基于移动测量系统的实景三维建模.pdf

6766No?、图/单红雷实景三维作为真实、立体、时序化反映人类生产、生活和生态空间的时空信息，广泛应用于自然资源、旅游、交通、国防、水利等社会方方面面，为经济社会发展和各部门信息化提供统一的空间基座。2022年2月，为全面推进实景三维中国建设，自然资源部印发了自然资源部办公厅关于全面推进实景三维中国建设的通知，通知明确，到2025年，50%以上的政府决策、生产调度和生活规划可通过线上实景三维空间完成。随着实景三维中国建设的推进，对实景三维建模的数字化需求呈井喷式增长。在全面推进实景三维中国建设过程中，受限于城市级实景三维精细建模费用高、生产周期长、数据量大等因素制约，亟需利用全新技术、数据源，面向宏观和中观层面治理能力建设的需求，开展城市级实景三维规模化、经济化建设的关键技术攻关。移动测量系统是当今测绘界最为前沿的技术之一，其通过采集空间信息和实景影像，由卫星及惯性定位确定实景影像的位置姿态等测量参数，能实现任意影像的按需测量。移动测量系统的多传感器可加载于如航空飞行器、陆地交通工具、水上交通工具等多种载体上，实现覆盖空中、陆地、水域全域的移动测量系统整体解决方案，满足全方位实景三维模型建设的需求。实景三维建模是一种运用数码相机或激光扫描仪对现有场景进行多角度环视拍摄，然后利用建模软件生成实景模型的一种三维虚拟展示技术。这一技术广泛应用于建筑、水利、消防、应急、能源等领域，助力测绘、地产、BIM、博物馆、工装、会展、地下空间可视化等诸多行业实现数字化转型升级。在实景三维建模方案中，传统的人工单体建模一般使用3DsMax、AutoCAD等软件基于影像数据、CAD平面图或者拍摄图片估算建筑物轮廓与高度等信息进行人工建模，这种方法需要耗费大量的人工，存在建设周期长、成本高、精度低、时效性差等缺点。传统遥感技术和航空摄影测量技术进行建模的原理是利用快速影像匹配技术生成DOM，需要手动或者半自动人工采集方式获取影像建筑物表面纹理，最后实现基于高分辨影像的三维模型。该建模方法的优势是遥感影像覆盖范围广、成本低且拥有较高的分辨率，但缺点是高层建筑物存在严重遮挡、建筑立面纹理数据获取成本较高、内业贴图费时费力。无人机倾斜摄影测量通过在同一飞行平台上搭载多台传感器，同时从一个垂直、四个倾斜等五个不同的角度采集影像，获取到丰富的建筑物顶面及侧视的高分辨率纹理信息。其虽然能够真实地反映地物情况，且精度高、适合大范围三维建模，但其采用可见光进行测量，对天气、日光要求较高，对密集植被下的地形无能为力，对精细物体的建模能力也存在不足。基于移动测量系统的实景三维建模 陆基移动测量系统陆基移动测量系统是一种基于道路的快速移动测量系统，其原理是在机动车上装配GNSS、CCD（视频系统）、INS等先进的传感器和设备，在车辆高速行进中快速采集道路及两旁地物的空间位置数据和属性数据，并同步存储于车载计算机中，再经专业软件处理形成高精度三维全景数据。车载移动测量系统以面状的方式快速采集道路及道路周边的地理空间数据，其数据成果是连续拍摄的实景可量测影像，除地理要素外，还包含有大量的资源、环境、社会、人口、经济和人文信息，这些信息与地球真实的物理状况完全匹配，是大比例尺和高分辨率的“地球全息图”。技术Technology常规实景三维建模法移动测量系统诞于20世纪90年代初，该技术是在移动载体平台上集成全球卫星定位、惯性导航、图像处理、摄影测量、地理信息以及集成控制等技术于体。当载体移动时，由各种传感器动采集载体的运动位置、姿态及周围物体（地物、地貌）形状、彩及影像等各种三维连续地理空间数据，后按定的数据转换法和融合算法对这些数据进处理和加，成各种空间信息应系统所需的图形和数据信息，由此进三维建模，最终可重建测区真实场景。按照载体的不同，移动测量系统可分为陆基、空基和上移动测量系统。移动测量系统简介6766No?、图/单红雷实景三维作为真实、立体、时序化反映人类生产、生活和生态空间的时空信息，广泛应用于自然资源、旅游、交通、国防、水利等社会方方面面，为经济社会发展和各部门信息化提供统一的空间基座。2022年2月，为全面推进实景三维中国建设，自然资源部印发了自然资源部办公厅关于全面推进实景三维中国建设的通知，通知明确，到2025年，50%以上的政府决策、生产调度和生活规划可通过线上实景三维空间完成。随着实景三维中国建设的推进，对实景三维建模的数字化需求呈井喷式增长。在全面推进实景三维中国建设过程中，受限于城市级实景三维精细建模费用高、生产周期长、数据量大等因素制约，亟需利用全新技术、数据源，面向宏观和中观层面治理能力建设的需求，开展城市级实景三维规模化、经济化建设的关键技术攻关。移动测量系统是当今测绘界最为前沿的技术之一，其通过采集空间信息和实景影像，由卫星及惯性定位确定实景影像的位置姿态等测量参数，能实现任意影像的按需测量。移动测量系统的多传感器可加载于如航空飞行器、陆地交通工具、水上交通工具等多种载体上，实现覆盖空中、陆地、水域全域的移动测量系统整体解决方案，满足全方位实景三维模型建设的需求。实景三维建模是一种运用数码相机或激光扫描仪对现有场景进行多角度环视拍摄，然后利用建模软件生成实景模型的一种三维虚拟展示技术。这一技术广泛应用于建筑、水利、消防、应急、能源等领域，助力测绘、地产、BIM、博物馆、工装、会展、地下空间可视化等诸多行业实现数字化转型升级。在实景三维建模方案中，传统的人工单体建模一般使用3DsMax、AutoCAD等软件基于影像数据、CAD平面图或者拍摄图片估算建筑物轮廓与高度等信息进行人工建模，这种方法需要耗费大量的人工，存在建设周期长、成本高、精度低、时效性差等缺点。传统遥感技术和航空摄影测量技术进行建模的原理是利用快速影像匹配技术生成DOM，需要手动或者半自动人工采集方式获取影像建筑物表面纹理，最后实现基于高分辨影像的三维模型。该建模方法的优势是遥感影像覆盖范围广、成本低且拥有较高的分辨率，但缺点是高层建筑物存在严重遮挡、建筑立面纹理数据获取成本较高、内业贴图费时费力。无人机倾斜摄影测量通过在同一飞行平台上搭载多台传感器，同时从一个垂直、四个倾斜等五个不同的角度采集影像，获取到丰富的建筑物顶面及侧视的高分辨率纹理信息。其虽然能够真实地反映地物情况，且精度高、适合大范围三维建模，但其采用可见光进行测量，对天气、日光要求较高，对密集植被下的地形无能为力，对精细物体的建模能力也存在不足。基于移动测量系统的实景三维建模 陆基移动测量系统陆基移动测量系统是一种基于道路的快速移动测量系统，其原理是在机动车上装配GNSS、CCD（视频系统）、INS等先进的传感器和设备，在车辆高速行进中快速采集道路及两旁地物的空间位置数据和属性数据，并同步存储于车载计算机中，再经专业软件处理形成高精度三维全景数据。车载移动测量系统以面状的方式快速采集道路及道路周边的地理空间数据，其数据成果是连续拍摄的实景可量测影像，除地理要素外，还包含有大量的资源、环境、社会、人口、经济和人文信息，这些信息与地球真实的物理状况完全匹配，是大比例尺和高分辨率的“地球全息图”。技术Technology常规实景三维建模法移动测量系统诞于20世纪90年代初，该技术是在移动载体平台上集成全球卫星定位、惯性导航、图像处理、摄影测量、地理信息以及集成控制等技术于体。当载体移动时，由各种传感器动采集载体的运动位置、姿态及周围物体（地物、地貌）形状、彩及影像等各种三维连续地理空间数据，后按定的数据转换法和融合算法对这些数据进处理和加，成各种空间信息应系统所需的图形和数据信息，由此进三维建模，最终可重建测区真实场景。按照载体的不同，移动测量系统可分为陆基、空基和上移动测量系统。移动测量系统简介6968No?除了车载移动测量系统，近年来，背包式和手持式移动测量系统也逐渐发展成熟，针对室内、狭小、拥挤、地下、管道等场地环境，背包/手持式移动测量系统通过3D-SLAM技术解决了GNSS信号不良或者无信号场所带来的定位难题，作业过程不受上下坡、楼梯、路面起伏、狭小空间等条件影响，可广泛应用于城市街区、商场、房产建筑、地下车库、地铁、隧道、矿井、地下空间、工厂仓库等各类型场景下的空间信息采集。空基移动测量系统空基移动测量设备以由GNSS、INS、导航存储设备、数据处理软件等组成的定位定向系统（POS）为核心部件，装载于飞艇、无人机等飞行器上，系统可以实时获取运动物体的空间位置和三维姿态信息，其原理为：将各个导航传感器获取的信息进行最优化数学处理，为飞行器等设备提供高精度的位置和姿态信息。空基移动测量设备可为机载激光雷达、推扫式超光谱成像仪、大面阵CCD数字相机、合成孔径雷达等测绘遥感设备提供动态坐标及姿态基准，对提高地理信息采集与更新速度、实现我国测绘现代化目标具有重要意义。空基移动测量系统分为有人机飞行平台和无人机飞行平台，其中有人机飞行平台受航空管制、起降条件等因素影响，在实际应用中并不广泛，而无人飞行平台有效弥补了有人机飞行平台的不足，其可在多种复杂环境下进行起降作业，具有机动灵活、操作简单、危险系数小、精度高等优势。水上移动测量系统水上移动测量系统主要以无人测量船为载体，测量人员通过操控岸基控制平台，系统就可以自动采集并记录水下水上点云数据。系统由三维激光扫描仪、高分辨率全景相机、声呐测深设备、多传感器同步控制设备、GPS/IMU定位定姿设备，以及多源数据一体化同步采集软件等组成，用于移动测量的三维激光点云、测深数据、全景影像、时间同步数据和定位定姿数据等的同步采集。水上移动测量系统具有高精度、高智能、高效率等优势，其主要应用于海岛（礁）、海岸带、湖泊和水库、港口（码头）以及水中构筑物等对象的地理信息获取与分析工作，主要解决了使用传统测量方法导致的水上水下坐标不统一、小型岛礁登陆危险与无法登陆、复杂近海地形人工跑点测量困难、水上下地形无法无缝拼接、多层水上构筑物从空中测量存在严重遮挡等一系列测量问题。为积极响应实景三维中国及浙江省数字化改革中对“三维浙江”的工作要求，嘉兴市于2020年全面启动“三维嘉兴全域一体化项目”建设，通过全市统一部署、统筹实施的方式，实现了嘉兴市全域高精度实景三维覆盖，分级建设了全市域实景三维模型并完成数据建模建库。此轮实景三维建设项目充分利用陆基、空基、水上移动测量系统来构建覆盖空中、陆地、水域全域的移动测量系统整体解决方案，实现不同数据采集手段的优势互补。数据采集对于一些高层建筑、高大树木等区域，通过无人机载移动测量系统进行数据采集；对于可通车道路区域，主要利用车载移动测量系统进行采集；对于人行辅道、人行隧道、涵洞等车辆无法行驶到的道路区域以及一些单点全景区域、重点场所等特殊位置，采用背负/手持式移动测量系统进行数据采集；水库、河流、湖泊等水域采用无人船载移动测量系统进行数据采集。在空地一体移动载体高速行进的过程中，快速采集地面物体空间位置数据和属性数据、高密度激光点云和高清连续全景影像数据。数据处理移动测量系统基于多平台进行数据采集，采集的数据在尺度、精度、密度等方面存在着一定的差异，无论采用什么方式获取的影像和点云等数据，都可以采用三维实景建模软件Context Capture进行建模。Context Capture具有高兼容性，能对各种数据源进行精确无缝重建，从厘米级到公里级，从地面或从空中拍摄，只要输入照片的分辨率和精度足够，生成的三维模型可以实现无限精细的细节。通过数据处理，建立了嘉兴全市域实景三维模型，其中城镇区域的分辨率达到了3cm，重点区域模型分辨率优于2cm，其他区域优于5cm。同时，对于重点区域的地物进行三维单体化，使三维模型能够真正用起来。通过“三维嘉兴全域一体化项目”的实施，嘉兴市实现了自然资源管理由二维平面向三维立体空间的提升，同时基于实体化、语义化、时序化表达和二、三维一体化融合技术，实现了实体的三维化表达和管理，以二三维统一的“实体空间码”为链，对同一立体空间单元进行全时序追踪、全业务关联，获得过去可追溯、现在可感知、未来可推演的“数智能力”。移动测量系统作为当前最尖端的测绘手段之一，有效提高了实景三维建模的效率，降低了实景三维建模的成本，为实景三维中国建设提供了重要的技术支撑。未来，随着多波谱段成像、云计算技术、数据自动化处理技术的不断完善，移动测量系统在大规模城市场景的三维数据获取、建设与应用支撑中具有越来越明显的应用优势，充分发挥其精度高、速度快、数据相对完整的特点，助力实景三维中国的发展。（作者单位系浙江天图地理信息科技有限公司）基于移动测量系统的实景三维建模法技术Technology6968No?除了车载移动测量系统，近年来，背包式和手持式移动测量系统也逐渐发展成熟，针对室内、狭小、拥挤、地下、管道等场地环境，背包/手持式移动测量系统通过3D-SLAM技术解决了GNSS信号不良或者无信号场所带来的定位难题，作业过程不受上下坡、楼梯、路面起伏、狭小空间等条件影响，可广泛应用于城市街区、商场、房产建筑、地下车库、地铁、隧道、矿井、地下空间、工厂仓库等各类型场景下的空间信息采集。空基移动测量系统空基移动测量设备以由GNSS、INS、导航存储设备、数据处理软件等组成的定位定向系统（POS）为核心部件，装载于飞艇、无人机等飞行器上，系统可以实时获取运动物体的空间位置和三维姿态信息，其原理为：将各个导航传感器获取的信息进行最优化数学处理，为飞行器等设备提供高精度的位置和姿态信息。空基移动测量设备可为机载激光雷达、推扫式超光谱成像仪、大面阵CCD数字相机、合成孔径雷达等测绘遥感设备提供动态坐标及姿态基准，对提高地理信息采集与更新速度、实现我国测绘现代化目标具有重要意义。空基移动测量系统分为有人机飞行平台和无人机飞行平台，其中有人机飞行平台受航空管制、起降条件等因素影响，在实际应用中并不广泛，而无人飞行平台有效弥补了有人机飞行平台的不足，其可在多种复杂环境下进行起降作业，具有机动灵活、操作简单、危险系数小、精度高等优势。水上移动测量系统水上移动测量系统主要以无人测量船为载体，测量人员通过操控岸基控制平台，系统就可以自动采集并记录水下水上点云数据。系统由三维激光扫描仪、高分辨率全景相机、声呐测深设备、多传感器同步控制设备、GPS/IMU定位定姿设备，以及多源数据一体化同步采集软件等组成，用于移动测量的三维激光点云、测深数据、全景影像、时间同步数据和定位定姿数据等的同步采集。水上移动测量系统具有高精度、高智能、高效率等优势，其主要应用于海岛（礁）、海岸带、湖泊和水库、港口（码头）以及水中构筑物等对象的地理信息获取与分析工作，主要解决了使用传统测量方法导致的水上水下坐标不统一、小型岛礁登陆危险与无法登陆、复杂近海地形人工跑点测量困难、水上下地形无法无缝拼接、多层水上构筑物从空中测量存在严重遮挡等一系列测量问题。为积极响应实景三维中国及浙江省数字化改革中对“三维浙江”的工作要求，嘉兴市于2020年全面启动“三维嘉兴全域一体化项目”建设，通过全市统一部署、统筹实施的方式，实现了嘉兴市全域高精度实景三维覆盖，分级建设了全市域实景三维模型并完成数据建模建库。此轮实景三维建设项目充分利用陆基、空基、水上移动测量系统来构建覆盖空中、陆地、水域全域的移动测量系统整体解决方案，实现不同数据采集手段的优势互补。数据采集对于一些高层建筑、高大树木等区域，通过无人机载移动测量系统进行数据采集；对于可通车道路区域，主要利用车载移动测量系统进行采集；对于人行辅道、人行隧道、涵洞等车辆无法行驶到的道路区域以及一些单点全景区域、重点场所等特殊位置，采用背负/手持式移动测量系统进行数据采集；水库、河流、湖泊等水域采用无人船载移动测量系统进行数据采集。在空地一体移动载体高速行进的过程中，快速采集地面物体空间位置数据和属性数据、高密度激光点云和高清连续全景影像数据。数据处理移动测量系统基于多平台进行数据采集，采集的数据在尺度、精度、密度等方面存在着一定的差异，无论采用什么方式获取的影像和点云等数据，都可以采用三维实景建模软件Context Capture进行建模。Context Capture具有高兼容性，能对各种数据源进行精确无缝重建，从厘米级到公里级，从地面或从空中拍摄，只要输入照片的分辨率和精度足够，生成的三维模型可以实现无限精细的细节。通过数据处理，建立了嘉兴全市域实景三维模型，其中城镇区域的分辨率达到了3cm，重点区域模型分辨率优于2cm，其他区域优于5cm。同时，对于重点区域的地物进行三维单体化，使三维模型能够真正用起来。通过“三维嘉兴全域一体化项目”的实施，嘉兴市实现了自然资源管理由二维平面向三维立体空间的提升，同时基于实体化、语义化、时序化表达和二、三维一体化融合技术，实现了实体的三维化表达和管理，以二三维统一的“实体空间码”为链，对同一立体空间单元进行全时序追踪、全业务关联，获得过去可追溯、现在可感知、未来可推演的“数智能力”。移动测量系统作为当前最尖端的测绘手段之一，有效提高了实景三维建模的效率，降低了实景三维建模的成本，为实景三维中国建设提供了重要的技术支撑。未来，随着多波谱段成像、云计算技术、数据自动化处理技术的不断完善，移动测量系统在大规模城市场景的三维数据获取、建设与应用支撑中具有越来越明显的应用优势，充分发挥其精度高、速度快、数据相对完整的特点，助力实景三维中国的发展。（作者单位系浙江天图地理信息科技有限公司）基于移动测量系统的实景三维建模法技术Technology