基于传统航空影像构建城市三维模型（LOD1.3级）技术方法研究

摘"要：实景三维作为重要的新型基础设施，是数字空间与现实空间的相互映射，是数字中国整体框架构建的核心要素和重要内容。城市三维模型（LOD1.3级）作为实景三维的建设任务，是实景三维建设的核心内容。为快速推进实景三维贵州建设，加快城市三维模型（LOD1.3级）构建，结合贵州实际情况，探索符合贵州实际的城市三维模型（LOD1.3级）快速构建技术方法。本文以赤水河流域白酒产业聚集区为研究区域，开展基于传统航空影像构建城市三维模型（LOD1.3级）技术方法的研究。

关键词：传统航空影像；Mesh三维模型；城市三维模型（LOD1.3级）

城市三维模型反映了城市人工建筑物的几何空间位置、范围、形态、纹理特征和属性信息，以三维形式对城市人工建筑物进行细化表达，可实现国土空间规划、智慧社区、不动产登记等的精细化管理，为社会民生、人口经济、城市规划等政府治理和政府决策及其他各行业领域提供统一的城市建筑物三维数据底盘。目前，随着实景三维建设持续推进，构建城市三维模型（DOD1.3级）生产技术方法繁多，但对基础数据源要求越来越高，贵州省存量基础数据较少、时效性较差，大部分城市三维模型（LOD1.3级）构建方法不适合贵州。本文通过对贵州省现有基础资料情况和现有技术方法分析，探索基于传统航空影像构建城市三维模型（LOD1.3级）的技术方法，找到符合贵州生产实际的技术方法，为实景三维贵州建设提供技术支撑。

1"前期分析

1.1"技术方法分析

城市三维模型（LOD1.3级）构建的技术方法可根据不同数据源进行选取，主要的技术方法包括基于高分辨率卫星立体影像构建三维模型、基于大比例尺地形图构建三维模型、基于高精细度建筑模型构建三维模型、基于倾斜摄影数据构建三维模型、基于LiDAR数据构建三维模型等技术方法。根据可利用的基础数据源确定城市三维模型（LOD1.3级）的构建技术方法，也可同时利用多种数据源，采用多种技术方法结合使用，提高生产效率，也可相互补充，使成果达到相关技术要求。

1.2"基础数据源分析

1.2.1"高分辨率卫星立体影像

贵州省位于云贵高原，地形地貌复杂，高原和山地居多，全域有92.5%的面积为山地和丘陵，有“九山半水半分田”之说。贵州气候资源丰富，长时间属于雨季，云雾覆盖率高。因此，高分辨率卫星立体影像获取相对困难。

1.2.2"大比例尺地形图

贵州省大比例尺地形图极少，且时效性较差，数据分布于各个领域，收集和汇总困难，只能满足小范围的生产需求。

1.2.3"高精细建筑模型

贵州省基本无高精细的建筑模型，只有住建部门有部分高精细建筑模型，数据范围小，现势性较差，无法满足全省范围生产需求。

1.2.4"倾斜三维模型和LiDAR点云数据

倾斜三维模型和LiDAR点云数据只有覆盖少部分中心城市区域，大部分现势性也不满足要求，且生产成本较高，软硬件需求较高。

1.3"综合分析

贵州省基础存量数据极少，现势性较差，且地形地貌复杂，气候多变，导致获取数据源困难。根据目前主要技术方法对基础数据源选取要求，以主要技术方法开展大面积城市三维模型（LOD1.3级）生产，需投入大量的人力、物力、财力，以贵州省目前财政状况分析，难以支撑其生产和实施。所以，目前主要的城市三维模型（LOD1.3级）构建技术方法不适合贵州生产实际。

2"研究思路

为全面推进实景三维贵州建设，以提高贵州省城市三维模型（LOD1.3级）生产效率，整合全省基础数据资源，有效利用现有存量数据，以最大化地节约资源投入为基本原则，根据全省已有基础数据资料情况，开展城市三维模型（LOD1.3级）快速构建技术方法研究。

3"研究方向

目前，贵州省已建立遥感影像“1+5”统筹体系，通过事权财权集中统一、建立统筹服务平台、多项机制协同运行等举措，为全省遥感影像获取、生产、实施、管理等方面提供了有效支撑。可基于全省遥感影像统筹机制，获取高分辨率航空遥感影像数据，作为城市三维模型（LOD1.3级）构建的主要基础数据源。

本研究结合贵州省实际情况，探索基于传统航空遥感影像构建城市三维模型（LOD1.3级）的技术方法，为全省城市三维模型（LOD1.3级）快速构建提供有效的解决方案，为实景三维贵州建设提供基础支撑。

4"区域选取与资料情况

4.1"研究区域选取

本次研究区域选取贵州省赤水河流域白酒产业园聚集区，面积约188km2。研究区域具有贵州特色，地形地貌特征与全省相似，且数据资源齐全，参考资料丰富，能满足研究需求。

4.2"资料收集情况

依托贵州省遥感影像统筹机制，收集到研究区域范围内航空摄影成果，分辨率优于0.05m，现势性为2022年，包含原始航片、外方位元素及像控点成果。资料满足1∶500航空影像生产技术要求。

5"总体技术路线

基于收集的航空摄影数据和控制资料，通过空三加密、密集点云匹配、纹理贴附等生产Mesh三维模型，点云降噪生产数字表面模型（DSM），滤波、特征点线编辑等处理生产数字高程模型（DEM），利用生产的Mesh模型进行建筑物矢量边界立体采集，基于数字表面模型（DSM）和数字高程模型（DEM）获取建筑物顶部高程和底部高程信息提取、体块模型构建、纹理贴附等构建城市三维模型（LOD1.3级）。流程图见图1。

5.1"Mesh三维模型生产

基于传统航空影像数据，结合相关控制资料，进行空中三角测量及定向建模，匹配像素级高精度密集点云；基于密集点云成果，通过构建不规则三角网，构建白模；通过模型人工编辑、修饰及纹理映射，生产Mesh三维模型。

（1）影像预处理。对原始航空影像进行色彩、亮度和对比度的调整和匀色处理，为空中三角测量做准备。

（2）空中三角测量。根据研究区域地形地貌特征，对研究区域进行区域网划分，在区域网内量测一定数量的连接点和像控点，结合区域网平差模型开展空中三角测量区域网平差计算，得到影像的精确内外方位元素。

（3）密集点云匹配。利用空中三角测量成果及影像内外方位元素进行影像匹配获取同名点，提取像素级密集点云，通过构建不规则三角网，得到三维白模成果。

（4）纹理贴附。利用航空影像的内、外方位元素与三维白模进行特征提取和匹配，进行纹理贴附，得到Mesh三维模型数据。

5.2"数字表面模型（DSM）生产

基于空三解算后提取的像素级密集点云数据，通过点云降噪，构建不规则三角网等处理，生产数字表面模型（DSM）。

5.3"数字高程模型（DEM）生产

通过对点云数据中非地面点进行滤波，叠加在Mesh三维模型上，按照裸眼三维立体采集编辑的方式，采集必要特征点线，通过少量人工编辑，生产数字高程模型（DEM）。

5.4"建筑物矢量边界采集

基于生产的Mesh三维模型，通过立体测图的方式对建筑物边界进行细化采集。

5.5"建筑物底部高程信息提取

基于采集细化的建筑物矢量边界范围，通过叠加DEM，提取建筑物底部高程信息。将建筑物矢量边界范围内的平均高程值信息赋予建筑物，完成建筑物底部高程信息提取。

5.6"建筑物顶部高程信息提取

建筑物顶部高程信息主要是基于建筑物矢量边界范围，通过叠加DSM或叠加Mesh三维模型，获取建筑物矢量边界范围内平均高程值信息并赋予建筑物，完成建筑物顶部高程信息提取。

5.7"体块模型构建

基于建筑物矢量边界范围，通过建筑物顶部高程减去底部高程，得到建筑物的高度信息，结合建筑物顶部高程信息和建筑物高度信息，进行三维拉伸，构建建筑物三维体块模型。

5.8"纹理贴附

根据建筑物特征、结构、色彩等特征，选取纹理库中相对应的纹理类型，对建筑物体块模型进行纹理贴附。根据贵州省城市三维模型（LOD1.3级）生产要求，普通建筑物采用通用纹理，标志性建筑物采用真实纹理。效果图如下：

6"成果质量情况

经具有测绘质量检验资质的第三方机构进行质量检查评定，研究区域城市三维模型（LOD1.3级）成果质量为：平面中误差统计值最大为±0.87m，未超过平面位置中误差限差±2.5m；高程中误差统计值最大为±0.59m，未超过高程中误差限差±1.2m；建筑物高度精度统计中误差为±0.7m，未超过高度精度中误差限差±3.0m，成果满足城市三维模型（LOD1.3级）精度要求。

7"论证分析

7.1"可靠性分析

按照《测绘成果质量监督抽查与数据认定规定》和《实景三维中国建设总体实施方案》要求，经质量验证，采用基于传统航空影像构建城市三维模型（LOD1.3级）技术方法生产成果满足精度要求，研究的技术方法具备可靠性。

7.2"可行性分析

根据贵州省存量基础数据情况，采用主流技术方法生产城市三维模型（LOD1.3级），需先生产基础资料，增加了工作量，加大了成本投入。本技术方法研究结合了贵州省遥感影像统筹机制，在满足成果生产技术要求的条件下，充分利用省内已有资源，避免了重复投资、重复建设，实现资源有效整合利用，节约了成本投入，具备经济可行性。同时，在可利用基础资料前提下，本技术方法简化了技术流程，降低了实施难度，具备技术可行性。

7.3"可推广性分析

研究区域位于贵州省遵义市仁怀市，高差大、地形较为破碎，地貌有山地、丘陵、谷地等地貌类型，地形地貌丰富，研究区域地形地貌特征具备代表性，与贵州地形地貌特点相吻合，可在全省范围内进行推广。

结语

本文研究了基于传统航空影像构建城市三维模型（LOD1.3级）的技术方法，该技术方法整合了贵州省可利用资源，在充分利用已有基础资料情况下，实现了生产方式的创新，简化了技术流程，降低了生产难度，降低了生产成本。本文为全省城市三维模型（LOD1.3级）快速构建提供了有效的解决方案，为全面实施实景三维贵州建设提供了技术保障和支撑。

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作者简介：朱启雄（1992—"），男，汉族，贵州贵阳人，本科，测绘工程师，研究方向：实景三维、航空摄影、调查监测、遥感信息与地理信息系统。

*通信作者：黄芳（1988—"），女，土家族，贵州铜仁人，硕士研究生，测绘高级工程师，研究方向：新型基础测绘与实景三维、航空摄影测量与遥感。