城市实景三维场景分级及模型修整技术探讨

随着2019年“实景三维中国”概念的提出以及李德仁院士对实景三维产业技术条件和“实景三维中国建设”工程开展条件的判断，国家、省、市各级政府开始大力推进实景三维建设工作。
 
相对于如火如荼的项目建设，技术标准建设却稍显滞后。原国家测绘地理信息局在2012年和2014年相继发布了三维地理信息模型的数据产品规范、生产规范、数据库规范以及质量检查和验收规范，住房和城乡建设部也于2010年发布了《城市三维建模技术规范》。但是随着这些年倾斜摄影测量、机载激光扫描等技术的引进和成熟应用，原有基于传统人工方法的三维模型制作标准已经无法有效地对自动化三维建模技术形成的成果做出有效、合理的规范。
 
为此，实验室的技术人员结合实景三维项目建设经验，对实景三维场景分级和模型修整进行了初步的思考，欢迎各位技术大咖讨论。
1、实景三维场景分级

武文忠司长提出，实景三维中国建设主要由3个层级构成：地形级、城市级、部件级。但是通过与地方应用需求的对接，我们发现这3个层级无法细致地应对地方层面的城市需求，于是在原有层级基础上增加了“街道级”。
地形级实景三维场景地形级实景三维场景主要表现城乡大区域地形地貌。从高空视角观看，能够直观展现山川河流、村镇分布、城市形态。场景中模型的平面和高程精度可按照《城市测量规范》1:2000比例尺相关规定执行。
 
该层级的实景三维场景可采用以下方式建设：
 
▼数字高程模型（DEM）叠加数字正射影像图（DOM）建模
收集已有DEM和DOM成果，将DOM作为地面纹理叠加到DEM上，进行场景编译后发布使用。
 
其中，DOM地面分辨率不宜低于0.2米，DEM格网尺寸不宜低于2米。
 
▼基于高重叠度正射航空摄影数据进行倾斜三维自动化建模
采用正射航空摄影方式进行地面影像获取，然后使用倾斜三维自动化建模软件进行数据处理，形成实景三维场景。
 
其中，影像地面分辨率不宜低于0.2米，航向重叠度不宜低于70%，旁向重叠度不宜低于50%。
 
▼基于倾斜航空摄影数据进行倾斜三维自动化建模
利用多镜头（一般是五镜头）倾斜航摄仪，获取前、后、左、右、垂直五个视角的地物照片，然后使用倾斜三维自动化建模软件进行数据处理，形成实景三维场景。
 
其中，垂直影像地面分辨率不宜低于0.2米。
 

城市级实景三维场景

城市级实景三维场景主要表现一定区域的城市风貌、地形地物。从低空视角观看，能够直观展现居民地、工矿建（构）筑物、交通设施、水系、植被、地貌等。

 
该层级的实景三维场景一般采用倾斜航空摄影方式获取影像数据或激光点云数据，然后使用倾斜三维自动化建模软件进行数据处理，并对自动化生成的三维模型进行初修，消除平静水面等导致的模型结构空洞、变形，以及大型悬浮物等，形成城市级实景三维场景。
 
其中，垂直影像地面分辨率一般选择0.03米。场景中模型的平面和高程精度可按照《城市测量规范》1:500比例尺数字线划图规定执行。

街道级实景三维场景

街道级实景三维场景主要表现城乡建筑、道路及景观环境等。从街道车行或者步行视角观看，道路及其附属设施、建筑物立面及材质等符合现实世界的视觉感受。

 
该层级一般基于城市级实景三维场景，利用修模软件对道路、植被、水系、管线和其他模型进行精细化处理，对建筑物进行实体化处理，以消除建筑物镜面、透明玻璃等散射较弱材质导致的模型结构变形或缺失，建（构）筑物密集导致的结构粘连、地面植被遮挡、拍摄盲区导致的模型结构缺失等问题。

部件级实景三维场景部件级实景三维场景能够表现建筑物细节、道路标志标线、街头景观小品、市政设施等。从街道车行或者步行视角观看，从绿化、街头小品等城市景观、道路附属设施等细节上符合现实世界的视觉感受。
 
该层级一般是在街道级实景三维场景的基础上，对道路、水系、植被、管线和其他模型进行实体化处理而得到。
 
2 模型修整及实体化

要构建以上4个层级的实景三维场景，我们需要对组成场景的各类模型进行不同精细度的修整，以满足各层级场景对模型细节层次的不同需求。
模型初修
模型初修主要面向城市级实景三维场景，也就是说城市级实景三维场景中的模型都必须要经过初修。
 
虽然在自动化三维建模之前已经对航摄影像进行了云光匀色处理，消除了拍摄时季节因素、气象因素和时间因素导致的差异，但是因为物体材质反光的原因，仍然会存在部分大型悬浮物、空洞和变形等结构问题，因此需要对自动化建模形成的实景三维场景中的地上地下悬浮物、水系空洞、非道路的地形凸起、分层等进行修整，确保场景整体美观，无大的结构问题。

模型初修示例

模型精修

在模型初修的基础上，对异常起伏的路面、主干道车辆碎片、建筑物模型中大于20%的空洞和扭曲、桥梁结构的粘连，道路两侧其它地物进行进一步的精细化修正，确保结构完整、空间结构准确，纹理无扭曲、拉花等现象。它形成的模型成果主要用于街道级实景三维场景。

 
 

模型精修示例

 
模型实体化相对于模型初修和精修，实体化是从根本上对具有实际语义的独立地物进行模型重构，即利用矢量化的方法对模型进行三维结构的重新绘制，并重新映射纹理。这样不仅可以大幅减少模型面片数据量，而且还可以在实体化的模型要素基础上挂接属性，实现实景三维模型、场景对现实世界外观、内涵的完整映射，为数字孪生提供准确、完整的信息本底。它形成的成果主要用于部件级场景中。
模型实体化示例
关于实景三维场景和模型修整的相关思考就分享到这。后续，我们会不断推出各种技术讨论文章，欢迎各位读者留言、讨论。