实景三维立体地形数据体系建设技术分析

2023-09-20江浩

智能建筑与智慧城市 2023年9期

江浩

（安徽省第三测绘院）

1 实景三维的相关概述

实景三维是建设数字中国的核心内容，能为数字中国建设提供空间定位框架和分析基础，是数字政府、数字经济的战略性数据资源和生产要素。实景三维立体地形数据体系建设的本质是通过基础测绘、数据采集等手段，将地理信息资源体系中的数字高程模型、矢量数据作为基础，全方位展现地理信息资源、地形特征、地物分布等信息的可视化数据库[1]。

2 实景三维立体地形数据体系建设思路

实景三维立体地形数据体系是基于数字高程模型，同时按照各省市的实际情况，构建的三维立体地形数据库、实景三维产品，具体内容包括：①制定实景三维生产技术标准体系；②探索存量基础地理信息数据实体化改造和地形级地理场景构建的技术路径；③采用倾斜航空摄影测量和激光雷达测量获取数据，试点生产城市级和部件级实景三维产品；④建设实景三维数据库管理系统和应用服务平台。

以某省实景三维项目为例。该项目以该省市的1:10000 基础地理信息数据更新工程数据成果为主要数据源，以最新的地理国情监测数据、第三次国土调查及其他存量数据为辅，对现有的地理信息资源库内的数据进行实体化改造，完成作业区域内地形级基础地理实体数据生产，完成DOM、DEM等场景数据的整理及建库生成地形级实景三维产品等。

3 实景三维立体地形数据体系的技术指标设计

1）时空基准包括实景三维立体地形数据的平面坐标系统、高程基准、时间基准。其中平面坐标系统采用2000国家大地坐标系，分区域数据采用地理坐标，以“度”为单位，双精度浮点数表示，保留9 位小数（0.000000001 度）；高程基准为1985 国家高程基准，高程系统为正常高；时间基准为公元纪年和北京时间（UTC+08：00）。

2）精度要求基于现有源数据转换生产基础地理实体数据的几何精度（含平面位置精度和高程精度）误差来衡量，最大误差不大于2倍中误差，具体见表1，特别困难地区，可按地形类别放宽0.5倍。

表1 实景三维中地形级新采集基础地理实体数据平面位置及高程中误差

3）粒度要求是基于现有源数据转换生产该省基础地理实体数据，使其粒度与转换源数据保持一致。

4）生产要求包括：①源数据的几何图形和属性数据在转换生产基础地理实体的图元和基本属性数据时，应保证转换后数据准确无误，无遗漏、多余或重复；②转换生产后的基础地理实体数据，其分类、实体属性和实体关系应符合《XX省基础地理实体数据技术规范》（试行）相关要求；③现有源数据应转尽转，不能转换的要素，参照《基础地理实体数据采集生产技术规程》采集生产。

4 实景三维立体地形数据体系的关键技术分析

4.1 数据获取与处理技术

数据获取和预处理是实景三维立体地形数据的基础内容，技术方案的核心包括采集源数据、预处理多源数据、数据语义化处理等[2]。

1）采用城市级地理场景数据生产中生产的Mesh 三维模型、数字高程模型（DEM）、数字正射影像图（DOM）、数字真正射影像图（TDOM）等多源数据，作为基础地理实体采集的源数据。

2）预处理实景三维中的源数据、实体数据，包括坐标格式转换、语义化、结构化等预处理工作。数据获取方式是根据数据模型、共享网络，获取实景三维地形信息，并对地形地理自然信息进行数据抽取、清洗、压缩等预处理。

3）语义化处理地形数据的关键是以基础地理实体的空间身份编码为索引，对同一基础地理实体不同表现形式的数据进行关联。例如，同一个实体的点图元、线图元、面图元和体标识为同一实体。通过“三元组”形式对基础地理实体属性、实体关系进行规范化描述，如基础地理实体基本属性的“三元组”描述规则为：“<实体，实体属性项，属性值>”，基础地理实体的实体关系“三元组”描述规则为：“<实体，实体关系，实体>”。

4.2 实体数据生产技术

实景三维立体地形数据体系中，实体数据生产技术的应用场景包括“基础地理实体数据”、“地理场景数据”、“数据体系三维模型数据”等，以“地理场景数据”的生产为例，如图1所示。

图1 实景三维中地理场景数据生产技术路线图

1）通过倾斜航空摄影测量获取数据集，随后应用像片控制测量、影像预处理、多视倾斜影像匹配、多视倾斜影像空中三角解算、稠密点云构建、噪声信息去除等技术构建三维模型。在此基础上，运用机载式激光雷达根据实景三维立体地形数据的采集需求，采集地形数据，获取高密度点云数据，生产高精度DEM（数字高程模型）。

2）应用车载式激光雷达测量，对主要道路路面及两侧交通设施、市政设施地理形状结构复杂、材质纹理丰富的建筑物、地下空间含遮挡区域进行数据采集，获取高精度激光点云和高清全景影像数据[3]。

3）将机载、车载、架站式激光雷达测量方式获取的激光点云，与倾斜摄影密集点云进行配准融合，从而得到高精度融合后的点云。

4）利用融合得到的点云构建不规则三角网（TIN），由TIN 构建白模；根据空三关系从倾斜摄影影像和激光雷达测量同步获取的影像中计算对应的纹理，并自动将纹理映射到对应的白模上，形成逼真的Mesh 三维模型，随后对三维模型进行补充修饰，经检查修补合格后，作为城市级地理场景。基于城市级地理场景数据，相关人员在实景三维立体数据体系中直接获取数字正射影像图（DOM）、数字真正射影像图（TDOM）、数字高程模型（DEM）和数字表面模型（DSM），直观地了解可视化的地理地形信息。

4.3 区域网平差技术

区域网平差技术可分为“稀少控制”、“足量控制”条件下的区域网平差，在实景三维立体地形数据体系中能够依据各区域的地理特征、地形数据高精度控制需求、卫星影像覆盖情况，消除实景三维数据采集时的误差，同时起到提升卫星影像几何定位精度的作用。此外，建设实景三维地形数据体系时，基于区域平差技术，数据系统可自动校验区域内的所有卫星影像，获取特定时段的影像参数、精密轨道等数据。同时按照区域网内卫星影像误差特性、分布规律，消除区域网在平差时的影像误差。或根据实景三维地形数据的供应需求，充分利用各类公众地理信息数据，使其作为可视化地形数据模型的参考资料，生产更可靠的实景三维影像产品。

4.4 实景三维数据建库技术

4.4.1 技术方案

以建设基础地理实体数据库为核心，以“一库多能、按需组装”为目标，将生产完成的基础地理实体数据进行赋码、数据关联组织、建立实体间关系、生成库结构文件。初步构建融合动态时空信息数据和语义数据，具有时空数据库管理系统、语义数据挖掘系统和语义融合分析系统，涵盖多层级、多模态基础地理实体和地理场景的实景三维数据库。

实景三维数据可以有多种表达形式，如二维矢量数据、遥感影像数据、倾斜摄影三维模型数据、精细化三维模型数据、激光点云数据等。不论抽象表达为何种形式，其唯一标识码相同。数据库中基于地理实体的唯一标识码对多维、多源异构的数据进行统一组织管理，便于在进行地理实体查询时，能够同时查询到该实体的二维数据、三维数据及影像数据等数据形式，为信息判读和空间分析提供更好的途径，提供更直观的辅助决策支持[4]。

4.4.2 技术要点

完成DEM、DOM 中的数据采集、数据生产后。在实景三维地形数据库建设中，相关人员应将生成的DEM、DOM 模型数据和其他地形数据资源进行整合，建设多节点的数据库。建库的核心是将地形数据转化为统一形式和分辨率后集中管理，让实景三维立体地形数据体系能够支持数据动态增加、删除、修改、动态应用、数据分析处理等信息服务。

在建设实景三维立体地形数据库的基础上，还应进一步完善实景三维服务管理系统。具体是在数据库建设中，运用“世界级3D映射Cesium”等开源库可视化呈现地形数据，使实景三维地形数据体系在运行期间，具有矢量数据、栅格数据叠加和统计分析作用。应用数据建库技术后，实景三维立体地形数据体系将相关地理信息、地形数据网络化、一体化显示，包含二、三维地形数据，且数据显示具有跨平台、高精度、自主添加等特点。对于远距离的实景三维立体地形数据，数据库内的信息模型可根据距离远近灵活的设定可视化呈现细节，确保地形数据、地理影像的显示效果，为社会经济建设中地理信息资源的管理和应用创造良好条件。