江西地名研究

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摘要：以省縣級(jí)市為研究區(qū)域，選用智能型無(wú)人機(jī)搭載5鏡頭傾斜相機(jī)，實(shí)施傾斜攝影數(shù)據(jù)采集，采用地物點(diǎn)、靶標(biāo)點(diǎn)相結(jié)合的方式布設(shè)控制網(wǎng)，綜合應(yīng)用Das GET3D Cluster、Context Capture、SvsGeoModeler、MapEasy等軟件，在規(guī)模化多節(jié)點(diǎn)大算力集群環(huán)境下進(jìn)行空中三角測(cè)量、實(shí)景三維模型構(gòu)建與精細(xì)化表達(dá)，生成高精度三維Mesh模型?；诟呔热SMesh模型成果進(jìn)行真正射影像（TDOM）制作、城市實(shí)景三維模型快速構(gòu)建和城市地理信息公共服務(wù)平臺(tái)地名／地址提取更新等。經(jīng)檢測(cè)，三維Mesh模型平面中誤差可達(dá)0.0476m，高程中誤差可達(dá)0.0382m，遠(yuǎn)高于規(guī)范要求。相關(guān)研究成果可為城市級(jí)實(shí)景三維模型構(gòu)建及城市更新提供參考。

關(guān)鍵詞：無(wú)人機(jī)傾斜攝影；高精度三維Mesh建模；城市三維模型（LOD1.3）；真正射影像圖；地名／地址調(diào)查建庫(kù)

實(shí)景三維是對(duì)人類(lèi)賴(lài)以生存、生產(chǎn)和生活的自然物理空間進(jìn)行真實(shí)、立體、時(shí)序化反映和表達(dá)的數(shù)字虛擬空間，是國(guó)家新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重要組成部分，為經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和各部門(mén)信息化與智能化提供統(tǒng)一的空間基底，是落實(shí)建設(shè)數(shù)字中國(guó)、智慧社會(huì)的技術(shù)支撐，分為地形級(jí)、城市級(jí)、部件級(jí)三級(jí)。一般地形級(jí)實(shí)景三維建設(shè)屬于省級(jí)任務(wù)，城市級(jí)、部件級(jí)實(shí)景三維建設(shè)由市縣主導(dǎo)。人工智能算法、大數(shù)據(jù)、計(jì)算能力“三駕馬車(chē)”是地理信息產(chǎn)業(yè)和時(shí)空數(shù)據(jù)應(yīng)用轉(zhuǎn)型升級(jí)的關(guān)鍵。隨著地理信息不斷轉(zhuǎn)型升級(jí)應(yīng)用和實(shí)景三維中國(guó)建設(shè)的快速推進(jìn)，目前城市級(jí)的實(shí)景三維模型重建已成為研究重點(diǎn)。Mesh是由相互連接的節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，可以表示為一個(gè)由不規(guī)則三角格網(wǎng)（triangulated irragular network,TIN）面片組成的面片集合，Mesh模型是通過(guò)Mesh共享邊或頂點(diǎn)相互連接并映射紋理構(gòu)成，是重要的城市級(jí)實(shí)景三維數(shù)據(jù)，其質(zhì)量好壞直接影響著實(shí)景三維應(yīng)用效果。無(wú)人機(jī)作為低空經(jīng)濟(jì)的對(duì)地觀測(cè)平臺(tái)，具備高效率、高精度、低成本等特點(diǎn)，在大比例尺測(cè)繪產(chǎn)品生產(chǎn)、快速實(shí)景三維建模、目標(biāo)識(shí)別與分類(lèi)、定量監(jiān)測(cè)等方面得到廣泛應(yīng)用，已成為城市級(jí)實(shí)景三維遙感數(shù)據(jù)采集的重要載體。

河南省地形級(jí)實(shí)景三維建設(shè)正在有序開(kāi)展，城市級(jí)、部件級(jí)實(shí)景三維建設(shè)亟待推進(jìn)，而如何選擇數(shù)據(jù)獲取設(shè)備、建模處理軟件，在高精度要求下高效完成任務(wù)方面，經(jīng)驗(yàn)略顯不足。本文以縣級(jí)城市建成區(qū)實(shí)景三維建設(shè)為例，探索以無(wú)人機(jī)低空遙感和算力集群為基礎(chǔ)，選擇高效穩(wěn)定的建模軟件，構(gòu)建高精度實(shí)景三維Mesh模型，并應(yīng)用于真正射影像圖(true digital orthophoto map,TDOM)制作、城市三維模型快速構(gòu)建、地名／地址調(diào)查建庫(kù)更新等，為縣級(jí)城市實(shí)景三維建設(shè)提供參考。

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方法論述

首先，采用傾斜攝影測(cè)量方式對(duì)建成區(qū)開(kāi)展無(wú)人機(jī)航空攝影，獲取高清影像，利用省級(jí)衛(wèi)星導(dǎo)航定位基準(zhǔn)服務(wù)系統(tǒng)及全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（global navigation satellite system,GNSS）載波動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)差分（real time kinematic,RTK）技術(shù)實(shí)施外業(yè)像片控制測(cè)量；其次，選用建模軟件，通過(guò)空中三角測(cè)量、數(shù)字表面模型（digital surface model,DSM）匹配、紋理映射等初步建立三維Mesh模型；然后，對(duì)模型進(jìn)行精細(xì)化處理生成高精度實(shí)景三維Mesh模型；最后，基于高精度模型進(jìn)行TDOM制作、城市實(shí)景三維模型快速構(gòu)建和城市地理信息公共服務(wù)平臺(tái)地名／地址提取更新。其中，城市三維模型的構(gòu)建是通過(guò)采集建（構(gòu)）筑物基底數(shù)據(jù)，經(jīng)三維拉伸處理、通用紋理映射和屬性關(guān)聯(lián)完成。無(wú)人機(jī)航空攝影、規(guī)?；笏懔τ布?、控制網(wǎng)布設(shè)、建模軟件等，是保障高精度城市級(jí)實(shí)景三維Mesh建模及應(yīng)用一體化的關(guān)鍵。總體技術(shù)流程如圖1所示。

1.1 建模配置

建模硬件主要是無(wú)人機(jī)遙感設(shè)備和大算力集群。其無(wú)人機(jī)選擇垂直起降固定翼無(wú)人機(jī)，對(duì)起降場(chǎng)地要求不高，便于空域申請(qǐng)，搭載多鏡頭傾斜攝影相機(jī)；大算力集群需滿(mǎn)足≥100節(jié)點(diǎn)算力，支撐Mesh建模數(shù)據(jù)處理，提供規(guī)?；植际讲⑿杏?jì)算支持；對(duì)應(yīng)建模數(shù)據(jù)處理關(guān)鍵工序分類(lèi)選擇不同軟件，如表1所示，分別用于空中三角測(cè)量、Mesh模型構(gòu)建及模型精細(xì)化表達(dá)等。

1.2 傾斜攝影技術(shù)指標(biāo)

傾斜攝影技術(shù)是城市實(shí)景高精度三維建模的關(guān)鍵技術(shù)，使用無(wú)人機(jī)傾斜攝影采集多位姿高清影像，可真實(shí)地反映地理要素，廣泛應(yīng)用于NeRF、點(diǎn)云多源融合高精度建模、城中村精細(xì)化測(cè)繪等。面向城市級(jí)實(shí)景三維Mesh建模，綜合建成區(qū)地形、空域、天氣等因素，影像數(shù)據(jù)源獲取技術(shù)指標(biāo)如表2所示。

1.3 控制網(wǎng)布設(shè)策略

控制網(wǎng)為高精度城市級(jí)實(shí)景三維Mesh建模提供坐標(biāo)基準(zhǔn)。采用地物點(diǎn)與地面靶標(biāo)點(diǎn)相結(jié)合的規(guī)則布網(wǎng)方式，航向間隔6~16條基線、旁向間隔4~8條航帶布點(diǎn)，點(diǎn)間距200~500m。控制點(diǎn)布設(shè)在清晰易于判別、四周空曠無(wú)遮擋的地面，檢查點(diǎn)均勻布設(shè)在遠(yuǎn)離控制點(diǎn)、精度控制薄弱位置。

特殊區(qū)域采用不規(guī)則區(qū)域網(wǎng)布點(diǎn)法，如凹角轉(zhuǎn)折處或凸角轉(zhuǎn)折處增設(shè)像控點(diǎn)，舍棄理論落水點(diǎn)并在該點(diǎn)位附近雙向增設(shè)2個(gè)像控點(diǎn)。靶標(biāo)形狀為“L”型，統(tǒng)一測(cè)量至外拐角。飛行期間部分靶標(biāo)損毀的，選取特征地物點(diǎn)補(bǔ)測(cè)。采用GNSS RTK設(shè)備測(cè)量獲取控制點(diǎn)坐標(biāo)，并進(jìn)行投影和高程轉(zhuǎn)換。

1.4 Mesh模型構(gòu)建

1.4.1 分區(qū)空中三角測(cè)量

空中三角測(cè)量主要是將5個(gè)視角的影像數(shù)據(jù)以及通過(guò)機(jī)載定位定向系統(tǒng)（positioning and orientationsystem,POS）獲得初始傾斜影像的外方位元素同時(shí)導(dǎo)入程序中，再利用正視、斜視影像構(gòu)建區(qū)域網(wǎng)，自動(dòng)匹配多視角影像；經(jīng)過(guò)反復(fù)濾波、平差，解算得到符合精度要求的精確外方位元素，進(jìn)行控制點(diǎn)和加密點(diǎn)量測(cè)，通過(guò)平差計(jì)算獲得加密成果。

為確保空中三角測(cè)量成果滿(mǎn)足Mesh模型構(gòu)建要求，在數(shù)據(jù)整理時(shí)，將影像文件、POS數(shù)據(jù)統(tǒng)一重命名，結(jié)合相機(jī)信息建立信息庫(kù)，使影像空間位置和姿態(tài)信息保持一致；像控點(diǎn)標(biāo)記時(shí)，每個(gè)點(diǎn)位至少需要3~5張影像，將點(diǎn)位放置到像素內(nèi)，可有效減少人為誤差。

1.4.2 Mesh模型構(gòu)建

利用自動(dòng)化建模軟件，采用影像匹配技術(shù)和三維網(wǎng)格優(yōu)化算法，自動(dòng)生成精準(zhǔn)的三維模型以及格網(wǎng)面片的影像紋理，確保格網(wǎng)頂點(diǎn)放置在最佳位置；此建模方法能夠表現(xiàn)更精細(xì)的細(xì)節(jié)和更銳利的邊緣，從而提高幾何精度。選用自動(dòng)化程度較高、算法先進(jìn)的主流軟件，根據(jù)空中三角測(cè)量加密匹配的密集點(diǎn)云，構(gòu)成不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN），優(yōu)化生成目標(biāo)物白模，計(jì)算對(duì)應(yīng)的紋理，將紋理映射到對(duì)應(yīng)的白模上，重建實(shí)景三維Mesh模型，并按分塊矩形格網(wǎng)形式輸出。

1.4.3 Mesh模型精細(xì)化表達(dá)

雖然在上一步建模過(guò)程中，采取了調(diào)整軟件參數(shù)、幾何約束條件等方法進(jìn)行優(yōu)化處理，但存在城市公共區(qū)域道路不平、建筑物扭曲、道路車(chē)輛糊影、紋理破洞、色彩斑駁等模型缺陷，需進(jìn)行人工交互處理，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)Mesh模型精細(xì)化表達(dá)。

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實(shí)例分析

以河南省某縣級(jí)建成區(qū)為例，研究區(qū)域如圖2所示，建成區(qū)總面積約57.28km2，其中主城區(qū)面積為25km2。該區(qū)域北延寧洛高速，西依沙河、S232省道，南接灰河，東至S83蘭南高速，地形基本是平原，平均海拔約80m，最大高差約20m；城區(qū)居民區(qū)密集，分布較多高層建筑物，航空攝影困難類(lèi)別Ⅱ級(jí)。

圖2研究區(qū)域范圍示意圖

2.1 傾斜攝影及控制測(cè)量

傾斜攝影測(cè)量硬件包括飛行平臺(tái)、航攝傳感器、地面控制站三部分。飛行平臺(tái)為智能型CW15Ⅱ長(zhǎng)航時(shí)垂直起降固定翼無(wú)人機(jī)，搭載全畫(huà)幅、2.1億像素CA503R五鏡頭傾斜相機(jī)。根據(jù)區(qū)域概況，采用長(zhǎng)焦鏡頭，航攝時(shí)間為9月上旬，南北方向飛行，每天10：00~15：30時(shí)間段作業(yè)，獲取影像139155張（“*.jpg”格式）及POS數(shù)據(jù)（“*.txt”格式）；控制點(diǎn)布設(shè)平均點(diǎn)間距400m，共布設(shè)像控點(diǎn)、檢查點(diǎn)451個(gè)。傾斜攝影技術(shù)指標(biāo)如表3所示、航線設(shè)計(jì)及控制網(wǎng)布設(shè)如圖3所示。

2.2 Mesh建模及精細(xì)化表達(dá)

應(yīng)用Das GET3D Cluster，針對(duì)139155張“*.jpg”格式影像數(shù)據(jù)源，分2個(gè)區(qū)，投入20節(jié)點(diǎn)算力，每個(gè)分區(qū)通過(guò)集群算力網(wǎng)在線分發(fā)至網(wǎng)內(nèi)10個(gè)算力節(jié)點(diǎn)進(jìn)行空中三角測(cè)量處理；應(yīng)用Context Capture，投入100節(jié)點(diǎn)算力計(jì)算，經(jīng)構(gòu)建TIN、生白模、紋理映射等重建輸出Mesh模型成果，建模流程如圖4所示；應(yīng)用SvsGeoModeler，對(duì)模型勻色、刪除電力線懸浮地物碎片、采集水涯線作為特征線修補(bǔ)河流湖泊等面積較大的無(wú)數(shù)據(jù)水體漏洞區(qū)域、去除主干道路上移動(dòng)車(chē)輛、樹(shù)影、編輯修正重要企事業(yè)單位和標(biāo)志性建筑物等模型扭曲變形等，形成高精度實(shí)景三維Mesh模型。模型處理前后對(duì)比如圖5所示。

2.3 Mesh模型精度檢測(cè)

2.3.1 空中三角測(cè)量精度檢測(cè)

由Das GET3D Cluster軟件導(dǎo)出空中三角測(cè)量精度檢測(cè)報(bào)告，如表4所示，平均地面分辨率、連接點(diǎn)及控制點(diǎn)重投影中誤差、定向點(diǎn)和檢查點(diǎn)中誤差等重點(diǎn)指標(biāo)項(xiàng)均符合要求。

2.3.2 三維Mesh模型精度檢測(cè)

針對(duì)三維Mesh模型2個(gè)分區(qū)分別進(jìn)行，各抽取13處模型特征點(diǎn)，共26個(gè)檢查點(diǎn)，通過(guò)模型點(diǎn)與實(shí)測(cè)檢查點(diǎn)對(duì)比檢測(cè)，計(jì)算精度誤差。檢測(cè)結(jié)果如表5所示，（a）組平面中誤差為0.1195m，高程中誤差為0.0398m；（b）組平面中誤差為0.0476m，高程中誤差為0.0382m。對(duì)比規(guī)范中平面中誤差允許值為0.6m、高程中誤差允許值為0.4m、2倍中誤差為最大限差的要求，文中建立的三維Mesh模型精度遠(yuǎn)高于規(guī)范要求。

2.4 三維Mesh模型應(yīng)用

2.4.1 TDOM制作

傳統(tǒng)數(shù)字正射影像圖（digital orthophoto map,DOM）由于投影差導(dǎo)致的建筑物傾斜、遮擋嚴(yán)重，而數(shù)字TDOM引補(bǔ)了空白，能夠提供更科學(xué)精準(zhǔn)、無(wú)投影差的影像數(shù)據(jù)。

應(yīng)用Context Capture軟件，將高精度實(shí)景三維Mesh模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入軟件中，計(jì)算模型俯視圖、輸出TDOM成果為非壓縮TIF格式和地理信息頭文件“*.tfw”格式，如圖6所示。在俯視角度下，逐屏檢查T(mén)DOM，對(duì)存在的建筑物邊緣明顯鋸齒、扭曲變形，內(nèi)部道路邊緣扭曲、道路中線錯(cuò)位，建筑物附近的漏洞等缺陷的圖像，使用Photoshop、DP-modeler或貼圖大師等軟件編輯處理且同步檢修三維Mesh模型，采用1∶1000比例尺正方形分幅內(nèi)圖廓線范圍外擴(kuò)10m進(jìn)行分幅裁切，生成281幅標(biāo)準(zhǔn)圖。

2.4.2 城市三維模型快速構(gòu)建

城市三維模型是指用棱柱體表示的城市上人工建（構(gòu)）筑物的體塊模型，概要反映城市建筑物主體結(jié)構(gòu)的三維模型單體，一般頂部為平頂或者接近真實(shí)頂部形狀無(wú)紋理結(jié)構(gòu)，立面為直立面狀無(wú)紋理結(jié)構(gòu)，整體以無(wú)真實(shí)紋理的白模形式表達(dá)。城市三維模型表達(dá)了建筑的輪廓、高度信息，是城市三維模型構(gòu)建的基礎(chǔ)，也是目前省市縣多級(jí)實(shí)景三維建設(shè)工作的重點(diǎn)之一。

1）模型構(gòu)建流程。對(duì)重點(diǎn)區(qū)域的普通房屋、棚房、門(mén)頂、雨罩、廁所、出入口、亭、壇、工業(yè)用塔、廊、崗?fù)?、崗樓、巡警平臺(tái)、碑、像、室外樓梯、扶梯、電梯、停車(chē)場(chǎng)、樓、土地廟、小廟等建（構(gòu)）筑物等，利用某縣建設(shè)的大比例尺地形圖，三維Mesh模型更新采集附帶高程、高度屬性的基底數(shù)據(jù)（基底面積大于12m2且高度大于3m），應(yīng)用SvsGeoModeler軟件實(shí)施三維拉伸處理，完成通用紋理映射和屬性信息采集、提取、掛接，快速構(gòu)建城市三維模型，技術(shù)流程如圖7所示。

2）建（構(gòu)）筑物高度提取。高度提取主要利用實(shí)景三維Mesh模型、基底數(shù)據(jù)，計(jì)算獲取建（構(gòu)）筑物頂部高程和基底高程的平均差值。頂部為坡面且坡度大于30°的建（構(gòu)）筑物，高度取基底到其檐口與屋脊的平均高度，如圖8所示。

3）模型快速構(gòu)建。利用SvsGeoModeler軟件，根據(jù)基底數(shù)據(jù)和高度信息進(jìn)行三維拉伸處理，構(gòu)建城市三維模型，如圖9所示，該模型采用“*.ojb”格式三維模型數(shù)據(jù)、“*.jpg”格式紋理數(shù)據(jù)、“*.shp”格式屬性數(shù)據(jù)及“*.xls”格式元數(shù)據(jù)。主城區(qū)三維模型（LOD1.3）構(gòu)建數(shù)量共計(jì)55770個(gè)，占地6163953.66m2，其中主要是普通房屋，共計(jì)53765個(gè)，如表6所示。

4）城市三維模型精度。經(jīng)檢測(cè)，基于Mesh模型快速構(gòu)建的城市三維模型成果的整體平面中誤差為0.21m（允許值2.5m），高程位置中誤差為0.31m（允許值0.5m），幾何位移、建（構(gòu)）筑高度差等均符合規(guī)范。

2.4.3 地名／地址調(diào)查建庫(kù)

地名／地址是城市地理信息公共平臺(tái)／市縣級(jí)天地圖節(jié)點(diǎn)的重要內(nèi)容，為政府、社會(huì)、公眾提供地理信息公共服務(wù)的支撐數(shù)據(jù)?；谌SMesh模型，利用自主開(kāi)發(fā)軟件完成數(shù)據(jù)編輯入庫(kù)等工作，更利于解決數(shù)據(jù)采集、入庫(kù)數(shù)據(jù)丟失和錯(cuò)漏的問(wèn)題，提高工作效率。

建成區(qū)地名／地址采集內(nèi)容如表7所示。結(jié)合收集的已有地名／地址資料，利用高精度三維Mesh模型開(kāi)展建成區(qū)地名／地址內(nèi)業(yè)調(diào)查和整理，并進(jìn)行外業(yè)調(diào)查核實(shí)補(bǔ)充，選用自主研發(fā)的MapEasy數(shù)字制圖建庫(kù)一體化軟件完成地名／地址數(shù)據(jù)庫(kù)，成果為“*.shp”格式，照片資料為“*.jpge”格式。如圖10所示。

1）內(nèi)外業(yè)調(diào)查。根據(jù)三維Mesh模型逐街道、小區(qū)、村莊核對(duì)位置名稱(chēng)，查漏補(bǔ)缺。個(gè)別遮擋不清楚的內(nèi)業(yè)分類(lèi)分色標(biāo)記，如普通點(diǎn)黑色；遮擋區(qū)用紅色，制作外業(yè)調(diào)查底圖。外業(yè)利用電子工作底圖，完成地名／地址的采集、屬性錄入及拍照等補(bǔ)充調(diào)查。

2）整理入庫(kù)。①位置校準(zhǔn)：利用高精度三維Mesh模型校準(zhǔn)核對(duì)外業(yè)補(bǔ)調(diào)點(diǎn)位置。②屬性完善：調(diào)用MapEasy數(shù)字制圖建庫(kù)一體化軟件，通過(guò)圖形拓?fù)潢P(guān)系、字段關(guān)聯(lián)計(jì)算等完成屬性賦值。如：要素代碼賦值、街巷地址名稱(chēng)及編號(hào)提取、經(jīng)緯度坐標(biāo)計(jì)算、照片關(guān)聯(lián)等。③檢查入庫(kù)：檢查點(diǎn)位位置、屬性?xún)?nèi)容、屬性表與圖形數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)性。

3

結(jié)論

針對(duì)城市級(jí)實(shí)景三維建設(shè)在數(shù)據(jù)獲取、模型構(gòu)建及應(yīng)用方面經(jīng)驗(yàn)不足，選用CW15Ⅱ智能型無(wú)人機(jī)搭載CA503R五鏡頭傾斜相機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，綜合應(yīng)用Das GET3D Cluster、Context Capture、SvsGeoModeler、MapEasy等軟件，在計(jì)算集群環(huán)境下進(jìn)行空中三角測(cè)量及自動(dòng)化三維建模，精細(xì)化表達(dá)生成高精度三維Mesh模型。實(shí)踐證明，研究方法可行，模型成果精度可靠，并成功應(yīng)用于城市三維模型快速構(gòu)建、真正射影像圖制作和地名／地址調(diào)查建庫(kù)等。可為城市整體發(fā)展戰(zhàn)略制定、城市安全運(yùn)行管理等全局性宏觀決策提供全空間地理信息服務(wù)。將來(lái)在政府及社會(huì)各行業(yè)應(yīng)用中，發(fā)揮高精度城市級(jí)實(shí)景三維Mesh模型數(shù)字化空間地理表達(dá)、動(dòng)態(tài)三維信息呈現(xiàn)優(yōu)勢(shì)，通過(guò)數(shù)據(jù)拆分細(xì)化、關(guān)聯(lián)掛接業(yè)務(wù)管理數(shù)據(jù)，可實(shí)現(xiàn)城市立體可視化的協(xié)同更新及業(yè)務(wù)辦理與管理，全面提升其決策能力和服務(wù)水平。

作者：王永生，許穎，

朱慧，趙春生，孫萌，施淮艦

來(lái)源：《測(cè)繪工程》2025年第3期

選稿：耿 曈

編輯：汪鴻琴

校對(duì)：賀雨婷

審訂：耿 曈

責(zé)編：楊 琪

（由于版面有限，文章注釋內(nèi)容請(qǐng)參照原文）

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