基于存量数据构建贵阳市全域地形级实景三维底座的探索

张国清,邓兴,马子俊,鲍俊强,后永波

(贵阳市测绘院,贵州 贵阳 550081)

0 引 言

实景三维是真实、立体、时序化反映人类生产、生活和生态空间的时空信息,是国家重要的新型基础设施[1,2];同时实景三维是新型基础测绘标准化产品,是国家新型基础设施建设的重要组成部分。实景三维作为数字政府、数字经济重要的战略性数据资源和生产要素,自然资源部提出了两步走的战略部署,并提出实景三维地形级、城市级、部件级3个层级构建体系[1]。

贵阳市作为国家新型基础测绘建设试点城市,实景三维建设是试点建设的核心内容之一,充分挖掘历史存量数据的价值,提高生产效率,服务好试点建设内容既是任务也是目标。本文中,介绍贵阳市应实际项目需求,通过融合及挖掘历史存量数据,构建贵阳市全域(3 005.7 km2)地形级实景三维底座成果,取得了很好的效果。

1 需求分析及存量数据的评估与挖掘

根据自然资源部对实景三维中国建设中地形级实景三维的技术设计及建设要求,完成对现有存量数据的类型、精度、执行标准、来源、法定性和用途等进行综合考量[3]。

1.1 需求分析

应实际项目需求出发,项目建设内容仅构建贵阳市全域(3 005.7 km2)地形级实景三维底座。依照《实景三维中国建设技术大纲》要求(表1),地形级实景三维底座建设包括地形级地理场景和基础地理实体两部分建设内容,其中地理实体数据属于新型基础测绘建设成果,参照国家新型基础测绘贵阳试点对地理实体数据的阶段性设计,本文基础地理实体数据仅考虑现有存量数据可挖掘部分,针对基础地理实体的语义化内容仅包含实体属性。

表1 实景三维中国建设技术大纲指标参数

1.2 存量数据的评估与挖掘

通过项目生产需求分析及自然资源部对地形级实景三维建设内容的各项指标的指导意见,收集可用于构建地形级实景三维底座的各类辅助数据,按照类别特征及质量要求对辅助数据的类型、特性、范围、用途等进行综合考量,形成存量数据源分析表[4](表2)。

表2 存量数据源分析表

2 技术路线设计

参照自然资源部实景三维中国建设技术大纲的设计,为满足贵阳市全域地形级实景三维底座的生产需要,根据存量数据的评估结果,把收集后的数据源按照特定的设计用途,完成整体技术路线的设计[5,6,7],如图1所示。

图1 总体技术路线设计

3 数据处理及融合

根据地形级实景三维底座的总体技术路线设计,对存量源数据完成预定设计的预处理。

3.1 点云数据处理

点云数据处理是DEM生产的关键,也是地形级实景三维底座的构建基础,它包括点云数据的基准转换、分区分块处理、冗余数据消除、点云数据纠正、点云数据的自动滤波(自动分类)、点云数据优化、点云数据手工分类、预处理成果数据拼接、特征性提取、构建不规则三角网、内插网格生产1m网格DEM(图2、图3);同时根据点云分类分层结果,保存分类数据中建筑物层的点云数据,用于补充及完善存量DLG数据以及三维实体数据的生产。点云数据的处理主要用Terrasolid、LidarDP软件完成。

图2 基于点云生产DEM成果流程图

3.2 DLG及建筑物普查数据处理

存量1∶2 000 DLG数据是生产基础地理实体过程中提取图元数据的基础。首先,根据存量DLG数据提取建筑、水系、道路等二维图元及部分属性;其次,把提取到的建筑物、构筑物等二维图元,结合点云分类结果中的建筑物类别,利用R3d_Model软件构建三维图元(LOD1级)(图4);再次,提取建筑物普查数据中建筑物、构筑物等实体属性信息;最后,建立映射关系,把同一对象的属性值赋值至图元数据中,完成简易的语义化过程,构建基础地理实体数据[4,8](图5)。

图4 点云数据构建三维图元示意图

图5 三维基础地理实体示意图

3.3 构建地形级地理场景

按照实景三维中国建设技术大纲的技术路线设计,地形级地理场景的构成是将数字高程模型与数字正射影像数据叠加而成[1,4,9]。实践过程中需要解决的难点有:

(1)数据匹配及优化。DEM与DOM生产的数据基础不同,高程突变处呈现明显的错位和断裂,DEM和DOM匹配效果应该过渡自然,保持地物的真实性。如需针对高速公路、高速铁路、重要堤坝进行DEM和DOM优化处理。

(2)处理精度和美观度取舍问题。由于点云数据密度较高,能较准确地表达道路面的细部特征,而DOM在高程变化比较大的区域容易产生投影差,一般选择处理明显错误的问题或者扭曲非常明显位置,即采用周边的纹理进行覆盖从而模拟恢复出地面层真实的纹理特征,使纹理能够自然衔接。

(3)水系处理。待处理的水系应遵循的要求:流动水域高程依据上下游水位点高程过渡自然,或分段内插赋值表达;静止水域范围内一般根据常水位设置为同一高程;水面与周围地面的地形衔接需合理。

(4)重点桥梁单体化处理。由于DEM与DOM叠加存在基础不一致问题,会导致地理场景效果图中区域架空部分桥面塌陷。为保证地形级地理场景中重点区域桥梁美观、合理,拟定对包含贵阳环城高速范围内的部分重点桥梁、高架路进行单体化处理,总长 120 km(图6)。

3.4 融合成地形级实景三维底座

根据存量数据源的标准化处理,把地形级地理场景成果及基础地理实体初步成果相融合,构建地形级实景三维基础底座,总覆盖面积约 3 005.7 km2(图7)。形成能用于三维可视化与空间量算、服务区域宏观规划、满足自然资源管理、城市建设规划等需求的综合数据管理及展示的基础平台。

图7 地形级实景三维底座示意图

3.5 成果精度检测及评价

本项目经贵州省测绘产品质量监督检验站对DEM成果、点云分类成果、地形级地理场景成果、基础地理实体二三维表达数据的空间参考系、属性精度、位置精度、逻辑一致性、时间精度、栅格质量、表达质量等指标进行质检与评价,认为各项精度指标均在允许范围内,成果批质量合格。

4 结论及展望

当前,实景三维中国建设是面向新时期测绘地理信息事业服务经济社会发展和生态文明建设、自然资源管理的新定位、新需求,本次体系革新即是对传统基础测绘业务的继承,又是对测绘地理信息服务发展方向及理论体系的转型升级[1,10]。本文通过具体项目需求实践了基于存量数据构建地形级实景三维底座,探索出一些非常有意义的经验。

(1)针对基于存量数据构建地形级实景三维底座,体现新体系下对传统测绘产品的继承性原则,在满足新体系成果设计基础上,本文实践经验表明可以极大地减低生产成本,提高生产效率;其次,通过实践获得利用点云数据生产大范围DEM成果、处理地形级地理场景突出问题、解决存量数据部分映射关系等有价值的经验。

(2)本文按照实景三维中国建设技术大纲的技术设计进行实践,验证了技术路线的可行性,发现实施过程中存在的问题及困难,如源数据预处理、较复杂映射关系的建立、基于存量数据丰富基础地理实体的语义化、数据融合等问题。

(3)本项目实践内容较为综合,涉及的测绘成果集成技术及突出问题解决办法,即能指导传统测绘成果高效的生产,又能应对新形势的各项应用服务的新需求。

虽然本文利用存在数据量探索出可行的技术路径,但历史存量数据及实时众源数据的内容丰富、形式多样,文中仅针对具体项目需要,探索出极少部分存量数据的价值,针对存量数据的利用还需要在存量数据的预处理、转换方案配置、整合建库、融合更新、质量控制、应用服务等方向寻找新突破。