，能满足城市级别实景三维模型的发布与应用。

5 实景三维在自然资源管理中的应用

实景三维技术深度融合人工智能、大数据、物联网、区块链、5G通信等新技术，是党中央、国务院要求大力发展“产业数字化、数字产业化”、“统筹新型基础设施建设”，推动测绘产业面向新需求快速转型的催化剂；是城市精细化治理和应急管理面临巨大挑战的压舱石；是新时期自然资源管理、生态文明建设、智慧城市建设、城市更新和精细化治理的指挥棒[4-5]。由此可见，实景三维的应用已渗透自然资源管理和社会经济建设的各个方面。

5.1 自然资源调查、利用与管理

党的十八以来，习近平总书记从生态文明建设的整体视野提出“山水林田湖草是生命共同体”的论断，而实现实景三维则可全方位、全地域、全过程开展自然资源管理和生态文明建设。广东省自然资源厅发布的《关于加强三维基础地理信息数据建设的通知》提出，整合基础地理信息数据资源，建设并持续更新三维基础地理信息数据，形成基于三维空间的自然资源数据一体化展示和分析能力。利用三维基础地理信息数据叠加山、水、林、田、湖、草等各类已有数据库信息，并与实景三维进行比对和修改，完善各类自然资源统计信息，实现无需到野外实地即可完成自然资源的调查与利用。

摸清家底是实现自然资源资产化管理的重要一步，只有把握现在的数据与趋势，才能决策未来的目标与方向。自然资源的管理主要依托实景三维发布平台，通过系统门户了解资源的概括情况，包括各类自然资源的数量情况、自然资源类别的分布情况、自然资源与空间管制的情况等。通过对数据的集中管理，方便一体化展示各类自然资源信息[6]。

5.2 国土空间规划

多规合一是为了顺应新时期新形势下的城市规划，综合多部门资源和需求着力推行的新专项工程。该专项开展4年来，探索了很多先进规划方案，如厦门市利用高精度三维模型构建房屋、市政设施的BIM体系，引入物联网和人工智能技术，将规划、国土、住建、环保的部分标准、参数、部件、需求统一到同一系统下，兼顾未来可持续的方针，进行全市顶层设计。2016年莫拉蒂台风给厦门造成严重危害后，利用全要素化的社会资源，一天之内所有垃圾清理、水电维护、设备抢修都在中枢系统安排下有条不紊地完成了灾后重建。精确真实的城市三维数据是未来城市精细化管理和高质量发展的基石。

地下管线是一座城市的“生命线”。利用三维GIS对整个城市的三维立体空间进行统一描述，并充分准确地集成表达地下的地质、管线、构筑物以及地上的土地、交通、建筑、植被等，形成与现实世界一致的三维立体空间框架。在单体建筑方面，利用三维城市规划系统，在仿真城市场景中实时互动评估与分析规划方案，为规划管理者提供更直观与科学的依据。结合历史和规划数据，可浏览整个城市的演变历程和未来面貌，为空间规划提供支撑。

5.3 三维矿体管理

自然资源是生态环境的命脉，利用三维的方式可为自然资源“把脉”。若没有了高度，山会变成平原；若没有了树木，山也不会是金山银山；若没有地下空间，也不会看到金矿银矿。自然资源在空间分布上不仅具有广度，还具有深度。通过自然资源三维建设，实现从地面到地下，从整体到个体，直观展示多层次、多维度、多元化的自然资源空间分布情况。全方位、立体、直观的实景三维有效解决了三维矿体的管理难题。

5.4 不动产确权登记

不动产登记客体信息具备空间性质，第三维信息仅用楼层、高度、朝向等属性内容来表述，未准确反映各地籍实体的空间位置与范围，难以确定产权体空间位置的“唯一性”。利用建筑物三维表达客体的真实空间位置情况，利用三维楼盘表达不动产单元的抵押、查封等信息，再将楼盘表、分户图、属性数据三者相结合，全方位还原不动产登记信息。

5.5 应急灾害防治

2018年10月10日中央财经委员会第三次会议提出，大力提高我国自然灾害防治能力，实施自然灾害监测预警信息化工程。随后，围绕普适型地灾监测设备研发、隐患调查、信息化建设等方面，自然资源部大力推进地质灾害防治工作，我国地灾防治市场也由此进入一个新阶段。自然资源部部长陆昊在相关会议上强调，要综合运用合成孔径雷达测量、高分辨率卫星遥感、无人机遥感、机载激光雷达测量等多种新技术手段，搞清楚“隐患点在哪里”。

我国地形复杂、山高谷深、沟壑纵横，地质条件复杂，易发生地质灾害。根据高程数据三维地形建模成果，利用坡度分析功能可快速、全面、准确地找到地质灾害风险点，为应急救灾提供决策支撑。2020年面对突如其来的新冠肺炎疫情，实景三维助力智慧防疫，汇总全市各小区楼栋户信息、集中办公点数据以及医疗资源信息，并将医院、方舱、社区的实时监控视频与三维模型无缝融合，严格监测管控区域疫情发展情况，为统筹全民“战疫”提供了技术支撑。2021年郑州特大暴雨给人民群众生命财产安全带来了严重威胁，实景三维为开展灾后救灾提供了详实的数据支撑。

5.6 城市规划设计

在城市规划设计方面，可利用日照分析、通视分析等三维分析功能，在虚拟三维空间中模拟现实环境，并对其进行设计，从而分析建筑的日照是否满足要求，道路的通视是否合理等，做好精准合理的规划[7]。通过倾斜摄影技术完成城市实景三维模型建设，全要素、真实地反映地物的外观、位置、高度等属性，能更加直观地联合多部门进行城市规划和综合决策。

6 结语

倾斜摄影测量、三维激光扫描等技术的迅猛发展给实景三维的信息采集奠定了坚实的数据获取基础，5G通信技术的逐渐普及给实景三维模型数据的在线浏览和应用提供了强大的技术支撑，大数据、云计算等技术给实景三维的海量信息搭建了可靠的数据平台。未来的实景三维将会“飞入寻常百姓家”，让社会大众足不出户即可沉浸式周游神州大地，满足新时代自然资源“两统一”职责履行和城市更新等各方面的新需求，推动基础测绘服务能力和水平的大幅跃升。