内蒙古自治区自然资源调查监测高精度实景三维建设方法与实践

李德重,姚 娜,薛永军,熊文豪,王龙秀

(1. 内蒙古自治区自然资源厅,内蒙古 呼和浩特 010020; 2. 北京飞马航遥科技有限公司,北京 100192;3. 内蒙古自治区测绘地理信息中心,内蒙古 呼和浩特 010000)

2020年1月,自然资源部印发《自然资源调查监测体系构建总体方案》,明确自然资源调查监测工作任务涉及调查我国自然资源状况,包括种类、数量、质量、空间分布等,建成自然资源日常管理所需的“一张底版、一套数据和一个平台”等[1]。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”。2021年2月印发的《自然资源三维立体时空数据库建设总体方案》明确实现自然资源调查监测数据成果的立体化统一管理,形成自然资源调查监测一张底版、一套数据,保障国土空间基础信息平台良好运行,服务“两统一”职责履行,也满足相关部门科学决策和社会公众对自然资源基础数据的需要[2]。

“一张底版、一套数据、一个平台”是自然资源调查监测体系的技术框架、数据支撑和时空载体,而实景三维“以地理实体为视角和对象”,既是统一的三维空间定位框架和分析基础,也是时空大数据云平台的数据基础。

内蒙古自治区(简称“内蒙古”)基于自然资源调查监测体系构架,研究了一套以高精度实景三维为统一三维空间框架和技术框架,对各类自然资源信息进行分层分类和统一组织的自然资源立体时空模型建设方法,以满足自然资源信息的可视化快速访问、准确统计和分析应用,服务自然资源精细化综合管理。

本文围绕内蒙古自然资源调查监测高精度实景三维建设与实践,阐述自然资源、调查监测、实景三维的内涵与分类,介绍内蒙古的总体布局和建设方法,重点论述技术路线、生产指标、实践结果及应用前景。

1 相关定义、分级与精度

1.1 自然资源与调查监测

自然资源是指天然存在、有使用价值、可提高人类当前和未来福利的自然环境因素的总和,涉及土地、矿产、森林、草原、水、湿地、海域海岛等,涵盖陆地和海洋、地上和地下[1]。调查监测是指调查我国自然资源状况,包括种类、数量、质量、空间分布等监测自然资源动态变化情况。

1.2 实景三维

实景三维是对人类生产、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,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,为经济社会发展和各部门信息化提供统一的空间基底[3-4]。

按照表达内容和层级分类,实景三维建设通常分为地形级、城市级、部件级[5]。其中,地形级和城市级实景三维建设被纳入新型基础测绘建设任务,更具有基础性、公益性;部件级不属于国家基础测绘的任务,更侧重满足个性化需求。本文指可用于自然资源调查监测表达的地形级和城市级实景三维。

(1)地形级实景三维。地形级实景三维服务宏观尺度的三维可视化与空间量算,通过构建地形级地理场景、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。地形级实景三维的主流表达形式有数字高程模型(DEM)、数字表面模型(DSM)、数字正射影像(DOM)、真正射影像(TDOM)或DEM/DSM叠加融合DOM/TDOM、实时感知数据[5-6],几何精度为米级。

(2)城市级实景三维。城市级实景三维服务中观尺度(区域)精细化管理的精细化表达与空间统计分析,通过构建城市级地理场景、基础地理实体,获取其他实体、物联感知数据,组装生成城市级实景三维产品。城市级实景三维的主流表达形式有倾斜摄影三维模型[3]、点云模型与纹理叠加、单体化模型数据、实时感知数据[5],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[6]。

2 研究区与方法

2.1 研究区概况

内蒙古位于我国北部边疆,由东北向西南斜伸,呈狭长形。东西相隔超2400 km,南北纵横1700 km,行政区总面积为118.3万 km2,占全国土地面积的12.3%,居全国第3位。地貌以蒙古高原为主体,具有复杂多样的形态:除东南部外,基本是高原,由呼伦贝尔、锡林郭勒、巴彦淖尔—阿拉善及鄂尔多斯等高平原组成,平均海拔1000 m左右,海拔最高点贺兰山主峰3556 m;高原四周分布着大兴安岭、阴山、贺兰山等山脉,构成内蒙古高原地貌的脊梁;高原西端分布有巴丹吉林、腾格里、乌兰布和、库布其、毛乌素等沙漠。全区高原面积占总面积的53.4%,山地占 20.9%,丘陵占16.4%,沙漠占12.7%,河流、湖泊、水库等水面面积占0.8%。现设9个地级市,3个盟,共103个旗县(市、区)。

2.2 高精度实景三维建设方法

充分考虑内蒙古自然资源调查监测对高精度实景三维的需求,结合地形地貌特征、区域经济格局和构建高质量国土空间体系目标,统筹面积、成本、周期,建设分层、分级、分精度的实景三维最为适宜。其中,地形级实景三维地理场景最合适经济的生产方式是DOM/TDOM+DEM/DSM建模,可以充分利用现有基础测绘数据,同时数据获取方法简单快捷、现势性高,三维建模计算量小、效率高[7],适合处在山地的林区、高原的牧区及沙漠地带;亦可以基于常规航摄与数字高程模型叠加的实景三维构建[8],适合处在平原的农业集中地带;城市级实景三维常基于倾斜摄影实景三维构建[7-10],适合城镇村的建成区范围。

立足内蒙古自然资源调查监测数据底版建设的客观实际,依据行政区界线,确定了内蒙古实景三维的总体布局与建设思路(如图1所示)。

图1 分层、分级、分精度实景三维

(1)针对盟市和旗县所在地等(2933 km2),基于无人机倾斜摄影,获取下视地面分辨率优于0.03 m的倾斜摄影数据,制作完成城市级实景三维。

(2) 针对农区、半农半牧区和城镇地区等(约20万 km2),基于有人机航空摄影获取地面分辨率优于0.2 m的航空摄影影像及点云密度优于2点/m2的激光点云数据,制作完成地形级实景三维。

(3) 针对内蒙古全区(约118万km2),基于亚米级国产高分辨率卫星影像与基础测绘DEM/DOM成果生产0.8 m分辨率DOM与5 m格网DEM,制作完成地形级实景三维。

2.3 已有数据源

地形级实景三维涉及的数据源包括卫星影像数据、基础测绘成果、基础控制数据和其他资料。

(1)卫星影像数据是生产数字正射影像、制作地形级实景三维的重要数据源。本文采用国产亚米级高分辨率卫星遥感数据,包括高分二号(GF-2)、高分七号(GF-7)、吉林一号(JL1),主要参数见表1。

表1 高分辨率卫星影像数据主要参数

(2)基础测绘成果是生产0.8 m分辨率DOM与5 m格网DEM的数据源,其分类及数学基础见表2。

表2 基础测绘成果分类及其数学基础

(3)基础控制数据用于检核卫星像片控制测量的平面与高程精度、统一全区实景三维成果(如图1所示)数学基础,包括平面、高程控制资料(GPS B级网),似大地水准面资料(分辨率2′×2′),NMGCORS资料。

3 技术路线与指标设计

3.1 基于卫星影像制作地形级实景三维

收集测区内1∶10 000比例尺基础测绘覆盖范围的控制成果、DOM和DEM成果、国家下发的10 m格网DEM成果等资料。对非1∶10 000比例尺基础测绘覆盖区域进行外业像控点测量,1∶10 000比例尺基础测绘覆盖区域制作外业检查点。

(1)以GF-2、GF-7和JL1等高分辨率卫星影像为数据源,采用数字航天摄影测量技术制作0.8 m分辨率县域分幅DOM。①针对1∶10 000比例尺DOM/DEM覆盖区域,若属大范围无漏洞影像覆盖区域,则采用区域网平差[11]进行控制和定向处理;若属漏洞区域或原始RPC参数异常,则结合区域内实际影像覆盖和基础控制资料进行单景卫星影像纠正。②针对非1∶10 000比例尺DOM/DEM覆盖区域,采用外业像控点进行区域网平差,进一步利用高精度检查点对定向精度或DOM精度进行检查。

(2)整合1∶10 000比例尺基础测绘DEM成果和国家下发10 m格网DEM成果,制作县域分幅DEM成果。①针对1∶10 000比例尺DEM覆盖区域,以该DEM作为整合数据源。②针对非1∶10 000比例尺DEM覆盖区域,以国家下发10 m格网DEM数据为整合数据源。DEM整合技术流程如图2所示。

图2 DEM整合技术流程

基于卫星影像制作地形级实景三维所需的平高像控点精度指标为:外业像控点平面位置中误差相对于邻近基础控制点不应大于1 m;高程中误差相对邻近基础控制点不应超过基本等高距的1/10[12]。

DOM精度指标见表3。DEM经图2整合技术流程后,重采样格网间距至5 m。

表3 卫星影像制作数字正射影像精度指标 m

3.2 基于航空摄影制作地形级实景三维

针对农区、半农半牧区和城镇地区,采用效率与成本兼顾的数字航空摄影与激光雷达扫描技术,同步获取地面分辨率优于0.2 m的正射影像与密度优于2个/m2的激光点云,生产DSM、DEM、DOM,制作高精度地形级实景三维地理场景数据,主要技术流程如图3所示。

图3 航空摄影制作地形级实景三维技术流程

基于航空摄影制作地形级实景三维的主要精度指标见表4。

表4 地形级实景三维成果精度指标 m

3.3 基于无人机倾斜摄影制作城市级实景三维

针对盟市和旗县所在地等范围(平地/丘陵地地形),采用无人机倾斜航空摄影[13]获取下视地面分辨率优于0.03 m的倾斜摄影数据,并制作高精度城市级实景三维模型,主要技术流程如图4所示。

图4 倾斜摄影制作城市级实景三维技术流程

针对像控敷设与测量,为统一项目实践标准并保证成果精度,本文通过内蒙古多个试点的免像控与渐进加密像控测试验证[14],推导得出:若下视影像优于0.03 m地面分辨率,则倾斜摄影三维模型平面与高程精度均可满足优于5倍地面分辨率的像控点理论敷设数量。假设一个面积为N的测区(平地/丘陵地),其像控点数量跟随测区面积N服从首项为4、公差为2、项数为N的等差数列,即该测区所需的最少像控点数量M满足以下公式

M=4+(N-1)×2=2×(N+1)

(1)

如为达到平地/丘陵地测区倾斜摄影三维模型平面与高程中误差优于0.15 m,则在实际生产中,每平方千米分布均匀的像控点数量不少于4个,且最大控制点间距不大于1000 m。

在此基础上,统筹若干试点测区实际精度验证结果[14-15],确定了内蒙古城市级实景三维成果精度指标,见表5。

表5 城市级实景三维成果精度指标 m

4 实践结果

2021年在内蒙古兴安盟、锡林郭勒盟完成了试点实施,验证了技术路线和指标;2022年在内蒙古中西部、呼和浩特市和包头市沿黄河地区、12个盟市以及县级市所在地率先实施。实践结果如下:

(1)基于无人机倾斜航空摄影制作的城市级实景三维,已获取倾斜摄影三维模型面积1 455.32 km2,敷设像控点12 605个、平高检查点7284个、建筑物高度检查点1825个,相关成果平面中误差优于0.04 m、高程中误差优于0.05 m、建筑物高度中误差优于0.05 m。

(2) 基于有人机航空摄影制作的地形级实景三维,已获取地理实体面积30 310.92 km2,敷设像控点4286个、平面检查点6158个、高程检查点6451个、建筑物高度检查点223个,相关成果平面中误差优于0.15 m、高程中误差优于0.13 m、建筑物高度中误差优于0.12 m。

(3) 基于卫星遥感影像制作的地形级实景三维,已获取地理实体面积599 252.04 km2,敷设像控点1606个、平面检查点1205个,相关成果平面中误差优于0.82 m(DEM整合的高程精度未做评价,以原始DEM或国家下发DEM高程精度为准)。

上述实践结果充分优于设计技术指标,符合内蒙古实际,2023年正在推进全区余下区域自然资源调查监测高精度实景三维数据底版的实施。

5 结 语

本文研究了内蒙古自然资源调查监测高精度实景三维数据底版的建设方法与实践路径。通过分层、分级、分精度的3种技术路线开展地形级与城市级实景三维建设,完全符合内蒙古实际,且实践成果已取得成效:一是已在国土调查数据质量提升、三维立体时空数据库建设、自然资源管理等工作中发挥作用;二是显著提升了城市国土空间监测(如细化调查、建筑物高度量取、城市精细化管理等)工作效率;三是作为实景三维内蒙古建设基础数据,避免了重复投入、重复建设,加快了工作推进。

后续将继续研究如何充分发挥不同层级实景三维成果价值,推进成果在内蒙古自然资源调查监测、实景三维内蒙古及时空信息平台建设等方面的转化,为全区自然资源调查、保护和高质量发展等提供关键数据支撑。