实景三维的内涵与分类分级

肖建华，李海亭，李鹏鹏，王诗云，陈凯

(武汉市测绘研究院，湖北 武汉 430022)

1 引 言

党的十九大报告明确提出建设数字中国，而实景三维中国的建设恰恰是自然资源部落实数字中国、平安中国、数字经济战略的重要举措，是测绘地理信息行业落实国家新型基础设施建设的具体部署。《民法典》明确提出了要对地上、地表、地下实施分层管理。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年全国自然资源工作电视电话会议要求“加快建设实景三维中国、自然资源一张底图”。

实景三维中国以打造数字中国建设的统一时空基底为目标，以满足各行业、各部门和社会公众对自然资源时空基础数据的迫切需求为导向，通过国家、省、市、县、区协同实施，构建地形级、城市级等系列实景三维中国产品，来支撑经济社会发展，服务各行业需求，支撑自然资源管理，服务生态文明建设，提升测绘地理信息工作的自身能力和水平。

本文以国家新型基础测绘武汉试点和实景三维武汉建设实践为基础，结合武汉市20多年来三维产品的生产和应用服务经验，详细阐述了实景三维的内涵，并按照生产方式、表现形式、组织模式等特点对实景三维产品进行分类分级，与传统三维产品相对比，进而重点介绍了实景三维武汉的总体布局与生产思路。

2 实景三维概述

2.1 实景三维的定义

广义上的实景三维[1]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，具有真实、现实、景观可视、三维立体表达的特点，是人机兼容理解的。狭义上的实景三维通常是指采用倾斜摄影测量三维重建技术生产的倾斜三维模型。本文研究的实景三维是广义上的实景三维，将狭义上的实景三维统称为倾斜三维。

在多年来城市三维模型和新型基础测绘武汉试点建设中，武汉市将既有的生产建设经验融入实景三维的总体定义中，提出了实景三维的实体化、语义化和结构化特征[2]，按照表现形式分为倾斜三维、仿真三维和视频三维，按照表达内容分为地形级、城市级(框架级)和部件级(单体级)。随着对核心内容的深入探讨和应用场景的不断延伸，实景三维不仅是新型基础测绘的一项标准化产品，更将作为国家新型基础设施建设的重要组成部分，为经济社会发展和各部门信息化提供统一的数据基础与空间基底。

2.2 实景三维的内涵

实景三维的本质是在三维地理场景、地理实体基础上动态时空实体数据基础的建设，在统一编码、分类分级、质量控制、组织分工的基础上，通过在三维场景上承载结构化、语义化、支持人机兼容理解和物联实时感知的地理实体，实现对现实世界的时序化、多尺度、全空间描述，使测绘成果真正用于行业内外的三维可视化、统计分析、管理决策等现实需要，是为经济社会发展和各行业各部门信息化提供的统一的空间基底。

实景三维的内涵体现在以下5个方面：

一是真实，实景三维核心的内涵是建立在统一的地心坐标系空间参考下地理位置和几何形态的真实反映，能够满足宏观层面的全球全国层级、中观层面的省区城市级乃至微观层面的部件单体级空间参考的严格统一、基准一致，并以三维形式表达地物实体的空间位置与表现形态，突破了传统非三维测绘产品空间参考多样、表现形式单一、专业性强、表现力弱的局限，是空间域上地上地下、室外室内、陆地水域一体化的新的测绘产品。

二是现实。实景三维是立足于满足自然资源动态实时监测管理、城市治理能力和治理体系现代化建设的需要，充分运用智能测绘时代先进的测绘地理信息技术生产更新周期更短、更灵活的三维实景产品，突出表现是数据产品的现势性，打破了传统测绘产品阶段性节点表达的局限性，面向全生命周期刻画生产、生活、生态空间地物实体的发展变化，建设更具生命力的时序化、实时化、动态化的时空数据底版。

三是景观可视。即对现实世界现实感官的数字化、景观化的映射，在面向非测绘地理信息专业领域的应用中，实景三维的景观可视是最直接、最有效的理解，打破了传统4D产品是从二维视角抽象描述现实世界的固有模式，着重提升新型三维产品的可视化表达能力，内容覆盖更为立体全面，细节描述更为精细，展示效果更为真实美观。

四是模型化。实景三维是人机兼容理解的，即单体化、实体化，但实景三维本质上仍然是“模型”，是对客观世界客体的三维模拟和仿真，对现实中主观存在的文化、经济、人文、意识等现象和信息是极难准确表达的，在当前阶段，完整地实现现实世界“孪生”是不可能的。

五是多维度。实景三维内涵包括但不仅仅局限于空间上的点线面体即零、一、二、三维空间数据，时间上的第四维变化，也包括无限的、可扩充的语义属性信息的第五维，乃至通过建立演化演变模型开展仿真模拟、复盘等能力的更高维度的扩展，是具备多维度支撑水平和服务能力的时空基础数据。

2.3 重要关系

我国测绘地理信息领域正在重点推进新型基础测绘体系、实景三维中国、时空大数据云平台三项建设工作[3]，三者之间关系衔接紧密，共同围绕“两支撑、一提升”提供地理信息服务[4]。新型基础测绘体系建设是实景三维中国建设的能力基础，实景三维中国是新型基础测绘建设的一个典型产品，也是时空大数据云平台建设的数据基础，时空大数据云平台是面向新时代、新任务的服务平台，关系如图1所示。

图1 三项工作的关系

3 实景三维分类

实景三维产品的核心特征是真实、现实和景观可视的，是人机兼容可懂的。实景三维产品以地理场景信息和承载的地理实体数据为基底，以软硬件等环境为支撑，通过物联感知展示、记录和分析现实世界的动态变化，实现现实世界的数字孪生[5]。

实景三维产品分为倾斜三维、仿真三维和视频三维三类，三者具有统一的时空基准，能够满足三维量测、实体关联、语义标注等要求。但三者在表现形式、数据结构、应用场景、生产标准等方面仍有显著差异，倾斜三维在表达上最为直观、真实，仿真三维融入实时感知信息模拟真实场景，视频三维以流数据的形式实现全空间的动态表达。

3.1 倾斜三维

倾斜三维是通过倾斜摄影技术获取正视、侧视等多角度航空影像，经影像预处理、空三处理、多视倾斜影像匹配、生成密集点云后，构建不规则三角网。进而采用混合航摄仪或同区域激光点云数据，将生成的密集点云与激光点云规划到统一坐标系下，融合处理以提高建模精细度，从而生成高精度的三维模型。因而倾斜三维实际上是一个Mesh形式的实景三维模型[6～8]。

倾斜三维是狭义上的实景三维，是现实世界在可视化方面最直观、真实的数字化映射，不仅准确丰富、高质量地反映了地物地貌、建构筑物等空间地物的几何形态、特征纹理特点，还高精度地表达了各类地物设施的位置姿态、拓扑关系、尺寸大小，是城市级、部件级实景三维建设的主力和核心，也是新型基础测绘体系建设的典型产品。

目前，全国多个地区已针对城市建成区(建设区)以及乡镇、农村等城市区域，开展倾斜摄影测量三维建模工作，运用倾斜三维进行智慧城市建设、地籍管理、城市更新等等，在《“十四五”全国基础测绘规划》和《实景三维中国建设技术大纲》中均明确提出：“‘十四五’期间基本完成地级以上城市和其他有条件区域的城市级实景三维建设”，城市级实景三维建设即中观层面的城市级实景三维建设，其核心任务就是建立以倾斜三维为基础的实景三维。倾斜三维如图2所示。

图2 倾斜三维

3.2 仿真三维

仿真三维是以人工方式生产的、模拟现实世界的三维模型为空间数据基础，以实时感知信息为驱动，运用计算机技术构建的动态虚拟现实三维模型及场景。仿真三维最突出的特点是临场环境逼真，光照、粒子、声音以及运动物体的模拟效果良好，辅以如专业的头盔、手套等虚拟传感设备，能够实现基于模拟仿真三维场景的特定功能功效。

仿真三维是为充分利用人类感官能力作为时空动态信息认知理解方式，对看得见的现实世界和看不见的蕴藏信息进行数字化模拟，使人类提升对客观世界进行三维描述、实时交互、动态分析、知识提取的能力。

20世纪90年代中后期，全国一些城市为满足城市规划的需要，开展了城市三维模型的建设，这个时期的三维模型是仿真三维的初期成果。随着计算机虚拟现实技术的不断发展，模型与计算机仿真开始应用于三维模型建设之中。特别是在对城市景观场景的可视化表达方面，相关技术不断更新。在新型基础测绘体系中，仿真三维是实景三维在不同阶段和需求下的产品形式，在城市规划、建筑设计等方面崭露头角并持续在各个领域发挥作用。仿真三维如图3所示。

图3 仿真三维

3.3 视频三维

视频三维即视频流全景地图，是采用视频传感器采集多视角视频流数据，通过视频拼接生成全景视频，同时利用GNSS或SLAM等定位定向技术，或点云与视频影像融合等技术形成的一种全视角、可量测、沉浸式、语义化的新型实景三维产品。

视频三维以流数据的方式动态刻画三维世界，是一种高阶形式的动态的实景三维，具备了实景三维的核心特征，是基础地理实体的一种三维形式，支撑产品生产的软硬件、技术路线相对较为成熟，能够高效地与传统二维地图、仿真三维、倾斜三维建立空间联动的一体化关系，并通过人工智能、机器学习等技术实现视频三维的实体化、语义化。视频三维如图4所示。

该产品的生产可基于移动测量车、背包等平台，采用全景摄像机、定姿定位设备，沿道路、街巷等线性路径开展采集，并在城市环境整治、大型活动举办等多项工作中开展广泛应用。

图4 视频三维

4 实景三维分级

通过国家、省、市(县、区)和市场等分主体、分层级的协同联动建设，构建宏观区域全国覆盖、陆海兼容的地形级实景三维，和中观层面中等精度的城市级实景三维，乃至微观层面的部件级实景三维，从而构成全域广泛覆盖、精度分级适用、产品形式多样的实景三维中国。

4.1 地形级实景三维

地形级实景三维的生产组织与应用需求主要以国家和省区层面为主导，面向宏观尺度提供三维可视化、空间量算等服务。将数字高程模型(DEM)/数字表面模型(DSM)融合数字正射影像(DOM)/真正射影像(TDOM)，或倾斜摄影三维模型，叠加以二维形式表达的基础地理实体，获取其他实体、物联感知数据，组装生成地形级实景三维产品。地形级实景三维如图5所示。

图5 地形级实景三维

4.2 城市级(框架级)实景三维

城市级(框架级)实景三维的生产组织与应用需求主要以省区和市县层面为主导，面向中观尺度提供精细化表达与空间统计分析服务，满足城市级精细化管理需要。城市级实景三维产品一般以倾斜摄影三维模型或其他真实三维模型，如手工模型三维等为数据基础，进一步获取其他实体、物联感知数据，进行实体化、语义化处理，从而规模化生产中低精度三维模型。

图6 城市级实景三维

4.3 部件级(单体级)实景三维

部件级(单体级)实景三维的生产组织与应用需求主要以市县层面为主导，面向微观尺度提供精准表达，满足不同需求的个性化定制服务。基于高精度的激光LiDAR(机载、车载、架站、背包)数据、高精度倾斜三维模型、建筑信息模型(BIM)以及精细三维模型等数据，获取其他实体、物联感知数据，构建或转换生成室内外建筑模型、地下空间模型等部件级实景三维产品。部件级实景三维如图7所示。

图7 部件级实景三维

4.4 粒度与精度

实景三维的粒度通常指产品表达的最小地理单元。其中，地形级实景三维表现到行政区划、自然地理单元和农林用地及土质单元等层面，城市级实景三维细化至土地利用现状层面、自然资源登记和不动产登记单元，部件级实景三维则表达到建(构)筑物结构部件、建筑室内部件、道路设施部件、地下空间部件等。

实景三维的精度包括几何精度、时间精度、纹理精度、类别精度和属性精度。

几何精度与其分级密切相关，地形级实景三维的几何精度为米级；城市级实景三维的几何精度不低于 0.2 m，城市建成区及其他重点区域不低于 0.05 m；部件级的几何精度为不低于 0.03 m。

时间精度是对产品生产更新的时间间隔进行精度评定的指标，原则上地形级宏观区域的时间精度为年，城市级中观区域的时间精度为月，部件级重点区域(重点监测、中心城区建设区域等)的时间精度为周。

纹理精度是对产品外观沟纹、图案、形态等结构特征表现能力的尺度描述，纹理精度指标采用图像特征指标，包括对比度、亮度、色调、色相、饱和度等。

类别精度是对产品本质差异的定性的一种语义描述，类别精度的指标根据地理信息的来源进行设计。

属性精度是对性质和关系的属性值(编码值)与其真实值的符合度的描述，表示属性值与其真值之间的接近程度和属性值的正确性、丰富程度。属性精度是实体进行语义分析、空间分析的重要依据。

5 产品对比

在生产生活应用中，数字化三维产品是多样的，常见的如人工模型三维、工业模型、BIM、CIM等，在几何空间表达上虽然都是三维形式，但生产手段、细节表现、应用场景等特点与实景三维又不尽相同。

5.1 城市信息模型(CIM)与实景三维

以建筑信息模型(BIM)、地理信息系统(GIS)、物联网(IoT)等技术为基础，整合城市地上地下、室内室外、历史现状未来多维多尺度空间数据和物联感知数据，构建起三维数字空间的城市信息有机综合体。CIM用于表达和管理城市三维空间，是城市立体规划、建设、管理、运行的信息基础，主要围绕智慧城市建设开展信息采集和使用。CIM示例如图8所示。

图8 CIM示例

CIM与实景三维的表现形式与几何尺度是类似的，差异在于表现内容与应用范围的侧重点不同，CIM重点关注城市空间，实景三维关注国土空间与自然资源。

5.2 建筑信息模型(BIM)与实景三维

BIM是以三维图形为主、物件导向、建筑学有关的电脑辅助设计，通过建立建筑工程三维信息库，实现建筑的数据化、信息化模型整合，是建筑物理和功能特征的数字表达，在建筑设计、施工、运营的全生命周期过程中提供协同平台。BIM示例如图9所示。

图9 BIM示例

BIM与实景三维的区别在于应用领域、几何尺度、生产模式和更新方式等的差异。

5.3 工业模型与实景三维

工业模型是运用计算机技术将对象三维数字化的产品，该对象包括机械设备、建筑等，侧重于突出对象的几何构造或构件关系，弱于纹理表达，生产方式以手工建模为主，主要在工业产品设计、逆向工程、三维打印以及部分建筑设计中运用。工业三维模型如图10所示。

图10 工业模型示例

工业模型与实景三维的区别在于应用对象、技术手段和表达重点的差异。

6 实景三维武汉建设

围绕武汉市基础测绘“十四五”规划和国家新型基础测绘武汉试点建设要求，武汉市统筹推进“实景三维武汉”建设，支撑自然资源管理，服务生态文明建设，支撑各行业需求，服务经济社会发展，支撑智慧城市建设，服务城市治理能力现代化。

在地形级实景三维武汉的建设中，利用高精度数字正射影像和数字表面模型等成果，建立起覆盖全市范围的地形级三维模型，展现山川河流等地形地貌以及城市、村镇的分布与形态。

在城市级(框架级)实景三维武汉的建设中，中心城区范围内，实施分辨率优于 0.1 m的倾斜航空摄影，结合主要道路的激光点云数据和全景影像，对主要道路和部分重要公共建筑建立单体化模型，综合上述成果和高精度矢量数据，建立起覆盖中心城区的城市级实景三维模型。新城区范围内，根据各区实际情况选取重点、热点发展区域，实施分辨率优于 0.1 m的倾斜航空摄影并对范围内主要道路和重点公共建筑进行单体化建模，建立新城区城市级实景三维模型。

在部件级(单体级)实景三维武汉的建设中，综合利用倾斜摄影与激光点云成果，结合室内三维激光扫描，建立区域内市政道路、重点公共设施、标志性建/构筑物的实体化、语义化精细实景三维模型。

7 结 语

实景三维中国建设是测绘地理信息行业进入新发展阶段、贯彻新发展理念、构建新发展格局的一项重要工作，是落实国家新型基础设施建设的具体部署，与国家新型基础测绘体系建设、时空大数据云平台建设紧密关联，都是测绘地理信息供给侧结构性改革的重要之举，这是一场真正意义上的变革。需要集国家、省、市各级和各行业之力，通过逐步完善政策链、技术链、市场链、资金链、服务链，形成环环相扣、链链相接的实景三维产业发展局面，推动实景三维中国建设成为测绘地理信息行业新的发展方向和业态，推进经济、社会、民生等领域的协同发展。