高精度城市級實景三維Mesh建模與應用

江西地名研究

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摘要：以省縣級市為研究區域，選用智能型無人機搭載5鏡頭傾斜相機，實施傾斜攝影數據采集，采用地物點、靶標點相結合的方式布設控制網，綜合應用Das GET3D Cluster、Context Capture、SvsGeoModeler、MapEasy等軟件，在規模化多節點大算力集群環境下進行空中三角測量、實景三維模型構建與精細化表達，生成高精度三維Mesh模型。基于高精度三維Mesh模型成果進行真正射影像（TDOM）制作、城市實景三維模型快速構建和城市地理信息公共服務平臺地名／地址提取更新等。經檢測，三維Mesh模型平面中誤差可達0.0476m，高程中誤差可達0.0382m，遠高于規范要求。相關研究成果可為城市級實景三維模型構建及城市更新提供參考。

關鍵詞：無人機傾斜攝影；高精度三維Mesh建模；城市三維模型（LOD1.3）；真正射影像圖；地名／地址調查建庫

實景三維是對人類賴以生存、生產和生活的自然物理空間進行真實、立體、時序化反映和表達的數字虛擬空間，是國家新型基礎設施建設的重要組成部分，為經濟社會發展和各部門信息化與智能化提供統一的空間基底，是落實建設數字中國、智慧社會的技術支撐，分為地形級、城市級、部件級三級。一般地形級實景三維建設屬于省級任務，城市級、部件級實景三維建設由市縣主導。人工智能算法、大數據、計算能力“三駕馬車”是地理信息產業和時空數據應用轉型升級的關鍵。隨著地理信息不斷轉型升級應用和實景三維中國建設的快速推進，目前城市級的實景三維模型重建已成為研究重點。Mesh是由相互連接的節點構成的網格結構，可以表示為一個由不規則三角格網（triangulated irragular network,TIN）面片組成的面片集合，Mesh模型是通過Mesh共享邊或頂點相互連接并映射紋理構成，是重要的城市級實景三維數據，其質量好壞直接影響著實景三維應用效果。無人機作為低空經濟的對地觀測平臺，具備高效率、高精度、低成本等特點，在大比例尺測繪產品生產、快速實景三維建模、目標識別與分類、定量監測等方面得到廣泛應用，已成為城市級實景三維遙感數據采集的重要載體。

河南省地形級實景三維建設正在有序開展，城市級、部件級實景三維建設亟待推進，而如何選擇數據獲取設備、建模處理軟件，在高精度要求下高效完成任務方面，經驗略顯不足。本文以縣級城市建成區實景三維建設為例，探索以無人機低空遙感和算力集群為基礎，選擇高效穩定的建模軟件，構建高精度實景三維Mesh模型，并應用于真正射影像圖(true digital orthophoto map,TDOM)制作、城市三維模型快速構建、地名／地址調查建庫更新等，為縣級城市實景三維建設提供參考。

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方法論述

首先，采用傾斜攝影測量方式對建成區開展無人機航空攝影，獲取高清影像，利用省級衛星導航定位基準服務系統及全球導航衛星系統（global navigation satellite system,GNSS）載波動態實時差分（real time kinematic,RTK）技術實施外業像片控制測量；其次，選用建模軟件，通過空中三角測量、數字表面模型（digital surface model,DSM）匹配、紋理映射等初步建立三維Mesh模型；然后，對模型進行精細化處理生成高精度實景三維Mesh模型；最后，基于高精度模型進行TDOM制作、城市實景三維模型快速構建和城市地理信息公共服務平臺地名／地址提取更新。其中，城市三維模型的構建是通過采集建（構）筑物基底數據，經三維拉伸處理、通用紋理映射和屬性關聯完成。無人機航空攝影、規模化大算力硬件、控制網布設、建模軟件等，是保障高精度城市級實景三維Mesh建模及應用一體化的關鍵。總體技術流程如圖1所示。

1.1 建模配置

建模硬件主要是無人機遙感設備和大算力集群。其無人機選擇垂直起降固定翼無人機，對起降場地要求不高，便于空域申請，搭載多鏡頭傾斜攝影相機；大算力集群需滿足≥100節點算力，支撐Mesh建模數據處理，提供規模化分布式并行計算支持；對應建模數據處理關鍵工序分類選擇不同軟件，如表1所示，分別用于空中三角測量、Mesh模型構建及模型精細化表達等。

1.2 傾斜攝影技術指標

傾斜攝影技術是城市實景高精度三維建模的關鍵技術，使用無人機傾斜攝影采集多位姿高清影像，可真實地反映地理要素，廣泛應用于NeRF、點云多源融合高精度建模、城中村精細化測繪等。面向城市級實景三維Mesh建模，綜合建成區地形、空域、天氣等因素，影像數據源獲取技術指標如表2所示。

1.3 控制網布設策略

控制網為高精度城市級實景三維Mesh建模提供坐標基準。采用地物點與地面靶標點相結合的規則布網方式，航向間隔6~16條基線、旁向間隔4~8條航帶布點，點間距200~500m。控制點布設在清晰易于判別、四周空曠無遮擋的地面，檢查點均勻布設在遠離控制點、精度控制薄弱位置。

特殊區域采用不規則區域網布點法，如凹角轉折處或凸角轉折處增設像控點，舍棄理論落水點并在該點位附近雙向增設2個像控點。靶標形狀為“L”型，統一測量至外拐角。飛行期間部分靶標損毀的，選取特征地物點補測。采用GNSS RTK設備測量獲取控制點坐標，并進行投影和高程轉換。

1.4 Mesh模型構建

1.4.1 分區空中三角測量

空中三角測量主要是將5個視角的影像數據以及通過機載定位定向系統（positioning and orientationsystem,POS）獲得初始傾斜影像的外方位元素同時導入程序中，再利用正視、斜視影像構建區域網，自動匹配多視角影像；經過反復濾波、平差，解算得到符合精度要求的精確外方位元素，進行控制點和加密點量測，通過平差計算獲得加密成果。

為確保空中三角測量成果滿足Mesh模型構建要求，在數據整理時，將影像文件、POS數據統一重命名，結合相機信息建立信息庫，使影像空間位置和姿態信息保持一致；像控點標記時，每個點位至少需要3~5張影像，將點位放置到像素內，可有效減少人為誤差。

1.4.2 Mesh模型構建

利用自動化建模軟件，采用影像匹配技術和三維網格優化算法，自動生成精準的三維模型以及格網面片的影像紋理，確保格網頂點放置在最佳位置；此建模方法能夠表現更精細的細節和更銳利的邊緣，從而提高幾何精度。選用自動化程度較高、算法先進的主流軟件，根據空中三角測量加密匹配的密集點云，構成不規則三角網（TIN），優化生成目標物白模，計算對應的紋理，將紋理映射到對應的白模上，重建實景三維Mesh模型，并按分塊矩形格網形式輸出。

1.4.3 Mesh模型精細化表達

雖然在上一步建模過程中，采取了調整軟件參數、幾何約束條件等方法進行優化處理，但存在城市公共區域道路不平、建筑物扭曲、道路車輛糊影、紋理破洞、色彩斑駁等模型缺陷，需進行人工交互處理，進而實現Mesh模型精細化表達。

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實例分析

以河南省某縣級建成區為例，研究區域如圖2所示，建成區總面積約57.28km2，其中主城區面積為25km2。該區域北延寧洛高速，西依沙河、S232省道，南接灰河，東至S83蘭南高速，地形基本是平原，平均海拔約80m，最大高差約20m；城區居民區密集，分布較多高層建筑物，航空攝影困難類別Ⅱ級。

圖2研究區域范圍示意圖

2.1 傾斜攝影及控制測量

傾斜攝影測量硬件包括飛行平臺、航攝傳感器、地面控制站三部分。飛行平臺為智能型CW15Ⅱ長航時垂直起降固定翼無人機，搭載全畫幅、2.1億像素CA503R五鏡頭傾斜相機。根據區域概況，采用長焦鏡頭，航攝時間為9月上旬，南北方向飛行，每天10：00~15：30時間段作業，獲取影像139155張（“*.jpg”格式）及POS數據（“*.txt”格式）；控制點布設平均點間距400m，共布設像控點、檢查點451個。傾斜攝影技術指標如表3所示、航線設計及控制網布設如圖3所示。

2.2 Mesh建模及精細化表達

應用Das GET3D Cluster，針對139155張“*.jpg”格式影像數據源，分2個區，投入20節點算力，每個分區通過集群算力網在線分發至網內10個算力節點進行空中三角測量處理；應用Context Capture，投入100節點算力計算，經構建TIN、生白模、紋理映射等重建輸出Mesh模型成果，建模流程如圖4所示；應用SvsGeoModeler，對模型勻色、刪除電力線懸浮地物碎片、采集水涯線作為特征線修補河流湖泊等面積較大的無數據水體漏洞區域、去除主干道路上移動車輛、樹影、編輯修正重要企事業單位和標志性建筑物等模型扭曲變形等，形成高精度實景三維Mesh模型。模型處理前后對比如圖5所示。

2.3 Mesh模型精度檢測

2.3.1 空中三角測量精度檢測

由Das GET3D Cluster軟件導出空中三角測量精度檢測報告，如表4所示，平均地面分辨率、連接點及控制點重投影中誤差、定向點和檢查點中誤差等重點指標項均符合要求。

2.3.2 三維Mesh模型精度檢測

針對三維Mesh模型2個分區分別進行，各抽取13處模型特征點，共26個檢查點，通過模型點與實測檢查點對比檢測，計算精度誤差。檢測結果如表5所示，（a）組平面中誤差為0.1195m，高程中誤差為0.0398m；（b）組平面中誤差為0.0476m，高程中誤差為0.0382m。對比規范中平面中誤差允許值為0.6m、高程中誤差允許值為0.4m、2倍中誤差為最大限差的要求，文中建立的三維Mesh模型精度遠高于規范要求。

2.4 三維Mesh模型應用

2.4.1 TDOM制作

傳統數字正射影像圖（digital orthophoto map,DOM）由于投影差導致的建筑物傾斜、遮擋嚴重，而數字TDOM引補了空白，能夠提供更科學精準、無投影差的影像數據。

應用Context Capture軟件，將高精度實景三維Mesh模型數據導入軟件中，計算模型俯視圖、輸出TDOM成果為非壓縮TIF格式和地理信息頭文件“*.tfw”格式，如圖6所示。在俯視角度下，逐屏檢查TDOM，對存在的建筑物邊緣明顯鋸齒、扭曲變形，內部道路邊緣扭曲、道路中線錯位，建筑物附近的漏洞等缺陷的圖像，使用Photoshop、DP-modeler或貼圖大師等軟件編輯處理且同步檢修三維Mesh模型，采用1∶1000比例尺正方形分幅內圖廓線范圍外擴10m進行分幅裁切，生成281幅標準圖。

2.4.2 城市三維模型快速構建

城市三維模型是指用棱柱體表示的城市上人工建（構）筑物的體塊模型，概要反映城市建筑物主體結構的三維模型單體，一般頂部為平頂或者接近真實頂部形狀無紋理結構，立面為直立面狀無紋理結構，整體以無真實紋理的白模形式表達。城市三維模型表達了建筑的輪廓、高度信息，是城市三維模型構建的基礎，也是目前省市縣多級實景三維建設工作的重點之一。

1）模型構建流程。對重點區域的普通房屋、棚房、門頂、雨罩、廁所、出入口、亭、壇、工業用塔、廊、崗亭、崗樓、巡警平臺、碑、像、室外樓梯、扶梯、電梯、停車場、樓、土地廟、小廟等建（構）筑物等，利用某縣建設的大比例尺地形圖，三維Mesh模型更新采集附帶高程、高度屬性的基底數據（基底面積大于12m2且高度大于3m），應用SvsGeoModeler軟件實施三維拉伸處理，完成通用紋理映射和屬性信息采集、提取、掛接，快速構建城市三維模型，技術流程如圖7所示。

2）建（構）筑物高度提取。高度提取主要利用實景三維Mesh模型、基底數據，計算獲取建（構）筑物頂部高程和基底高程的平均差值。頂部為坡面且坡度大于30°的建（構）筑物，高度取基底到其檐口與屋脊的平均高度，如圖8所示。

3）模型快速構建。利用SvsGeoModeler軟件，根據基底數據和高度信息進行三維拉伸處理，構建城市三維模型，如圖9所示，該模型采用“*.ojb”格式三維模型數據、“*.jpg”格式紋理數據、“*.shp”格式屬性數據及“*.xls”格式元數據。主城區三維模型（LOD1.3）構建數量共計55770個，占地6163953.66m2，其中主要是普通房屋，共計53765個，如表6所示。

4）城市三維模型精度。經檢測，基于Mesh模型快速構建的城市三維模型成果的整體平面中誤差為0.21m（允許值2.5m），高程位置中誤差為0.31m（允許值0.5m），幾何位移、建（構）筑高度差等均符合規范。

2.4.3 地名／地址調查建庫

地名／地址是城市地理信息公共平臺／市縣級天地圖節點的重要內容，為政府、社會、公眾提供地理信息公共服務的支撐數據。基于三維Mesh模型，利用自主開發軟件完成數據編輯入庫等工作，更利于解決數據采集、入庫數據丟失和錯漏的問題，提高工作效率。

建成區地名／地址采集內容如表7所示。結合收集的已有地名／地址資料，利用高精度三維Mesh模型開展建成區地名／地址內業調查和整理，并進行外業調查核實補充，選用自主研發的MapEasy數字制圖建庫一體化軟件完成地名／地址數據庫，成果為“*.shp”格式，照片資料為“*.jpge”格式。如圖10所示。

1）內外業調查。根據三維Mesh模型逐街道、小區、村莊核對位置名稱，查漏補缺。個別遮擋不清楚的內業分類分色標記，如普通點黑色；遮擋區用紅色，制作外業調查底圖。外業利用電子工作底圖，完成地名／地址的采集、屬性錄入及拍照等補充調查。

2）整理入庫。①位置校準：利用高精度三維Mesh模型校準核對外業補調點位置。②屬性完善：調用MapEasy數字制圖建庫一體化軟件，通過圖形拓撲關系、字段關聯計算等完成屬性賦值。如：要素代碼賦值、街巷地址名稱及編號提取、經緯度坐標計算、照片關聯等。③檢查入庫：檢查點位位置、屬性內容、屬性表與圖形數據的關聯性。

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結論

針對城市級實景三維建設在數據獲取、模型構建及應用方面經驗不足，選用CW15Ⅱ智能型無人機搭載CA503R五鏡頭傾斜相機進行數據采集，綜合應用Das GET3D Cluster、Context Capture、SvsGeoModeler、MapEasy等軟件，在計算集群環境下進行空中三角測量及自動化三維建模，精細化表達生成高精度三維Mesh模型。實踐證明，研究方法可行，模型成果精度可靠，并成功應用于城市三維模型快速構建、真正射影像圖制作和地名／地址調查建庫等。可為城市整體發展戰略制定、城市安全運行管理等全局性宏觀決策提供全空間地理信息服務。將來在政府及社會各行業應用中，發揮高精度城市級實景三維Mesh模型數字化空間地理表達、動態三維信息呈現優勢，通過數據拆分細化、關聯掛接業務管理數據，可實現城市立體可視化的協同更新及業務辦理與管理，全面提升其決策能力和服務水平。

作者：王永生，許穎，

朱慧，趙春生，孫萌，施淮艦

來源：《測繪工程》2025年第3期

選稿：耿 曈

編輯：汪鴻琴

校對：賀雨婷

審訂：耿 曈

責編：楊 琪

（由于版面有限，文章注釋內容請參照原文）

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